慣衛(wèi)組合導(dǎo)航原理與應(yīng)用(章紅平教授課件)

1、GNSS/INSGNSS/INS組合的需求與意義組合的需求與意義1.2 1.2 主要內(nèi)容和范圍主要內(nèi)容和范圍1.3 1.3 組合導(dǎo)航簡(jiǎn)介組合導(dǎo)航簡(jiǎn)介2 2內(nèi)意義：意義：導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是人類生活、航空航天的是人類生活、航空航天的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)！共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)！3 3GNSS/INS重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)4 4 JDAM JDAM低成本制導(dǎo)武器低成本制導(dǎo)武器彈道導(dǎo)彈彈道導(dǎo)彈遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈艦空導(dǎo)彈艦空導(dǎo)彈重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)5 5必要必要條件條件技術(shù)技術(shù)瓶頸瓶頸美無(wú)人偵察機(jī)美無(wú)人偵察機(jī)“全全球鷹球鷹”在執(zhí)行任務(wù)在執(zhí)

2、行任務(wù)偵察衛(wèi)星偵察衛(wèi)星機(jī)載高分辨率機(jī)載高分辨率SARSAR及其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)6 6重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)7 7 1 1、 為什么要學(xué)習(xí)組合導(dǎo)航為什么要學(xué)習(xí)組合導(dǎo)航8 8引導(dǎo)載體從出發(fā)點(diǎn)到達(dá)目的地的技術(shù)和方法引導(dǎo)載體從出發(fā)點(diǎn)到達(dá)目的地的技術(shù)和方法提供載體的導(dǎo)航參數(shù)，位置、速度和姿態(tài)提供載體的導(dǎo)航參數(shù)，位置、速度和姿態(tài)9 91010舵偏角舵偏角1111天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航航海、航天航海、航天慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航與慣性器件水平有關(guān)與慣性器件水平有關(guān)無(wú)線電導(dǎo)航無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航推算導(dǎo)航推算導(dǎo)航速度和

3、航向速度和航向地形、景象匹配導(dǎo)航地形、景象匹配導(dǎo)航物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航1212慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航基本原理基本原理1313VaP,慣性儀表分類慣性儀表分類1414液浮陀螺儀三浮陀螺儀撓性陀螺儀靜電陀螺儀激光陀螺儀光纖陀螺儀MEMS慣性器件MOEMS慣性器件半球諧振陀螺儀壓電陀螺儀1515美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室研制的MEMS陀螺儀精度以達(dá)1/h美國(guó)AD公司研制單片集成的微陀螺儀，年產(chǎn)量數(shù)百萬(wàn)只Honeywell公司分辨率50 g諧振式加速度計(jì)AD公司研制三軸單片集成的微加速度計(jì)1616光纖陀螺特點(diǎn)： 精度高 響應(yīng)速度快 動(dòng)態(tài)范圍大主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)包括: 新型高穩(wěn)定光纖光源技術(shù) 全數(shù)字信

4、號(hào)檢測(cè)技術(shù) 誤差機(jī)理及建模補(bǔ)償方法 光纖陀螺可靠性設(shè)計(jì)方法法國(guó)IXSEA公司研制的高精度光纖陀螺精度為0.001/h美國(guó)LITTON公司正在研制戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺精度達(dá)10-4 /h量級(jí)慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航誤差特性誤差特性1717慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航特點(diǎn)特點(diǎn)1818慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史1919202021212222無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)基本原理基本原理2323無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)2424衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)誤差特性誤差特性2525衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)特點(diǎn)2626天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航古老而又年輕的導(dǎo)航技術(shù)古老而又年輕的導(dǎo)航技術(shù) 天文導(dǎo)航是一

5、種利用光學(xué)敏感器測(cè)得的天天文導(dǎo)航是一種利用光學(xué)敏感器測(cè)得的天體（月球、地球、太陽(yáng)、其他行星和恒星）信息體（月球、地球、太陽(yáng)、其他行星和恒星）信息進(jìn)行載體位置計(jì)算的定位導(dǎo)航方法。進(jìn)行載體位置計(jì)算的定位導(dǎo)航方法。2727天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航基本原理基本原理獲得高精度的獲得高精度的天體高度天體高度和和確定天體投影點(diǎn)確定天體投影點(diǎn)是艦船天是艦船天文導(dǎo)航的關(guān)鍵。文導(dǎo)航的關(guān)鍵。28282929六分儀天文鐘3030推算導(dǎo)航推算導(dǎo)航基本原理基本原理3131Sv推算導(dǎo)航推算導(dǎo)航特點(diǎn)特點(diǎn)32323333 一、一、 組合導(dǎo)航技術(shù)組合導(dǎo)航技術(shù)3434組合導(dǎo) 二、二、 組合導(dǎo)航的基本方法組合導(dǎo)航的基本方法35353636

