北京航空航天大学先进综合导航(复习资料).docx

《北京航空航天大学先进综合导航(复习资料).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京航空航天大学先进综合导航(复习资料).docx（91页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第1章概述什么是导航？导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.“导航”指的是采用定位手段和控制方法确定运动载体当前位置和目标位置，并参照地 理和环境信息引导运动载体沿着合理的航线，抵达目的地的过程。简言之，导航就是引 导航行。为什么需要导航？定位是人类社会活动、经济活动、军事活动的重要支撑。高精度定位是地球科学研 究的基础，内部地球物理、地壳运动、海洋活动、地震等都需要毫米级精度的定位；边 界划分、土地测量、工程建设等需要厘米甚至毫米级精度的定位。日常生活中人们更需 要连续实时导航定位。行人在陌生的城市、森林和无垠的沙漠戈壁需要导航、定位和定 向，车辆行进在陌生的道路和城市需要参照、需要导

2、航，舰船航行在浩瀚的海洋需要标 志和定向指引，飞行器遨游太空也需要导航定位。1、个人位置服务当你进入不熟悉的地方时,你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫 星导航装置找到你要走的路线。2、气象应用北斗导航卫星气象应用的开展，可以促进中国天气分析和数值天气预报、气候变化 监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升中国气象防灾减灾的能力。3、道路交通管理卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星 导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。4、铁路智能交通卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。5、海运和水运GNSS/INS

3、组合导航系统较强的抗干扰能力目前应用最为广泛的组合导航系统!* 223地形匹配/惯导组合导航需先运用仪器测绘出预定飞行路线的地形高度数据并制成数字地图，存 储在计算机中定位时，载体测量装置实际测得的地形数据与存储在计算机上的数字地 图进行比较如果出现偏差，载体的定位系统发出控制信号，修正载体的飞行路线精度高不适用于 平坦地形不适用于 远程飞行不受气象 条件影响定位特点地形匹配导航通常与惯导相配合，全程飞行用惯导, 定的若干个飞行段，用地形匹配修正惯导的误差。多用于战术、飞航导弹等低空飞行器的导航定位中！天文导航/惯导组合导航根据天体来测定飞行器位置和航向的导航技术。即以天体为参考 点，确定飞行

4、器在空中的真航向天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，测量天体相对于飞行 器参考基准面的高度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向自主性好自主性好受气象限制抗干扰能力好定位特点故仅靠天文导航系统在天气不好的条件下不 能准确定位，需要跟惯性导航组合。CNS/INS组合导航系统精度较高自主性好较强的抗干扰能力多用于飞船、卫星等空间飞行器的导航定位定姿中！丁, . 224 JTIDS/惯导组合导航JT IDS是联合战术信息分布系统 网络成员通过测距确定与其他网络成员的相对位置和速度，实现 网络成员的相互定位网内各成员传感器所获得的情报可以相互交换，在一个共同的相 对坐标系下形成统一的敌我态势，从而

5、利于网内成员之间的协同可靠性高输出频率低保密性好抗干扰能力强受成员之间几 何影响较大JTIDS定位特点7采用惯性导航系统进行组合来提高恶劣环境下的导航定位性能兼顾通信、目标识别能力系统JTIDS/ 惯导组 合导航广泛应用于三军联合作战!组合导航的基本要求。组合导航基本要求组合导航应当满足如下的基本要求:瑞发定位精度高可谦触具有较强的容错、抗干扰、应对复杂环境等能力实时魁 ） 实时输出导航信息- 小型化特定环境（如导弹、火箭、飞船等），导航设备越小越好- 一体化产品集成化低价化在精度等指标符合要求的前提下,越便宜越好组合导航的组合方式设计组合导航的工作模式，实质上是设计一种 具有可行性的、能够高

