組合導航與融合導航解析課件

1組合導航與融合導航1組合導航與融合導航21、概述組合導航——同一平臺、多傳感器實施互補、互驗、互校的導航系統。特點：各傳感器獨立輸出導航信息。融合導航——同一平臺、多傳感器實施信息融合的導航系統。特點：多傳感器、統一輸出導航信息。組合導航一般強調硬件的最佳組合；融合導航一般強調多傳感器數據融合算法；融合導航與組合導航既有聯系又有區別，融合導航首先基于組合導航。1.1概念21、概述組合導航——同一平臺、多傳感器實施互補、互驗、互校31、概述（續）重磁導航（重力導航、磁力導航）現有導航系統全球衛星導航定位系統（GPS、GLONASS、GALILEO、BD）慣性導航（包括慣性導航INS、航位推算導航DR）天文導航系統（CNS）匹配導航（地形匹配導航、影像匹配導航）1.2分類31、概述（續）重磁導航（重力導航、磁力導航）現有導航系統全42.1衛星導航的發展2、衛星導航的發展即存在的問題衛星定位系統是一種天基無線電導航系統。它能夠在全球范圍，為多個用戶，全天候、實時、連續地提供高精度三維位置、速度及時間信息。美國：GPS；俄羅斯：GLONASS；目前己經投入運營或正在建設的幾個主要的衛星導航系統有：歐空局：GALILEO；中國：COMPASS。42.1衛星導航的發展2、衛星導航的發展即存在的問題衛星定5結論：GPS不能保證安全、連續、精確、可靠導航美國2000年之后每年都將審議一次SA政策；美國軍方聲稱隨時都有可能改變GPS政策；GPS的系統信號在高緯度地區經常出現盲區；美國國防部曾強調，限制敵人在戰時利用GPS。1）美國GPS可能存在問題2.2衛星導航存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題5結論：GPS不能保證安全、連續、精確、可靠導航美國20006與GPS相比，GLONASS因運行時間短，用戶尚少，目前還不具備象GPS增強系統和IGS網絡長期不間斷的觀測信息支持。GPS接收機市場十分活躍，產品不斷翻新，而GLONASS目前還未達到這一水平，且GLONASS接收機供應嚴重不足。此外，因為沒有GLONASS衛星的精確軌道源數據，故無法測定精度。與GPS相比這是GLONASS的個一主要缺陷。2）GLONASS存在的主要問題2.2衛星導航存在的問題（續）2、衛星導航的發展即存在的問題6與GPS相比，GLONASS因運行時間短，用戶尚少，目前還7“伽利略計劃”是由歐盟委員會和歐洲空間局共同發起并組織實施的歐洲民用衛星導航計劃，它受多個國家政策和利益的制約，政策具有搖擺性。由于歐盟受美國的影響極大，“伽利略計劃”本身的獨立性值得懷疑；GALILEO計劃目前已經延后，考慮到目前的金融危機，未來的GALILEO如何發展現在還看不清楚。2.2衛星導航存在的問題（續）3）GALILEO存在的主要問題2、衛星導航的發展即存在的問題7“伽利略計劃”是由歐盟委員會和歐洲空間局共同發起并組織實施8北斗一代系統由三顆地球同步衛星、一個地面控制中心及各類用戶接收機組成。“北斗一號”覆蓋范圍小，服務區由東經70度至東經145度，北緯5度到北緯55度，覆蓋我國和周邊地區。“北斗一號”采用雙星定位技術，只能為終端用戶提供經度和緯度，無法為用戶提供所在高度的數據，因此需要預先存儲需定位目標的地面高程信息，并通過與地面中心站的聯系才能推算高度。3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2.2衛星導航存在的問題（續）2、衛星導航的發展即存在的問題8北斗一代系統由三顆地球同步衛星、一個地面控制中心及各類用戶9由于地面高程精度不高，且衛星數量少，無冗余信息，定位精度和可靠性不高。用戶必須向地面中心站申請定位，才能獲得定位信息，于是用戶的隱蔽性成問題。由于地面中心站是北斗一代的核心，地面中心站一旦遭攻擊，整個衛星系統將陷入癱瘓。北斗一號用戶受限，用戶過多會造成信道擁擠；信號需雙向傳送，很難滿足高動態定位要求；3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題9由于地面高程精度不高，且衛星數量少，無冗余信息，定位精度和10接收機生產廠家生產的接收機也必須入網注冊，否則無法定位；接收機必須經過特許部門的測試才有市場準入；接收機市場競爭局面很難打開；接收機電磁待機時間短，很難用于長時間野外導航定位與通訊；BD跟蹤站只限在境內，于是軌道精度也受限。3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題10接收機生產廠家生產的接收機也必須入網注冊，否則無法定位；112.3北斗二代展望“北斗一號”衛星的壽命即將到限，發展新一代北斗衛星勢在必行。二代COMPASS，可望實現全球導航定位。必須解決防欺騙、防干擾、兼容性、互操作、降低發射功率等問題；需解決全球跟蹤問題。2、衛星導航的發展即存在的問題112.3北斗二代展望“北斗一號”衛星的壽命即將到限，發展12與外界不發生任何光、電和磁聯系——隱蔽性好；工作不受氣象條件的限制——可用性強；完全依靠運動載體設備自主完成導航任務——自主性好；能夠提供比較齊全的導航參數——參數齊全；目前已廣泛應用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機、戰略導彈和戰術導彈、戰車和人造衛星等領域——應用面廣。3.1慣性導航的優點3、慣性導航特點12與外界不發生任何光、電和磁聯系——隱蔽性好；3.1慣性13系統精度主要取決于慣性測量元件，導航參數的誤差隨時間而積累，不適宜長時間導航。一般慣導系統的加熱和初始對準所需時間較長，很難滿足遠距離、高精度導航和其它特定條件下的快速反應要求。3.2慣性導航的缺點位置誤差速度誤差3、慣性導航（續）13系統精度主要取決于慣性測量元件，導航參數的誤差隨時間而積144、天文導航根據天體來測定飛行器位置和航向的導航技術。即以天體為參考點，確定飛行器在空中的真航向。天體的坐標位置和它的運動規律是已知的，測量天體相對于飛行器參考基準面的高度角和方位角就可以計算出飛行器的位置和航向。星體跟蹤器望遠鏡對準天體方向可以測出飛行器前進方向（縱軸）與天體方向（即望遠鏡軸線方向）之間的夾角（稱為航向角）。天體任一瞬間相對于子午線的夾角（即天體方位角）已知，天體方位角減去航向角即得飛行器的真航向。4.1天文導航的基本概念與原理144、天文導航根據天體來測定飛行器位置和航向的導航技術。即15天文導航系統是自主式系統，不需要地面設備；不受人工或自然形成的電磁場的干擾；不向外輻射電磁波，隱蔽性好；定向、定位精度高，定位誤差不隨時間累積。因而天文導航得到廣泛應用，并將在未來的深空探測中發揮更加廣泛的作用。4.2天文導航的優點4、天文導航（續）15天文導航系統是自主式系統，不需要地面設備；4.2天文16

脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，如恒星星表一樣構成一種高精度慣性參考系；脈沖星按一定頻率發射穩定的脈沖信號，其長期穩定度好于最穩定的銫原子鐘。脈沖星可以提供絕好的空間參考基準和時間基準，所以脈沖星是空間飛行器的極好的天然導航信標。4、天文導航（續）4.3脈沖星導航16脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，如恒星星174.4脈沖星導航優勢

提供良好的時間頻率源：可用于監測原子鐘的長期穩定度。長期觀測多顆脈沖星可以建立綜合脈沖星時，并應用于導航系統，實現系統時間的維持。在航天器運行期間，也可用于修正搭載原子鐘鐘面時，減少地面監測站信息注入次數。

擴大導航定位覆蓋范圍：X射線脈沖星導航可以精確自主地為飛行器提供位置、姿態和自然時間源。可用于空間攻防戰，極大增強我國的太空防御能力。4、天文導航（續）174.4脈沖星導航優勢提供良好的時間頻率源：可用于監測18

有效提高自主導航能力：X射線脈沖星導航在脈沖星參數確定后，在較長時間內，可完全實現自主導航。大大減輕地面測控系統的工作負擔，減少測控站的布設數量，降低航天器的運行管理和維持費用。

作為現有衛星導航系統的備份：當人造衛星導航系統受到人為干擾或破壞，以至不能進行導航服務時，單獨利用X射線脈沖星導航，可起到有效的備份作用。4、天文導航（續）18有效提高自主導航能力：X射線脈沖星導航在脈沖星參數確定19

提高抗干擾性：X射線脈沖星作為自然的天體，其運行特性不會受到人為的破壞與干擾；X射線穿透性好，被污染物破壞的風險低；X波段特征顯著，可以避免空間各種信號的干擾；X射線探測器的穩健性強，不需要任何光學儀器和特別的制冷設備；可以由一個單一的儀器自主完成時間、姿態及位置的測量。4、天文導航（續）19提高抗干擾性：X射線脈沖星作為自然的天體，其運行特性不20為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛、艦船等）的跟蹤精度或對動態系統的狀態估計精度，需要多傳感器的組合導航。單一傳感器提供的信息很難滿足目標跟蹤或狀態估計的精度要求，采用多個傳感器進行組合導航，并將多類信息按某種最優融合準則進行最優融合，可望提高目標跟蹤或狀態估計的精度。多傳感器組合導航（多星座衛星組合、衛星導航與慣性導航的組合等）成為導航系統的發展趨勢。5、組合導航系統5.1背景20為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛21GPS、GLONASS、BD及GALILEO衛星導航系統，本身都存在著固有的缺陷或人為施加的干擾，于是，使用單一的衛星導航系統存在著很大風險。GPS系統受美國國家政策的影響，隨時可能出現人為“故障”，使得非美國的盟國不能利用衛星資源，或其衛星信號中存在顯著的異常干擾。GLONASS系統，雖然尚無明確的信號干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特殊時期的應用難以保證，而且GLONASS衛星的穩定性較差，導航精度也成問題。5.2多星座衛星導航組合5、組合導航系統（續）

需求21GPS、GLONASS、BD及GALILEO衛星導航系統22由于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了可用性（availability）；GPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，衛星覆蓋率將極大增強（星空璀璨——100顆衛星以上），提高導航定位的連續性（continuity）；多衛星信號組合可以很容易地探測和診斷某類衛星信號的故障和隨機干擾，并及時予以排除或及時給用戶發送預警信息，提高導航系統的抗干擾能力，從而提高系統的完好性（integrity）；多衛星系統可提高相位模糊度搜索速度…。5、組合導航系統（續）