6、KF Z 三、三、 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能3737 為了提高對(duì)動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、坦克、車輛、艦船等）為了提高對(duì)動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、坦克、車輛、艦船等）的跟蹤精度或?qū)?dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)精度，需要多傳感器的組合導(dǎo)航。的跟蹤精度或?qū)?dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)精度，需要多傳感器的組合導(dǎo)航。 單一傳感器提供的信息很難滿足目標(biāo)跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度要求，采用多個(gè)單一傳感器提供的信息很難滿足目標(biāo)跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度要求，采用多個(gè)傳感器進(jìn)行組合導(dǎo)航，并將多類信息按某種最優(yōu)融合準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)融合，可傳感器進(jìn)行組合導(dǎo)航，并將多類信息按某種最優(yōu)融合準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)融合，可望提高目標(biāo)跟

7、蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度。望提高目標(biāo)跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度。 多傳感器組合導(dǎo)航（多星座衛(wèi)星組合、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合等）成為多傳感器組合導(dǎo)航（多星座衛(wèi)星組合、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合等）成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)背景背景 GPSGPS、GLONASSGLONASS、BDBD及及GALILEOGALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，本身都存在著固有的缺陷或人衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，本身都存在著固有的缺陷或人為施加的干擾，于是，使用單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著很大風(fēng)險(xiǎn)。為施加的干擾，于是，使用單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著很大風(fēng)險(xiǎn)。 GPSGPS系統(tǒng)受美國(guó)國(guó)家政策的影響，隨時(shí)可能出現(xiàn)人為系統(tǒng)

8、受美國(guó)國(guó)家政策的影響，隨時(shí)可能出現(xiàn)人為“故障故障”，使得非美國(guó)，使得非美國(guó)的盟國(guó)不能利用衛(wèi)星資源，或其衛(wèi)星信號(hào)中存在顯著的異常干擾。的盟國(guó)不能利用衛(wèi)星資源，或其衛(wèi)星信號(hào)中存在顯著的異常干擾。 GLONASSGLONASS系統(tǒng)，雖然尚無(wú)明確的信號(hào)干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特系統(tǒng)，雖然尚無(wú)明確的信號(hào)干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特殊時(shí)期的應(yīng)用難以保證，而且殊時(shí)期的應(yīng)用難以保證，而且GLONASSGLONASS衛(wèi)星的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)航精度也成問(wèn)衛(wèi)星的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)航精度也成問(wèn)題。題。5.2 5.2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航組合多星座衛(wèi)星導(dǎo)航組合5 5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 需求需求 由

9、于多星座提高了衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了由于多星座提高了衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了可用性（可用性（availabilityavailability）； GPS/GLONASS/COMPASS/GalileoGPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，衛(wèi)星覆蓋率將極大增強(qiáng)（星空璀全部建成后，衛(wèi)星覆蓋率將極大增強(qiáng)（星空璀璨璨100100顆衛(wèi)星以上），提高導(dǎo)航定位的連續(xù)性（顆衛(wèi)星以上），提高導(dǎo)航定位的連續(xù)性（continuitycontinuity）；）； 多衛(wèi)星信號(hào)組合可以很容易地探測(cè)和診斷某類衛(wèi)星信號(hào)的故障和隨機(jī)干擾，多衛(wèi)星信號(hào)組合可以很容易地探測(cè)和診斷某類衛(wèi)星信號(hào)的故障和

10、隨機(jī)干擾，并及時(shí)予以排除或及時(shí)給用戶發(fā)送預(yù)警信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，并及時(shí)予以排除或及時(shí)給用戶發(fā)送預(yù)警信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的從而提高系統(tǒng)的完好性完好性（integrityintegrity）；）； 多衛(wèi)星系統(tǒng)可提高相位模糊度搜索速度多衛(wèi)星系統(tǒng)可提高相位模糊度搜索速度。5 5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 衛(wèi)星組合導(dǎo)航的性能優(yōu)勢(shì)衛(wèi)星組合導(dǎo)航的性能優(yōu)勢(shì)5 5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 衛(wèi)星組合導(dǎo)航的誤差補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)衛(wèi)星組合導(dǎo)航的誤差補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差軌道系統(tǒng)誤差、衛(wèi)星鐘差、多路徑誤差軌道系統(tǒng)誤差、衛(wèi)星鐘差、多路徑誤差；隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差信號(hào)隨