6、效利用子系统导航信息的工 作方法，是在考虑各种因素下对组合导航系统的综 合性设计。-松组合-紧组合-超紧组合 ,2.321组合导航的组合方式一松组合天线 接收机部分射频 前端导航解算IMU组合滤破器置度态位速姿惯导部分232.1组合导航的组合方式紧组合接收机部分流波器I4导航A解算通道2 ：二二二施幻:捷联解算组合滤破器谩 速度 轴惯导部分232.1组合导航的组合方式一超紧组合接收机部分组合导航的组合方式-组合特点射频 前端组合滤破器61 速度 轴工超紧耦合INS禾 机各特点：减小环路带宽，增加接 收机的动态性能和抗干扰能力抻普 【要 助卫 除作，由融合算 法综合两者数 据给出最优的 结果，并

7、反馈 给INS进行修正伪距、载波相位和多普勒等接收机用于定位解算_之间 的组合方式认为 是超紧耦合的原始信息。, ,232.1组合导航的组合方式一性能对比松耦合紧耦合超紧耦合捕获灵敏度一般取决于接收机一般取决于接收机好有利于热启动再捕能力一般取决于接收机一般取决于接收机好定位精度一般抗干扰能力较差良好伪距/伪距率的组合可为 系统提供更多观测信息好INS信息辅助抑制噪 声和误差检测动态性能差主要用于低动态平台 GPS失锁后性能迅速恶 化较好可以适应于大多数动态 范围的应用好可同时适用商业和 军事应用中的低 动态和高动态平台系统成本较高必须使用战术和战略级 别中高精度的IMU器件较高必须使用战术和

8、战略级 别中高精度的IMU器件较低可采用低质量的MEMS IMU器件组合导航关键技术2.322组合导航关键技术1、组合导航要估计哪些状态?组合导航需要估计出载体的位置、速度、姿态等信息。2、什么是导航状态误差模型？描述导航参数误差随时间变化的方程。3、为什么要建立导航状态误差模型？导航子系统输出的结果是有误差的，建立误差模型， 计算出每个时刻的误差，校正子系统的输出结果，才I能得到更精确的定位结果。4、误差状态量如何选取?由于惯导为主 导航源，可提 供所需导航参 数，因此惯导 误差应选为误 差状态量。惯导误差状态 方程描述导航 参数误差与其 的关系，因此 惯导主要误差 源也可作为误 差状态量。

9、对于其他导航 子系统，其提 供的观测量的 主要误差源， 如果影响较大 且可以建模， 也应选做误差 状态量。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。 同时，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。6、航空运输通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保 障。7、应急救援北斗卫星导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备可及 时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人 民生命财产损失。现代主要导航系统INS :惯性导航系统CNS ：天文导航系统TAN ：地形辅

10、助导航RNS :无线电导航系统GNSS ：全球导航系统新导航定位技术, ,2.2现有导航系统 全球卫星导航定位系统（GPS、GLONASS GALILEO、 BD）现有导航系统天文导航系统（CNS）重磁导航（重力导航、磁力导航）惯性导航（包括惯性导航INS、航位推 算导航DR）匹配导航（地形匹配导航、影像匹配导 航）典型的无线电导航系统1 .测距系统.伏尔（VOR）导航系统GPS误差来源卫星轨道扰动（被称作星历）-太阳、月亮正引力；太阳风大气信号延迟-电离层、对流层原子钟的浮动 接收机质量-有缺陷的钟或者内部噪声 多径-信号反射误差建模时，一般只考虑钟差。INS误差来源元件误差主要指陀螺漂移、

11、指令角速度刻度系数误差、加 速度计零偏和刻度系数误差、计算机舍入误差等安装误差主要指陀螺和加速度计在平台上的安装误差初始条件误差包括平台的初始对准误差、计算机 在解算力学 编排方程时引入的初始速度及位置误差干扰误差误差建模时，只考虑陀螺漂移、加速度计零偏等主要误差。信息融合研究内求使用多个R/或多真传感工的一个导传器据 多航感数导航状态矢量的最佳估计值正义：利用计算机技、 术对按时序获得的若 干传感器的观测信息 在一定准则下加以自 动分析、优化综合以 完成所需的决策和估 计任务而进行的信息I处理过程。)组合导航信息融合是属于住置级的融合，是根据余统的物理模型和条统模型及传感器的噪声的统计假设，