衛星組合導航的性能優勢22由于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了可用性（ava235、組合導航系統（續）

衛星組合導航的誤差補償優勢系統誤差——軌道系統誤差、衛星鐘差、多路徑誤差…；隨機誤差——信號隨機誤差、軌道隨機誤差、鐘差隨機誤差…;有色噪聲——太陽光壓、隨時間變化的鐘差…;異常誤差——周跳、變軌誤差…。利用多種導航衛星信號有利于誤差補償提高導航定位的精度和可靠性。235、組合導航系統（續）衛星組合導航的誤差補償優勢系統誤24

衛星組合導航的缺點1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑、隧道等遮擋時，衛星信號中斷，無法定位。2）抗干擾能力差。當存在人為干擾時，接收機碼環環路很容易失鎖，導致接收機無法定位。3）多類衛星信號在同一載體上常形成互相干擾。4）數據輸出頻率低。盡管目前一些新的GPS接收機可以提供10Hz的無插值定位輸出，但大多數接收機的定位輸出頻率仍然為1Hz。5）GPS、GLONASS、GALILEO分別由各自研制國直接控制，使用權受制于人。5、組合導航系統（續）24衛星組合導航的缺點1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑25盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定性。多類導航衛星組合仍然不能完全擺脫衛星信號受遮擋而不能實施導航的風險。當載體通過遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時，這種信號盲區一般不能通過多類衛星組合加以克服。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導航參數（位置、速度、姿態）等優點，是目前最主要的導航系統之一。INS有一個致命的缺點：導航定位誤差隨時間積累。5.3衛星導航與慣性導航的組合

需求5、組合導航系統（續）25盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定26可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度。彌補衛星導航的信號缺損問題，提高導航能力。提高衛星導航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提高組合導航的可靠性。可以提高衛星導航接收機對衛星信號的捕獲能力，提高整體導航效率。增加觀測冗余度，提高異常誤差的監測能力，提高系統的容錯功能。提高導航系統的抗干擾能力，提高完好性。6、組合導航系統（續）GNSS與INS組合導航的優勢26可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度。6、組合導航系統27松組合又稱級聯Kalman濾波(CascadedKalmanFilter)方式。觀測量——INS和GNSS輸出的速度和位置信息的差值；系統方程——INS線性化的誤差方程；通過擴展Kalman濾波（ExtendedKalmanFilter=EKF）對INS的速度、位置、姿態以及傳感器誤差進行最優估計，并根據估計結果對INS進行輸出或者反饋校正。6、衛星導航與慣性導航組合方式6.1松散組合(Loosely-CoupledIntegration)

松組合基本概念27松組合又稱級聯Kalman濾波(CascadedKal28GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和位置，這種組合導致濾波器的串聯，使組合導航觀測噪聲時間相關（有色噪聲），不滿足EKF觀測噪聲為白噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不穩定。幾乎無冗余信息，不利于異常診斷，不利于進行隨機模型改化…。

松組合的主要缺點系統結構簡單，易于實現，可以大幅度提高系統的導航精度，并使INS具有動基座對準能力。

松組合的主要優點6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）28GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和29觀測量——根據GNSS接收機收到的星歷信息和INS輸出的位置和速度信息，計算相應于INS位置的偽距和偽距率，GNSS接收機測量得到的偽距和偽距速率與INS計算值的差值。通過EKF對INS的誤差和GPS接收機的誤差進行最優估計，然后對INS進行輸出或者反饋校正。由于不存在濾波器的級聯，并可對GNSS接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度。而且在可見星的個數少于4顆時也可以使用。6.2緊組合（Tightly-CoupledIntegration）6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）29觀測量——根據GNSS接收機收到的星歷信息和INS輸出的30深組合是使用慣性導航信息對GNSS接收機進行輔助導航的組合方式。主要思想：既使用濾波技術對INS的誤差進行最優估計，同時使用校正后的INS速度信息對接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，從而減小環路的等效帶寬，增加GPS接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。嵌入式組合將INS和GNSS進行一體化設計，通過共用電源、時鐘等進一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。6.3深組合（Deeply-CoupledIntegration）6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）30深組合是使用慣性導航信息對GNSS接收機進行輔助導航的組31

思路各傳感器觀測信息分別與動力學模型進行濾波解算，得到分濾波結果；各分濾波器結果與主濾波器進行融合；采用聯邦濾波原理（FederatedKlamnfilter）7、融合導航算法進展7.1聯邦濾波算法31思路各傳感器觀測信息分別與動力學模型進行濾波解算，得到32

聯邦濾波算法示意圖···參考系統局部傳感器r局部濾波器rLr主濾波器

時間傳遞狀態轉移融合更新L1局部傳感器1局部濾波器1局部傳感器2局部濾波器2L2

原理7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)32聯邦濾波算法示意圖···參考系統局部傳感器r局部濾波器33聯邦濾波存在的問題1.主要問題是LF/LF及LF/MF之間的相關性問題

2.局部傳感器和主傳感器使用了相同狀態方程

精度差次優可靠性差某一傳感器故障原理成立前提？7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)33聯1.主要問題是LF/LF及LF/MF之間的相關性問題347、融合導航算法進展（續）聯邦濾波算法不是最優算法，且穩定性無法得到保障（吳德平等，申功勛，2001）。聯邦濾波要求局部傳感器采用Kalman濾波處理，且局部系統采用相同的轉移矩陣和系統噪聲矩陣，實際上許多導航儀內部處理模塊并非采用Kalman濾波器。聯邦濾波在融合處理時往往對局部系統噪聲矩陣進行統一放大，對高精度、高可靠性的傳感器造成效率損失，而對低精度傳感器的誤差又得不到應有控制。

