信息融合技術(shù)在組合導(dǎo)航中的應(yīng)用

信息融合技術(shù)在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

2015.6.16主要內(nèi)容一、組合導(dǎo)航概述二、GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)三、信息融合四、信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用1組合導(dǎo)航概述（1）背景（續(xù)）幾種常用導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：完全自主、運(yùn)動參數(shù)完備、抗干擾性強(qiáng)缺點(diǎn)：誤差積累、成本較高優(yōu)點(diǎn)：全天候、高精度、誤差不積累缺點(diǎn)：缺少姿態(tài)信息、易被干擾優(yōu)點(diǎn)：自主、精度高、誤差不積累缺點(diǎn)：輸出信息不連續(xù)、受氣候條件影響大天文導(dǎo)航系統(tǒng)

1組合導(dǎo)航概述（2）組合導(dǎo)航概念兩種或兩種以上的導(dǎo)航技術(shù)的組合，組合后的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)克服了單一導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性，充分發(fā)揮了各自導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)特性，能夠利用多種信息源，構(gòu)成一種有冗余度和導(dǎo)航準(zhǔn)確度更高的多功能系統(tǒng)。

1組合導(dǎo)航概述組合導(dǎo)航系統(tǒng)的類型主要有：（2）組合導(dǎo)航概念（續(xù)）慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣性/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣性/天文導(dǎo)航系統(tǒng)1組合導(dǎo)航概述（2）組合導(dǎo)航概念（續(xù)）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

信息融合優(yōu)勢：綜合慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)改善了系統(tǒng)精度加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力1組合導(dǎo)航概述（2）組合導(dǎo)航概念（續(xù)）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

信息融合優(yōu)勢：降低速度誤差提高慣性平臺姿態(tài)精度抑制位置誤差增大1組合導(dǎo)航概述天文導(dǎo)航系統(tǒng)

（2）組合導(dǎo)航概念（續(xù)）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

信息融合優(yōu)勢：完全自主、實(shí)時性強(qiáng)運(yùn)動參數(shù)完備姿態(tài)誤差不隨時間發(fā)散主要內(nèi)容一、組合導(dǎo)航概述二、GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)三、信息融合四、信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短。用GPS的高精度定位信息通過組合濾波器來標(biāo)定和補(bǔ)償慣導(dǎo)系統(tǒng)的積累誤差，提高導(dǎo)航精度。同時，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度和加速度信息對GPS進(jìn)行速度輔助，以提高GPS的抗干擾能力以及動態(tài)性能。即使在GPS出現(xiàn)故障時，慣性系統(tǒng)仍能獨(dú)立工作并提供高精度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。GPS／INS是一個最佳組合方案，其性能、成本和體積均能滿足各種運(yùn)載器的導(dǎo)航技術(shù)要求。2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)（1）GPS/INS組合系統(tǒng)構(gòu)成2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)（2）GPS/INS組合方式2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)（3）GPS/INS組合方式優(yōu)缺點(diǎn)2GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)（4）GPS/INS組合導(dǎo)航的特點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)并標(biāo)校慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度；彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的信號缺損問題，提高導(dǎo)航能力；提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提高組合導(dǎo)航的可靠性；可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對衛(wèi)星信號的捕獲能力，提高整體導(dǎo)航效率；增加觀測冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測能力，提高系統(tǒng)的容錯功能；提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高完好性。主要內(nèi)容一、組合導(dǎo)航概述二、GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)三、信息融合四、信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用3信息融合（1）信息融合技術(shù)概念導(dǎo)航系統(tǒng)：單一導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信息處理方法：單一系統(tǒng)信息處理發(fā)展信息融合信息融合又可稱作多傳感器融合，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動分析、綜合以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。3信息融合（2）信息融合原理信息融合原理的實(shí)質(zhì)就是模仿人腦綜合處理復(fù)雜問題的過程。信息融合要充分利用信息資源，經(jīng)由對通過傳感器得來的及其他已經(jīng)掌握的信息合理使用和支配，對空間或時間上冗余或互補(bǔ)的信息，依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述。信息融合技術(shù)的基本目標(biāo)是利用多傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢，推導(dǎo)出更多的信息，提高多傳感器系統(tǒng)的功效。3信息融合多傳感器信息融合的關(guān)鍵是所處理的多傳感器信息具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層次，并且能在不同的信息層次上出現(xiàn)，如數(shù)據(jù)層、特征層、決策層等。數(shù)據(jù)層融合結(jié)構(gòu)3信息融合特征層融合結(jié)構(gòu)決策級融合結(jié)構(gòu)3信息融合（3）信息融合方法目前，國內(nèi)外的信息融合方法主要有下面幾種：