12、将观测数据映射到校志矢量,空间，获得导航参数的精确估计。一个子系统的故障 可能会很快污染到 整个系统,导致精 度降低，严重时甚 至会致使系统崩溃导航传感器工作环境 恶劣，工作过程中难免 有一些传感器或子系 统会发生故障很多飞行器系统特别是运载火 箭等大型系统，由于其特定的 任务和性质，原则上只许成功， 不许失败对系统的 可靠性提 出了更高组合导航系统愈加完 善，但同时系统也更加 复杂，故障率越来越高容错的定义是指在系统中，当一个或多个关键部件出现故障时，系 统采取相应措施，维持其规定功能，或在可接受的性能 指标变化下，继续、稳定可靠运行的能力。容错的任务建立一个监控系统及时地进行故障检测，监视

13、控制系统 的运行状态，实时检测出系统发生的故障，并对故障原 因、故障频率和故障的危害程度进行分析、判断，得到 结论，采取必要的措施，防止系统灾难性事故的发生。第3章GNSS基本原理和误差模型效京航宝就天太孝B E I H A N G UNIVERSITYRFfront-endRFfront-endA/DconverterAcquisition_Jk.ReceiverchannelPositioncalculation二二；二 FWB f T , 1 虬服一41两种地林坐标系的转换以表达为地心地固坐标 （xy z）r和大地坐标（。 hy两种地球坐标系的箝换(倭)由大地坐标系换算为地心地固坐标系时

14、，有x = (/? + /?) cos cos 2y = (n + h)cos(psir Az = n(l-e2) +Asin式中：n为椭球的卯酉曲率+径；e为椭球的第一偏心率。若椭球的长半径为a,短半径为b,则有e = n = 3 = (1-，sin2(p)iaco两种地球法标系的转换()由坐标换算成大J也坐标系时，有(/)= arctan tan B(1 +(/)= arctan tan B(1 +ae2 sinZ CDA = arctan J.R cos Bh =ncos。A = arctan J.R cos Bh =ncos。2R = (x2 +y2 + z2)2B = arctanz

15、Jx2+y2在上式中，需要根据精度选择迭代的次数，一般 需34次循环迭代INS系统捷联式惯导和平台式惯导INS系统捷联式惯导和平台式惯导兴京航士就天太孽根据中台实现年台式牧导我统捷寐式惯导系统平台式惯导系就核心：稳定平台惯性敏感元件与载体的角运动隔离，稳定平台不受载体 角运动的牟扰.姿态信息平台式惯导系统的框图为什么组合?增加系统功能单一导航系统很难满足各类载体较高的导航性能要求12.1为什么组合?组 合 导 航降低成本组合导航成为导航系统主要的发展方向捷寐式愤导京统关键：姿态矩阵的计算惯性元件与载体固连，结构简单，测量范围比较大，以 数字平台替代物理平台，本质上两类系统是相同的。捷联式惯导系

16、统的框图捷联式惯导系统襟，“数学平台”的功能：1 .姿态矩酢的计算,通过计算姿态矩阵微分方程,实 时求解出载体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵；2 .比力变按，把沿载体坐标系各轴上的加速度分量转 换到导航坐标系中：Transform8110n to the computational reference frame3 .姿态和方位的计算,根据方向余弦矩阵和姿态方位 的唯一关系，计算出载体的姿态和方位角。Three poaitoThrw wioc*covnpovottINS系统初始对准的必要性惯导系统在进入导航工作状态之前都需要建立初始基准，如控制平台旋转使 得平台坐标系与导航坐标系重合，这种建

17、立初始基准的过程称为惯导系统的初始 对准。捷联惯性*系统初始对准的目的是建立捷联矩阵的初始值.9.对准.（书P72）在惯导系统加电启动后，平台的三轴指向是任意的，没有确定的方 位.因此，在系统进入导航工作状态之前,必须将平台的指向准确估计 出来.这一确定平台坐标系相对于参考系的方位的过程称为惯导系统 的对准.沁什么是初始对准？ AnvO惯性导航系统在正式工作之前的准备工 作e使惯性导航系统所描述的坐标系与导航 坐标系相重合，使导航计算机正式工作 时有正确的初始条件，如给定初始速度, 初始位置等，这些工作统称为初始对准。令如给定初始速度为零捷联式惯导系统的初始对准547初做对淮的於要樵义值务为什