11、機(jī)誤差、軌道隨機(jī)誤差、鐘差隨機(jī)誤差信號(hào)隨機(jī)誤差、軌道隨機(jī)誤差、鐘差隨機(jī)誤差;有色噪聲有色噪聲太陽(yáng)光壓、隨時(shí)間變化的鐘差太陽(yáng)光壓、隨時(shí)間變化的鐘差;異常誤差異常誤差周跳、變軌誤差周跳、變軌誤差。利用多種導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)有利于誤差補(bǔ)償提高導(dǎo)航定位的利用多種導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)有利于誤差補(bǔ)償提高導(dǎo)航定位的精度和可靠性精度和可靠性。 衛(wèi)星組合導(dǎo)航的缺點(diǎn)衛(wèi)星組合導(dǎo)航的缺點(diǎn)1 1）存在信號(hào)遮擋。當(dāng)接收機(jī)天線被建筑、隧道等遮擋時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)中斷，無(wú)法存在信號(hào)遮擋。當(dāng)接收機(jī)天線被建筑、隧道等遮擋時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)中斷，無(wú)法定位。定位。2 2）抗干擾能力差。當(dāng)存在人為干擾時(shí)，接收機(jī)碼環(huán)環(huán)路很容易失鎖，導(dǎo)致接收抗干擾能力差。當(dāng)存在人

12、為干擾時(shí)，接收機(jī)碼環(huán)環(huán)路很容易失鎖，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法定位。機(jī)無(wú)法定位。3 3）多類衛(wèi)星信號(hào)在同一載體上常形成互相干擾。多類衛(wèi)星信號(hào)在同一載體上常形成互相干擾。4 4）數(shù)據(jù)輸出頻率低。盡管目前一些新的數(shù)據(jù)輸出頻率低。盡管目前一些新的GPSGPS接收機(jī)可以提供接收機(jī)可以提供10 Hz10 Hz的無(wú)插值定位的無(wú)插值定位輸出，但大多數(shù)接收機(jī)的定位輸出頻率仍然為輸出，但大多數(shù)接收機(jī)的定位輸出頻率仍然為1 Hz1 Hz。5 5）GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO分別由各自研制國(guó)直接控制，使用權(quán)受制于人。分別由各自研制國(guó)直接控制，使用權(quán)受制于人。5 5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）

13、、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 盡管衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有較高精度和較低的成本，且具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。多類盡管衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有較高精度和較低的成本，且具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。多類導(dǎo)航衛(wèi)星組合仍然不能完全擺脫衛(wèi)星信號(hào)受遮擋而不能實(shí)施導(dǎo)航的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)航衛(wèi)星組合仍然不能完全擺脫衛(wèi)星信號(hào)受遮擋而不能實(shí)施導(dǎo)航的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)載體通過(guò)遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時(shí)，這種當(dāng)載體通過(guò)遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時(shí)，這種信號(hào)盲區(qū)信號(hào)盲區(qū)一般不能一般不能通過(guò)多類衛(wèi)星組合加以克服。通過(guò)多類衛(wèi)星組合加以克服。 INSINS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導(dǎo)航參數(shù)（位由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導(dǎo)航參數(shù)（位置、

14、速度、姿態(tài)）等優(yōu)點(diǎn)，是目前最主要的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。置、速度、姿態(tài)）等優(yōu)點(diǎn)，是目前最主要的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。INSINS有一個(gè)致命有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)：導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累。5.3 5.3 衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合 需求需求5 5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 可發(fā)現(xiàn)并標(biāo)校慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高可發(fā)現(xiàn)并標(biāo)校慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度導(dǎo)航精度。 彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的信號(hào)缺損問(wèn)題，提高彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的信號(hào)缺損問(wèn)題，提高導(dǎo)航能力導(dǎo)航能力。 提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號(hào)周跳的檢測(cè)能力，提提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號(hào)周跳的檢測(cè)