特點7.1聯邦濾波算法(續)347、融合導航算法進展（續）聯邦濾波算法不是最優算法，且穩35各局部傳感器的濾波采用了相同的或相近的狀態方程，導致主濾波器與各局部濾波器輸出量之間以及各局部濾波器輸出量之間不獨立，其解不具有嚴格性和最優性。如果狀態方程出現擾動誤差，將影響每個濾波器的性能，最終影響整體濾波效果，從而導致導航解的可靠性差。

特點（續）7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)35各局部傳感器的濾波采用了相同的或相近的狀態方程，導致主濾36

解決相關性問題的現有途徑忽略相關性？——動力學模型導致的相關性，本質上是動態載體擾動對所有傳感器濾波結果影響的相關性，忽略這種相關性，有時會帶來災難性的導航結果。各傳感器采用不同的狀態方程？——但同一動態載體一般很難建立多個獨立的動力學模型。相關數據融合濾波？——數據處理相當復雜。改變采樣間隔——又會產生同步問題。7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)36解決相關性問題的現有途徑忽略相關性？——動力學模型導致377.2動、靜態濾波算法（楊--武大學報2003）7、融合導航算法進展（續）

思路選擇一個精度較高的傳感器與動力學模型進行動態濾波解算，得到動態濾波結果；其他傳感器觀測信息與動態濾波結果進行融合；分別采用Kalman濾波原理和序貫平差原理。377.2動、靜態濾波算法（楊--武大學報2003）7、融38動態濾波：

，靜態濾波：，靜態濾波：，傳感器2：

，傳感器3：，傳感器：，

狀態向量估值動、靜濾波算法示意圖7、融合導航算法進展（續）

原理7.2動、靜態濾波算法（續）38動態濾波：，靜態濾波：，靜態濾波：39

特點狀態方程信息只在動態濾波階段使用，隨后的靜態濾波只使用前一個傳感器的濾波解作為狀態預報值;動、靜態濾波很容易擴展成抗差濾波融合和自適應濾波融合;動、靜態濾波解與整體濾波解等價。7、融合導航算法進展（續）7.2動、靜態濾波算法（續）39特點狀態方程信息只在動態濾波階段使用，隨后的靜態濾波407.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(Yangetal.JON2004)若各傳感器均有冗余觀測信息，可直接從觀測信息進行融合解算，并進行異常診斷及系統誤差分析；利用各傳感器的幾何導航解進行融合，不至于使某一傳感器的異常信息污染其他傳感器的導航結果，便于傳感器的異常診斷；直接融合觀測信息一般不會重復使用動力學模型信息，因而不會造成各傳感器輸出量之間相關。

背景7、融合導航算法進展（續）407.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(Yange417、融合導航算法進展（續）

思路各傳感器觀測信息分別進行單歷元靜態平差，獲得幾何導航解；將綜合幾何導航解與動力學模型信息進行融合；幾何導航解算中可采用抗差估計；與動力學模型信息進行融合時，引入自適應因子控制動力學模型異常的影響；自適應因子采用幾何融合導航結果與動力學模型信息的較差構造。7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)417、融合導航算法進展（續）思路各傳感器觀測信息分別進行42基于各傳感器幾何導航解的自適應融合導航7、融合導航算法進展（續）

基本原理7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)42基于各傳感器幾何導航解的自適應融合導航7、融合導航算法進43等價權矩陣為信息矩陣為7、融合導航算法進展（續）

基本解自適應調節因子滿足7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)43等價權矩陣為信息矩陣為7、融合導航算法進展（續）基本解44基于多傳感器局部幾何導航結果的自適應融合解具有較嚴密的理論基礎;局部導航解之間及局部導航解與主濾波器輸出量之間不相關,可提高導航解的精度;可同時控制觀測異常和狀態預報值異常的影響,具有很強的抗差性和容錯性;解決各傳感器輸出量的合理信息分享問題。缺點：任一傳感器信息不足時，該方法不可用。

特點7、融合導航算法進展（續）7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)44基于多傳感器局部幾何導航結果的自適應融合解具有較嚴密的理45采用模擬數據

計算與分析7、融合導航算法進展（續）X軸方向7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)45采用模擬數據計算與分析7、融合導航算法進展（續）X軸467.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（楊等——武大學報2004）7、融合導航算法進展（續）

思路各傳感器觀測信息單獨進行抗差估計，保證局部導航階段可靠性；引入動力學模型信息進行融合時，計算自適應因子控制動力學模型異常的影響；自適應因子采用幾何融合導航結果與動力學模型信息的較差構造。467.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（楊等——武大學47基于觀測信息抗差估計和狀態預測信息的自適應融合導航狀態方程觀測信息：，抗差解抗差解抗差解傳感器r：觀測信息，傳感器r：觀測信息，傳感器r：觀測信息，融合導航解自適應估計

基本原理7、融合導航算法進展（續）7.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（續）47基于觀測信息抗差估計和狀態預測信息的自適應融合導航狀態方48

自適應融合解為7、融合導航算法進展（續）7.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（續）48自適應融合解為7、融合導航算法進展（續）7.4基于觀49