加權(quán)平均信息融合方法

貝葉斯估計(jì)信息融合方法

D-S證據(jù)理論

模糊邏輯法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

Kalman濾波信息融合方法專家系統(tǒng)方法主要內(nèi)容一、組合導(dǎo)航概述二、GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)三、信息融合四、信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

4信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用背景

針對組合導(dǎo)航系統(tǒng)量測信息量多，數(shù)據(jù)處理困難這一特定問題，討論了多傳感器信息融合的基本原理和方法，將信息融合這一理論性概念，與組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綁定起來，從而建立一種系統(tǒng)化的思想，并對目前最有發(fā)展前途的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了分析、建模和仿真。

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（2）基于信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)

對于組合導(dǎo)航系統(tǒng)而言，多源傳感器如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀和加速度計(jì)、GPS接收機(jī)等是信息融合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，它們獲得的原始量測數(shù)據(jù)是融合的對象,將其按照一定的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行融合處理，則具有最優(yōu)估計(jì)的融合算法就是整個系統(tǒng)的核心。這樣就形成了基于信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（3）多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)

信息融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有兩部分:1)信息的轉(zhuǎn)換；2)信息的融合。信息融合結(jié)構(gòu)如下圖所示：

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（3）多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)（續(xù)）

就組合導(dǎo)航系統(tǒng)而言，各子系統(tǒng)所量測的信息在種類和形式上都有所不同，可能有距離、速度，也可能有角度、加速度等。融合系統(tǒng)首先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即通過坐標(biāo)變換和單位換算，把各傳感器輸入的數(shù)據(jù)變換成統(tǒng)一的表達(dá)形式，然后將各量測系統(tǒng)所獲得信息的分析結(jié)果按一定的算法進(jìn)行融合，得到最終的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)。

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（4）幾種融合方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較貝葉斯估計(jì)：每一個命題都要有一個先驗(yàn)概率Dempster-Shafer證據(jù)理論：只支持當(dāng)前信息有效的命題，這樣可以避免概率的不穩(wěn)定性，但D-S理論積累單獨(dú)的信息源，造成事件合并后，時間權(quán)重和信任度之間的不合理關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：它需要較大的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，使其在一些未知環(huán)境中的應(yīng)用受到限制。

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（4）幾種融合方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較（續(xù)）卡爾曼濾波：已逐漸成為多傳感器信息融合系統(tǒng)的主要技術(shù)手段。基于聯(lián)合卡爾曼濾波的信息融合算法用于實(shí)時地估計(jì)系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，然后依據(jù)最小均方誤差估計(jì)的控制規(guī)律，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行反饋修正，從而提高整個系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

（5）算法描述與結(jié)果

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程和觀測方程分別為：GPS和INS兩個子系統(tǒng)所對應(yīng)的局部濾波器獨(dú)立地進(jìn)行時間更新和量測更新，它們采用的是常規(guī)集中式卡爾曼濾波，得到局部最優(yōu)估計(jì)。

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（5）算法描述與結(jié)果（續(xù)）

作為信息融合中心的全局濾波器在完成時間更新的同時，將各個全局濾波器的結(jié)果進(jìn)行融合，并將融合后的結(jié)果按信息守恒原則反饋到各局部濾波器，作為下一濾波周期的初始值。

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信息融合技術(shù)在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用（3）激光斷面測量