15、能力，提高組合高組合導(dǎo)航的可靠性導(dǎo)航的可靠性。 可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲能力，提高整體可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲能力，提高整體導(dǎo)航效率導(dǎo)航效率。 增加觀測(cè)冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測(cè)能力，提高系統(tǒng)的增加觀測(cè)冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測(cè)能力，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)功能容錯(cuò)功能。 提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高完好性完好性。6 6、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） GNSS GNSS與與INSINS組合導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)組合導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì) 松組合又稱級(jí)聯(lián)松組合又稱級(jí)聯(lián)KalmanKalman濾波濾波(Cascaded Kalman Filter)(Cascad

16、ed Kalman Filter)方式。方式。 觀測(cè)量觀測(cè)量INSINS和和GNSSGNSS輸出的速度和位置信息的差值；輸出的速度和位置信息的差值； 系統(tǒng)方程系統(tǒng)方程INSINS線性化的誤差方程；線性化的誤差方程； 通過(guò)擴(kuò)展通過(guò)擴(kuò)展KalmanKalman濾波（濾波（Extended Kalman Filter= EKFExtended Kalman Filter= EKF）對(duì)）對(duì)INSINS的速度、位置、的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)姿態(tài)以及傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)INSINS進(jìn)行輸出或者反饋進(jìn)行輸出或者反饋校正。校正。6 6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)

17、航組合方式、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式6.1 6.1 松散組合松散組合(Loosely-Coupled Integration)(Loosely-Coupled Integration) 松組合基本概念松組合基本概念 GNSSGNSS接收機(jī)通常通過(guò)自己的接收機(jī)通常通過(guò)自己的KalmanKalman濾波輸出其速度和位置，這種組合導(dǎo)濾波輸出其速度和位置，這種組合導(dǎo)致濾波器的串聯(lián)，使組合導(dǎo)航觀測(cè)噪聲時(shí)間相關(guān)（致濾波器的串聯(lián)，使組合導(dǎo)航觀測(cè)噪聲時(shí)間相關(guān)（有色噪聲有色噪聲），不滿足），不滿足EKFEKF觀測(cè)噪聲為白噪聲的基本要求，嚴(yán)重時(shí)可能使濾波器不穩(wěn)定。觀測(cè)噪聲為白噪聲的基本要求，嚴(yán)重時(shí)可能使濾波器不

18、穩(wěn)定。 幾乎無(wú)冗余信息，不利于異常診斷，不利于進(jìn)行隨機(jī)模型改化幾乎無(wú)冗余信息，不利于異常診斷，不利于進(jìn)行隨機(jī)模型改化 。 松組合的主要缺點(diǎn)松組合的主要缺點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以大幅度提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以大幅度提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，并使INSINS具具有動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)能力。有動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)能力。 松組合的主要優(yōu)點(diǎn)松組合的主要優(yōu)點(diǎn)6 6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)） 觀測(cè)量觀測(cè)量根據(jù)根據(jù)GNSSGNSS接收機(jī)收到的星歷信息和接收機(jī)收到的星歷信息和INSINS輸出的位置和速度信息，計(jì)算輸出的位置和速度信息，計(jì)算相應(yīng)于相應(yīng)于INSINS

19、位置的偽距和偽距率，位置的偽距和偽距率，GNSSGNSS接收機(jī)測(cè)量得到的偽距和偽距速率與接收機(jī)測(cè)量得到的偽距和偽距速率與INSINS計(jì)算值的差值。計(jì)算值的差值。 通過(guò)通過(guò)EKFEKF對(duì)對(duì)INSINS的誤差和的誤差和GPSGPS接收機(jī)的誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，然后對(duì)接收機(jī)的誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，然后對(duì)INSINS進(jìn)行輸出或進(jìn)行輸出或者反饋校正。者反饋校正。 由于不存在濾波器的級(jí)聯(lián)，并可對(duì)由于不存在濾波器的級(jí)聯(lián)，并可對(duì)GNSSGNSS接收機(jī)的測(cè)距誤差進(jìn)行建模，因此這種接收機(jī)的測(cè)距誤差進(jìn)行建模，因此這種偽距、偽距率組合偽距、偽距率組合方式比方式比位置、速度組合位置、速度組合具有更高的組合精度。而且在可見(jiàn)星具有