特點對各局部傳感器觀測信息實施抗差估計——提高容錯能力；各局部融合導航解之間不相關——提高導精度;基于抗差估計提供較可靠的狀態初值，再對狀態方程信息引入自適應因子——控制動力模型誤差影響；可同時控制觀測異常值和狀態預報值異常影響——具有很強的抗差性和容錯性。基于抗差解的融合算法計算簡單、易于實現。7、融合導航算法進展（續）7.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（續）49特點對各局部傳感器觀測信息實施抗差估計——提高容錯能50采用模擬數據

計算與分析7、融合導航算法進展（續）X軸方向7.4基于觀測信息抗差估計的自適應融合（續）50采用模擬數據計算與分析7、融合導航算法進展（續）X軸517.5基于方差分量估計的自適應融合導航(測繪學報2004)7、融合導航算法進展（續）

思路各傳感器觀測信息的標稱精度不一定可靠；觀測信息與動力學模型之間的精度可能不可靠；動力學模型信息的不可靠可反映在方差分量中；應用方差分量估計可以調節各傳感器觀測信息的權比；方差分量比可用來構造自適因子控制動力學模型的誤差。517.5基于方差分量估計的自適應融合導航7、融合導航算法52基于方差分量估計的自適應融合導航

基本原理7.5基于方差分量估計的自適應融合導航(續)7、融合導航算法進展（續）52基于方差分量估計的自適應融合導航基本原理7.5基于方53對各局部傳感器觀測信息采用抗差估計；采用方差分量估計調整各傳感器觀測向量的權矩陣,具有自適應調節先驗方差的功能，同樣調節各傳感器觀測信息的權比；通過自適應因子合理地利用動力學模型預報信息，融合導航解具有較強的自適應功能；缺點：每個傳感器必須有足夠的觀測信息，否則估計的方差分量的可靠性較差。