18、么需要进行初始对准平台式：控制平台跟踪导航坐标系非捷联式惯导系统的初始对准，就是在满足环境 条件和时间限制的情况下，以一定的精度给出 从机体坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵。自主式对准也分两步进行嚣在粗对准阶段，依靠重力加速度g矢量和地球自转 角速度3矢量的测量值，直接估算从机体坐标系到 导航坐标系的变换矩阵。H在精对准阶段，可通过处理惯性仪表的输出信息， 精校计算机计算的导航坐标系和真实导航坐标系之 间的小失调角，建立准确的初始变换矩阵。宇多田加速度计初始对准的任务是什么捷联式：建立姿态矩阵初始值34.5初岫对灌的要忒初始对准的要求对准精度对准时间对准精度与对准时间相互制约，不同场合侧重点不

19、同惯导系统的误差源47枚导东就的篌是徐惯导系统的误差模型4.2枚导鹿髭的覆岸馍型一巢态篌爰姿态计算：0二例=编一心 一%两边求全微分后得则有0，= 何:+ 现,- + 4 A。 + P其中 8P=e % 为等效陀螺漂移42枚导余就的篌是嫌型一住丑篌恚位置计算位置计算7?| cos L两边求全微分后得位置误差传播方程为=% sc。LtanL- V + ”外3=% sc。LtanL- V + ”外3-AA R cosL a, 3 Re fVn sin 2 A A IZ 1 A/ Vn A = -ALy+ 匕A/z-n2n p2IK -tv zV? = 匕其中，R、= R： + R2 = Rai +

20、42枚导东挑的篌爰模型一速盛篌是由比力方程得，载体的加速度是和比力一一对 应的，故可用比力误差求得速度误差。导航坐标系下的比力方程为力 =/ _（2说,+ 以）x 忆 + g两边求全微分后得速度误差传播方程为3V = fn x 0 + （2陶：,+ 5d“） x /-（2U + Ujx + 5g“，2枚导亲就的篌是覆逐一总体篌是INS总体误差状态的一阶微分表达式为文/ =A/X + G/WX/=S，我或 AA A2 M Ve Vn AKKx) W = Ve V Vu e “组合导航常用的融合方法组合导航常用的融合方法第5章 组合导航信息融合方法排京航T就天太等B E I H A N G UNI

21、VERSITY常用方法最优估计法采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估 计出系统误差并消除之。Integrated Navigation Solution5.3.1 卡尔曼滤波的产生和发展量测信息:天文观测装置Rudolf Kalman LMU 地面无线电测轨系统 当时拟采用的估计方法 递推加权最小二乘法维纳滤波” 1960年，卡尔曼访问NASA,提出卡尔曼滤波卡尔星滤波导果然他计卡东曼滤波是一种录优估计技术！估计误差录小的标准称为估计准则。卡东曼滤波是一种遹推线性景小方差估计。最小方差线性最小方差估计递推线性最小方差估计卡尔曼滤波方程一般形式的卡尔曼滤波方程(1)状态的一步预测方程：，=4上

22、-1 *七-| + -+ 乙一/心(2)均方误差的一步预测：2小一1 =,斤-1 * Pk-l * (4,1尸 +1 - 4-1；一1(3)述波增益方程(权重)： a-(4)滤波估计方程(K时刻的最优值)：=Xk/k-l + k-nk-l+ Hk Z Ck *一。缘-iI (5)滤波均方误差更新矩阵(K时刻的戢优均方误差)：&=/_4(2)离散卡尔曼滤波方程AA 状态一步预测方程Xklkr =0k,k-Xk7 状态估值计算方程Xk =Xklk-x + Kk(Zk-HkXklk- 滤波增益方程 -Kk = Phi H；(HkPkkM + Rk)- 一步预测均方差方程一 Pklk- = k,k-P