20、更高的組合精度。而且在可見(jiàn)星的個(gè)數(shù)少于的個(gè)數(shù)少于4 4顆時(shí)也可以使用。顆時(shí)也可以使用。6.2 6.2 緊組合（緊組合（Tightly-Coupled IntegrationTightly-Coupled Integration）6 6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）開(kāi)發(fā)了開(kāi)發(fā)了GNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POS）軟件，具備以下功）軟件，具備以下功能能RTK，動(dòng)態(tài)后處理精度達(dá)到了厘米級(jí)，動(dòng)態(tài)后處理精度達(dá)到了厘米級(jí)PPP，動(dòng)態(tài)后處理精度達(dá)到了厘米級(jí)，動(dòng)態(tài)后處理精度達(dá)到了厘米級(jí)松組合，松組合，GNSS位置位置/速度與速度與IMU數(shù)據(jù)組合數(shù)據(jù)

21、組合PPP緊組合，國(guó)內(nèi)僅有的精密定位緊組合算法緊組合，國(guó)內(nèi)僅有的精密定位緊組合算法軌跡、殘差顯示軌跡、殘差顯示GNSS/INSGNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POSPOS）軟件）軟件RTK數(shù)據(jù)處理界面數(shù)據(jù)處理界面PPP數(shù)據(jù)處理界面數(shù)據(jù)處理界面GNSS/INS松組合界面松組合界面GNSS PPP/INS緊組合界面緊組合界面POSPOS后處理軟件后處理軟件-GINS-GINS數(shù)據(jù)處理功能界面數(shù)據(jù)處理功能界面3.453.463.473.483.493.53.513.52x 105-0.3-0.2-0.100.10.20.3Time (s)Positioning Accuracy

22、(m)Dynamic PPP Positioning Acuracy distribution Airborne Test dE(meter)dN(meter)dU(meter)RMS(dE)=0.045m RMS(dN)=0.014m RMS(dU)=0.086mStd(dE) =0.012m RMS(dN)=0.013m RMS(dU)=0.085mGINSGINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果數(shù)據(jù)后處理結(jié)果機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)，與機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)，與Inertial Explorer軟件后處理軟件后處理RTK結(jié)果比較結(jié)果比較PPP精密定位結(jié)果達(dá)到了厘米級(jí)精密定位結(jié)果達(dá)到了厘米級(jí)GINSGINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果數(shù)據(jù)后處

23、理結(jié)果05001000150020002500300035004000-0.5-0.2500.250.50.751Position Accuracy(m)GPS-PPP(land) dNdEdU05001000150020002500300035004000-0.5-0.2500.250.50.751GPS PPP/INS Tightly coupled(land)time(sec) Position Accuracy (m)dNdEdURMS(dN)=0.052m RMS(dE)=0.079m RMS(dU)=0.103mRMS(dN)=0.049m RMS(dE)=0.079m RMS(d

24、U)=0.267mGINSGINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果數(shù)據(jù)后處理結(jié)果上圖車載上圖車載GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量 PPP結(jié)果，下圖為結(jié)果，下圖為GPS/INS緊組合緊組合PPP結(jié)果，結(jié)果，GPS/INS緊組合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。緊組合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。GPS/BDS/GLONASS多系統(tǒng)多系統(tǒng)GNSS/INS緊組合（偽距緊組合（偽距/多普勒）定位結(jié)果（與多普勒）定位結(jié)果（與RTK結(jié)果差異）結(jié)果差異）GINSGINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果數(shù)據(jù)后處理結(jié)果GINSGINS在高鐵不平順性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用在高鐵不平順性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用020406080100120140160-4-2024Tr

25、ack Mileage m h mm GNSS/INSAmberg GRP1000GINS軟件分析的高鐵軌道檢測(cè)結(jié)果，軟件分析的高鐵軌道檢測(cè)結(jié)果，與現(xiàn)行方法與現(xiàn)行方法德國(guó)德國(guó)Amberg GRP1000測(cè)量結(jié)果對(duì)比測(cè)量結(jié)果對(duì)比，精度在，精度在1mm以內(nèi)，一致以內(nèi)，一致性非常好。性非常好。GINSGINS在高鐵不平順性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用在高鐵不平順性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 深組合是使用慣性導(dǎo)航信息對(duì)深組合是使用慣性導(dǎo)航信息對(duì)GNSSGNSS接收機(jī)進(jìn)行輔助導(dǎo)航的組合方式。接收機(jī)進(jìn)行輔助導(dǎo)航的組合方式。 主要思想：主要思想：既使用濾波技術(shù)對(duì)既使用濾波技術(shù)對(duì)INSINS的誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，同時(shí)使用校正后的誤差進(jìn)行最優(yōu)