特點7、融合導航算法進展（續）7.5基于方差分量估計的自適應融合導航(續)53對各局部傳感器觀測信息采用抗差估計；特點7、融合導航548、主要結論動、靜態濾波法——不重復使用動力模型信息基于分傳感器幾何導航結果的融合——各分傳感器導航結果不相關，動力學模型信息不重復使用基于各傳感器直接觀測信息的融合——便于對各觀測量進行抗差估計，便于進行方差分量估計自適應融合導航——便于對動力學模型誤差進行控制融合導航算法548、主要結論動、靜態濾波法——不重復使用動力模型信息基于558、主要結論當載體存在觀測異常或狀態異常擾動時，聯邦濾波融合解的容錯性差；自適應抗差濾波具有抵制觀測異常和動力學模型異常擾動的能力；動、靜態濾波可解決聯邦濾波的局部導航解之間的相關性問題；基于幾何導航解的融合可保證各傳感器導航解不相關；基于觀測信息抗差解的融合導航解，對載體觀測信息異常擾動具有較強的抑制作用，精度明顯提高；基于方差分量估計的融合導航可調節各傳感器觀測信息的權。558、主要結論當載體存在觀測異常或狀態異常擾動時，聯邦濾波56融合導航的傳感器相當豐富，融合種類很多，需要解決的問題也很多；如GNSS/INS、GNSS/GIS、GNSS/天文、地形/重力/磁力匹配組合導航等；融合算法也相當不完善，快捷、可靠、穩定的算法仍需繼續發展；實際融合導航的實踐很不夠，各實驗系統存在的問題較多；國內還沒有緊組合和深組合較成熟的軟件系統；具有自主知識產權的系統和軟件不多。8、主要結論中國自主導航還有相當長的路要走！任務十分艱巨！問題56融合導航的傳感器相當豐富，融合種類很多，需要解決的問題也57組合導航與融合導航1組合導航與融合導航581、概述組合導航——同一平臺、多傳感器實施互補、互驗、互校的導航系統。特點：各傳感器獨立輸出導航信息。融合導航——同一平臺、多傳感器實施信息融合的導航系統。特點：多傳感器、統一輸出導航信息。組合導航一般強調硬件的最佳組合；融合導航一般強調多傳感器數據融合算法；融合導航與組合導航既有聯系又有區別，融合導航首先基于組合導航。1.1概念21、概述組合導航——同一平臺、多傳感器實施互補、互驗、互校591、概述（續）重磁導航（重力導航、磁力導航）現有導航系統全球衛星導航定位系統（GPS、GLONASS、GALILEO、BD）慣性導航（包括慣性導航INS、航位推算導航DR）天文導航系統（CNS）匹配導航（地形匹配導航、影像匹配導航）1.2分類31、概述（續）重磁導航（重力導航、磁力導航）現有導航系統全602.1衛星導航的發展2、衛星導航的發展即存在的問題衛星定位系統是一種天基無線電導航系統。它能夠在全球范圍，為多個用戶，全天候、實時、連續地提供高精度三維位置、速度及時間信息。美國：GPS；俄羅斯：GLONASS；目前己經投入運營或正在建設的幾個主要的衛星導航系統有：歐空局：GALILEO；中國：COMPASS。42.1衛星導航的發展2、衛星導航的發展即存在的問題衛星定61結論：GPS不能保證安全、連續、精確、可靠導航美國2000年之后每年都將審議一次SA政策；美國軍方聲稱隨時都有可能改變GPS政策；GPS的系統信號在高緯度地區經常出現盲區；美國國防部曾強調，限制敵人在戰時利用GPS。1）美國GPS可能存在問題2.2衛星導航存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題5結論：GPS不能保證安全、連續、精確、可靠導航美國200062與GPS相比，GLONASS因運行時間短，用戶尚少，目前還不具備象GPS增強系統和IGS網絡長期不間斷的觀測信息支持。GPS接收機市場十分活躍，產品不斷翻新，而GLONASS目前還未達到這一水平，且GLONASS接收機供應嚴重不足。此外，因為沒有GLONASS衛星的精確軌道源數據，故無法測定精度。與GPS相比這是GLONASS的個一主要缺陷。2）GLONASS存在的主要問題2.2衛星導航存在的問題（續）2、衛星導航的發展即存在的問題6與GPS相比，GLONASS因運行時間短，用戶尚少，目前還63“伽利略計劃”是由歐盟委員會和歐洲空間局共同發起并組織實施的歐洲民用衛星導航計劃，它受多個國家政策和利益的制約，政策具有搖擺性。由于歐盟受美國的影響極大，“伽利略計劃”本身的獨立性值得懷疑；GALILEO計劃目前已經延后，考慮到目前的金融危機，未來的GALILEO如何發展現在還看不清楚。2.2衛星導航存在的問題（續）3）GALILEO存在的主要問題2、衛星導航的發展即存在的問題7“伽利略計劃”是由歐盟委員會和歐洲空間局共同發起并組織實施64北斗一代系統由三顆地球同步衛星、一個地面控制中心及各類用戶接收機組成。“北斗一號”覆蓋范圍小，服務區由東經70度至東經145度，北緯5度到北緯55度，覆蓋我國和周邊地區。“北斗一號”采用雙星定位技術，只能為終端用戶提供經度和緯度，無法為用戶提供所在高度的數據，因此需要預先存儲需定位目標的地面高程信息，并通過與地面中心站的聯系才能推算高度。3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2.2衛星導航存在的問題（續）2、衛星導航的發展即存在的問題8北斗一代系統由三顆地球同步衛星、一個地面控制中心及各類用戶65由于地面高程精度不高，且衛星數量少，無冗余信息，定位精度和可靠性不高。用戶必須向地面中心站申請定位，才能獲得定位信息，于是用戶的隱蔽性成問題。由于地面中心站是北斗一代的核心，地面中心站一旦遭攻擊，整個衛星系統將陷入癱瘓。北斗一號用戶受限，用戶過多會造成信道擁擠；信號需雙向傳送，很難滿足高動態定位要求；3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題9由于地面高程精度不高，且衛星數量少，無冗余信息，定位精度和66接收機生產廠家生產的接收機也必須入網注冊，否則無法定位；接收機必須經過特許部門的測試才有市場準入；接收機市場競爭局面很難打開；接收機電磁待機時間短，很難用于長時間野外導航定位與通訊；BD跟蹤站只限在境內，于是軌道精度也受限。3）北斗衛星定位系統可能存在的問題2、衛星導航的發展即存在的問題10接收機生產廠家生產的接收機也必須入網注冊，否則無法定位；672.3北斗二代展望“北斗一號”衛星的壽命即將到限，發展新一代北斗衛星勢在必行。二代COMPASS，可望實現全球導航定位。必須解決防欺騙、防干擾、兼容性、互操作、降低發射功率等問題；需解決全球跟蹤問題。2、衛星導航的發展即存在的問題112.3北斗二代展望“北斗一號”衛星的壽命即將到限，發展68與外界不發生任何光、電和磁聯系——隱蔽性好；工作不受氣象條件的限制——可用性強；完全依靠運動載體設備自主完成導航任務——自主性好；能夠提供比較齊全的導航參數——參數齊全；目前已廣泛應用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機、戰略導彈和戰術導彈、戰車和人造衛星等領域——應用面廣。3.1慣性導航的優點3、慣性導航特點12與外界不發生任何光、電和磁聯系——隱蔽性好；3.1慣性69系統精度主要取決于慣性測量元件，導航參數的誤差隨時間而積累，不適宜長時間導航。一般慣導系統的加熱和初始對準所需時間較長，很難滿足遠距離、高精度導航和其它特定條件下的快速反應要求。3.2慣性導航的缺點位置誤差速度誤差3、慣性導航（續）13系統精度主要取決于慣性測量元件，導航參數的誤差隨時間而積704、天文導航根據天體來測定飛行器位置和航向的導航技術。即以天體為參考點，確定飛行器在空中的真航向。天體的坐標位置和它的運動規律是已知的，測量天體相對于飛行器參考基準面的高度角和方位角就可以計算出飛行器的位置和航向。星體跟蹤器望遠鏡對準天體方向可以測出飛行器前進方向（縱軸）與天體方向（即望遠鏡軸線方向）之間的夾角（稱為航向角）。天體任一瞬間相對于子午線的夾角（即天體方位角）已知，天體方位角減去航向角即得飛行器的真航向。4.1天文導航的基本概念與原理144、天文導航根據天體來測定飛行器位置和航向的導航技術。即71天文導航系統是自主式系統，不需要地面設備；不受人工或自然形成的電磁場的干擾；不向外輻射電磁波，隱蔽性好；定向、定位精度高，定位誤差不隨時間累積。因而天文導航得到廣泛應用，并將在未來的深空探測中發揮更加廣泛的作用。4.2天文導航的優點4、天文導航（續）15天文導航系統是自主式系統，不需要地面設備；4.2天文72

脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，如恒星星表一樣構成一種高精度慣性參考系；脈沖星按一定頻率發射穩定的脈沖信號，其長期穩定度好于最穩定的銫原子鐘。脈沖星可以提供絕好的空間參考基準和時間基準，所以脈沖星是空間飛行器的極好的天然導航信標。4、天文導航（續）4.3脈沖星導航16脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，如恒星星734.4脈沖星導航優勢

提供良好的時間頻率源：可用于監測原子鐘的長期穩定度。長期觀測多顆脈沖星可以建立綜合脈沖星時，并應用于導航系統，實現系統時間的維持。在航天器運行期間，也可用于修正搭載原子鐘鐘面時，減少地面監測站信息注入次數。

擴大導航定位覆蓋范圍：X射線脈沖星導航可以精確自主地為飛行器提供位置、姿態和自然時間源。可用于空間攻防戰，極大增強我國的太空防御能力。4、天文導航（續）174.4脈沖星導航優勢提供良好的時間頻率源：可用于監測74

有效提高自主導航能力：X射線脈沖星導航在脈沖星參數確定后，在較長時間內，可完全實現自主導航。大大減輕地面測控系統的工作負擔，減少測控站的布設數量，降低航天器的運行管理和維持費用。

作為現有衛星導航系統的備份：當人造衛星導航系統受到人為干擾或破壞，以至不能進行導航服務時，單獨利用X射線脈沖星導航，可起到有效的備份作用。4、天文導航（續）18有效提高自主導航能力：X射線脈沖星導航在脈沖星參數確定75

提高抗干擾性：X射線脈沖星作為自然的天體，其運行特性不會受到人為的破壞與干擾；X射線穿透性好，被污染物破壞的風險低；X波段特征顯著，可以避免空間各種信號的干擾；X射線探測器的穩健性強，不需要任何光學儀器和特別的制冷設備；可以由一個單一的儀器自主完成時間、姿態及位置的測量。4、天文導航（續）19提高抗干擾性：X射線脈沖星作為自然的天體，其運行特性不76為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛、艦船等）的跟蹤精度或對動態系統的狀態估計精度，需要多傳感器的組合導航。單一傳感器提供的信息很難滿足目標跟蹤或狀態估計的精度要求，采用多個傳感器進行組合導航，并將多類信息按某種最優融合準則進行最優融合，可望提高目標跟蹤或狀態估計的精度。多傳感器組合導航（多星座衛星組合、衛星導航與慣性導航的組合等）成為導航系統的發展趨勢。5、組合導航系統5.1背景20為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛77GPS、GLONASS、BD及GALILEO衛星導航系統，本身都存在著固有的缺陷或人為施加的干擾，于是，使用單一的衛星導航系統存在著很大風險。GPS系統受美國國家政策的影響，隨時可能出現人為“故障”，使得非美國的盟國不能利用衛星資源，或其衛星信號中存在顯著的異常干擾。GLONASS系統，雖然尚無明確的信號干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特殊時期的應用難以保證，而且GLONASS衛星的穩定性較差，導航精度也成問題。5.2多星座衛星導航組合5、組合導航系統（續）

需求21GPS、GLONASS、BD及GALILEO衛星導航系統78由于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了可用性（availability）；GPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，衛星覆蓋率將極大增強（星空璀璨——100顆衛星以上），提高導航定位的連續性（continuity）；多衛星信號組合可以很容易地探測和診斷某類衛星信號的故障和隨機干擾，并及時予以排除或及時給用戶發送預警信息，提高導航系統的抗干擾能力，從而提高系統的完好性（integrity）；多衛星系統可提高相位模糊度搜索速度…。5、組合導航系統（續）

衛星組合導航的性能優勢22由于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了可用性（ava795、組合導航系統（續）

衛星組合導航的誤差補償優勢系統誤差——軌道系統誤差、衛星鐘差、多路徑誤差…；隨機誤差——信號隨機誤差、軌道隨機誤差、鐘差隨機誤差…;有色噪聲——太陽光壓、隨時間變化的鐘差…;異常誤差——周跳、變軌誤差…。利用多種導航衛星信號有利于誤差補償提高導航定位的精度和可靠性。235、組合導航系統（續）衛星組合導航的誤差補償優勢系統誤80

衛星組合導航的缺點1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑、隧道等遮擋時，衛星信號中斷，無法定位。2）抗干擾能力差。當存在人為干擾時，接收機碼環環路很容易失鎖，導致接收機無法定位。3）多類衛星信號在同一載體上常形成互相干擾。4）數據輸出頻率低。盡管目前一些新的GPS接收機可以提供10Hz的無插值定位輸出，但大多數接收機的定位輸出頻率仍然為1Hz。5）GPS、GLONASS、GALILEO分別由各自研制國直接控制，使用權受制于人。5、組合導航系統（續）24衛星組合導航的缺點1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑81盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定性。多類導航衛星組合仍然不能完全擺脫衛星信號受遮擋而不能實施導航的風險。當載體通過遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時，這種信號盲區一般不能通過多類衛星組合加以克服。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導航參數（位置、速度、姿態）等優點，是目前最主要的導航系統之一。INS有一個致命的缺點：導航定位誤差隨時間積累。5.3衛星導航與慣性導航的組合