23、k-4k,k- + 般-1。-11 估计均方差方程 - Pk =(1 _他皿(1 *3 + KAK；或Pk=(I KkHQPkk、(2)离散卡尔曼滤波方程卡尔曼魂波方程(1)离散系统的数学描述设离散化后的系统状态方程和量测方程分别为:Xk为kk-1到k时Q为系统噪声矩阵：声ZHk为Vk为k时刻m维量测噪声(mXn 阶)卡尔曼滤波对噪声的要求, . 2.1组合导航基本概念提高整个系统的导航性能提高整个系统的导航性能名宗合两个或两个以上导航系统的信息）估计各个导航子系统的误差并进行校正实现多个导航子系统的优势互补y利用冗余信息增强系统可靠性满足各类载体高性能的导航需求协合超越1Arjcvttar一

24、, . 2.1组合导航基本概念充分利用各子系 统的导航信息，形 成单个子系统不具 备的功能和精暧综合利用各子系 统信息，取长补短, 扩大使用范围各子系统观测同 一信息源，使测量 冗余，提高整个系 统的可靠性组合导航的定义将惯性导航、无线电导航、天文导航或卫星导航等多种或两种系统组合在一起，形成的一种综合导航系统，称之为组合导航系统。卡尔曼滤波要求Wk和Vk是互不相关的零均值的 白噪声序列，有：E帆叩 =0MEkVj=Rk8kj Qk和Rk分别称为系统噪声和量测噪声的方差矩阵，在 卡尔曼滤波中要求它们分别是已知值的非负定阵和正 定阵；与j是Kronecker 3函数，即：、_/o (E)(D(d

25、)滤波增益方程 及选取的标准就是卡尔曼滤波的估计准则，也就是 使得匕均方误差阵最小：（e）估计均方误差方程Pk=Q-KkHQP1dl (/ - KkHj + KkRkK或Pk=m计算量小，但在计算机有舍入误差的条件下，不能始终保证算出 的Pk是对称的PredictionPredictionA priori infromationJNew measurementsCurnxtii】Predicted State VectorPredicted State VectorPredicted covariance matrixKalman gainG =/(-)； +凡1C orrcctcd stat

26、e estimate.%(+) = (-) + %仁-，L ) ( orrected covariance matrixInitialization%Initialization%新息的物理意义卡尔曼(Kalman)滤波(三)-新息台 etemity1118_ 2016-06-04 15:13:08 O 7770 * 的 5分类专栏：信号处理文章标筌：新息新息(Innovation):这是信号处理中的一个概念，先给出表达式：()=一加心)称a(n)为y(n)的新息过程向量；性质有：性质1： E45)y()=0(正交)，a()是不同于y()的新过程性质2： E()a()= 0, 尢a()是个白噪

27、声过程性质3:权,团()= (1),团()(对应关系)aS)保留有y()的所有信息(2)新JB过程卡尔曼老失生最初介的卡尔曼滤波器药是使用正交投膨定理采徒号的.后来Kailath又提出末S于新愚值程的？ff号方法.这里打真茂个都介绍一下.上面说到，当对系统视为时，会得到一俎观测值y(n),那好，我优苜失老今 一个估计的问哭，更具像的说是如何利用仅存的观测政亮东预测状毒x(n)的问及.日回归分析的内容我们可以知值，日观羽值y手随机变量x的性最小二黍估计(域性最小方差估计)可以表示为：x = Ex + Cov(xt y)D(y) 1 y - Ey这时，型叽交量x与其但计的差，直手或测值y正交(不相关)，我们麓称x的住计值为x在y的上投影，记为：x = projxy = projxy(l), y(2),. ,y(k)其几何意义表示妁下：好，用来更考一个向矍，时机变量x的具工但是我门最修本的，但并不能真正得到.如果我们诺交一下思路，用前n-1个观测值来预测当前n时刻的观测值，会推出什么样的结果.这里我们靠要国定义一个新的微念一新立, 它衰示当前爱测伯与其估计值的误差.可以表示为下面的方式：=