26、估計(jì)，同時(shí)使用校正后的的INSINS速度信息對(duì)接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助跟蹤，從而減小環(huán)路的速度信息對(duì)接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助跟蹤，從而減小環(huán)路的等效帶寬，增加等效帶寬，增加GPSGPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)或強(qiáng)干擾環(huán)境下的跟蹤能力。接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)或強(qiáng)干擾環(huán)境下的跟蹤能力。 嵌入式組合將嵌入式組合將INSINS和和GNSSGNSS進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)共用電源、時(shí)鐘等進(jìn)一步進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)共用電源、時(shí)鐘等進(jìn)一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。6.3 6.3 深組合（深組合（Deeply-Coupled IntegrationDeeply-Co

27、upled Integration）6 6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）57GNSS/INSGNSS/INS組合導(dǎo)航種類組合導(dǎo)航種類慣導(dǎo)輔助衛(wèi)導(dǎo)慣導(dǎo)輔助衛(wèi)導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輔助慣導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輔助慣導(dǎo)GNSSINS組合組合動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后易受環(huán)境影響提供時(shí)間信息長(zhǎng)期精度高全自主工作動(dòng)態(tài)特性好無(wú)時(shí)間信息誤差易發(fā)散58根據(jù)信息融合深度不同，GNSS和INS組合方式分為：松組合、緊組合和深組合。GNSS/INSGNSS/INS組合導(dǎo)航種類組合導(dǎo)航種類59GNSS/INSGNSS/INS組合導(dǎo)航種類組合導(dǎo)航種類60深組合類型深組合類型根據(jù)接收機(jī)的跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)，GNSS/INS深組合可分為：

28、標(biāo)量深組合結(jié)構(gòu)、矢量深組合結(jié)構(gòu)。61目前商用和民用GNSS接收機(jī)產(chǎn)品普遍采用傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)，所以標(biāo)量深組合結(jié)構(gòu)的研究和實(shí)現(xiàn)更具可操作性。深組合類型深組合類型GNSS/INS 標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證62測(cè)試內(nèi)容及條件測(cè)試內(nèi)容及條件GNSS/INS 標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證63IMUIMU零偏類誤差模型驗(yàn)證零偏類誤差模型驗(yàn)證以IMU零偏類誤差、輔助延遲為例仿真場(chǎng)景定量分析：載噪比50dB-Hz，OCXO，20ms相干積分，環(huán)路帶寬10Hz、2Hz。對(duì)比普通二階環(huán)、低精度慣導(dǎo)輔助PLL、中等精度慣導(dǎo)

29、輔助PLL。采用統(tǒng)計(jì)平均方法分析：跟蹤誤差結(jié)果以秒為單位拆分為若干個(gè)樣本，每個(gè)樣本有50個(gè)數(shù)據(jù)，將所有樣本對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)取RMS測(cè)試結(jié)果與誤差模型分析結(jié)果對(duì)比均表明，實(shí)際仿真測(cè)試結(jié)果得到的IMU零偏類誤差對(duì)環(huán)路誤差的影響規(guī)律與誤差模型分析結(jié)果相吻合GNSS/INS 標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證64IMUIMU零偏類誤差模型驗(yàn)證零偏類誤差模型驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果相對(duì)偏小的原因：v誤差建模時(shí)傳感器誤差1:1的映射到輔助信息；實(shí)際測(cè)試時(shí)傳感器誤差根據(jù)衛(wèi)星仰角按一定比例投影到多普勒輔助信息上v誤差建模時(shí)，初始速度誤差參數(shù)采用了的是整秒修正后的速度誤差；接收機(jī)工作時(shí)，實(shí)際影響環(huán)路誤差的是整秒時(shí)刻速度修正量。兩者的大小關(guān)系與測(cè)試結(jié)果相吻合v仿真測(cè)試選用的慣導(dǎo)參數(shù)與理論分析時(shí)也不盡不同GNSS/INS 標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)量深組合跟蹤技術(shù)研究與原型系統(tǒng)驗(yàn)證65多普勒延遲模型驗(yàn)證多普勒延遲模型驗(yàn)證較低動(dòng)態(tài)（較低動(dòng)態(tài)（0.5g）較高動(dòng)態(tài)（較高動(dòng)態(tài)（2.5g）結(jié)果與模型相符。中