需求5、組合導航系統（續）25盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定82可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度。彌補衛星導航的信號缺損問題，提高導航能力。提高衛星導航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提高組合導航的可靠性。可以提高衛星導航接收機對衛星信號的捕獲能力，提高整體導航效率。增加觀測冗余度，提高異常誤差的監測能力，提高系統的容錯功能。提高導航系統的抗干擾能力，提高完好性。6、組合導航系統（續）GNSS與INS組合導航的優勢26可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度。6、組合導航系統83松組合又稱級聯Kalman濾波(CascadedKalmanFilter)方式。觀測量——INS和GNSS輸出的速度和位置信息的差值；系統方程——INS線性化的誤差方程；通過擴展Kalman濾波（ExtendedKalmanFilter=EKF）對INS的速度、位置、姿態以及傳感器誤差進行最優估計，并根據估計結果對INS進行輸出或者反饋校正。6、衛星導航與慣性導航組合方式6.1松散組合(Loosely-CoupledIntegration)

松組合基本概念27松組合又稱級聯Kalman濾波(CascadedKal84GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和位置，這種組合導致濾波器的串聯，使組合導航觀測噪聲時間相關（有色噪聲），不滿足EKF觀測噪聲為白噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不穩定。幾乎無冗余信息，不利于異常診斷，不利于進行隨機模型改化…。

松組合的主要缺點系統結構簡單，易于實現，可以大幅度提高系統的導航精度，并使INS具有動基座對準能力。

松組合的主要優點6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）28GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和85觀測量——根據GNSS接收機收到的星歷信息和INS輸出的位置和速度信息，計算相應于INS位置的偽距和偽距率，GNSS接收機測量得到的偽距和偽距速率與INS計算值的差值。通過EKF對INS的誤差和GPS接收機的誤差進行最優估計，然后對INS進行輸出或者反饋校正。由于不存在濾波器的級聯，并可對GNSS接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度。而且在可見星的個數少于4顆時也可以使用。6.2緊組合（Tightly-CoupledIntegration）6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）29觀測量——根據GNSS接收機收到的星歷信息和INS輸出的86深組合是使用慣性導航信息對GNSS接收機進行輔助導航的組合方式。主要思想：既使用濾波技術對INS的誤差進行最優估計，同時使用校正后的INS速度信息對接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，從而減小環路的等效帶寬，增加GPS接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。嵌入式組合將INS和GNSS進行一體化設計，通過共用電源、時鐘等進一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。6.3深組合（Deeply-CoupledIntegration）6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）30深組合是使用慣性導航信息對GNSS接收機進行輔助導航的組87

思路各傳感器觀測信息分別與動力學模型進行濾波解算，得到分濾波結果；各分濾波器結果與主濾波器進行融合；采用聯邦濾波原理（FederatedKlamnfilter）7、融合導航算法進展7.1聯邦濾波算法31思路各傳感器觀測信息分別與動力學模型進行濾波解算，得到88

聯邦濾波算法示意圖···參考系統局部傳感器r局部濾波器rLr主濾波器

時間傳遞狀態轉移融合更新L1局部傳感器1局部濾波器1局部傳感器2局部濾波器2L2

原理7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)32聯邦濾波算法示意圖···參考系統局部傳感器r局部濾波器89聯邦濾波存在的問題1.主要問題是LF/LF及LF/MF之間的相關性問題

2.局部傳感器和主傳感器使用了相同狀態方程

精度差次優可靠性差某一傳感器故障原理成立前提？7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)33聯1.主要問題是LF/LF及LF/MF之間的相關性問題907、融合導航算法進展（續）聯邦濾波算法不是最優算法，且穩定性無法得到保障（吳德平等，申功勛，2001）。聯邦濾波要求局部傳感器采用Kalman濾波處理，且局部系統采用相同的轉移矩陣和系統噪聲矩陣，實際上許多導航儀內部處理模塊并非采用Kalman濾波器。聯邦濾波在融合處理時往往對局部系統噪聲矩陣進行統一放大，對高精度、高可靠性的傳感器造成效率損失，而對低精度傳感器的誤差又得不到應有控制。

特點7.1聯邦濾波算法(續)347、融合導航算法進展（續）聯邦濾波算法不是最優算法，且穩91各局部傳感器的濾波采用了相同的或相近的狀態方程，導致主濾波器與各局部濾波器輸出量之間以及各局部濾波器輸出量之間不獨立，其解不具有嚴格性和最優性。如果狀態方程出現擾動誤差，將影響每個濾波器的性能，最終影響整體濾波效果，從而導致導航解的可靠性差。

特點（續）7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)35各局部傳感器的濾波采用了相同的或相近的狀態方程，導致主濾92

解決相關性問題的現有途徑忽略相關性？——動力學模型導致的相關性，本質上是動態載體擾動對所有傳感器濾波結果影響的相關性，忽略這種相關性，有時會帶來災難性的導航結果。各傳感器采用不同的狀態方程？——但同一動態載體一般很難建立多個獨立的動力學模型。相關數據融合濾波？——數據處理相當復雜。改變采樣間隔——又會產生同步問題。7、融合導航算法進展（續）7.1聯邦濾波算法(續)36解決相關性問題的現有途徑忽略相關性？——動力學模型導致937.2動、靜態濾波算法（楊--武大學報2003）7、融合導航算法進展（續）

思路選擇一個精度較高的傳感器與動力學模型進行動態濾波解算，得到動態濾波結果；其他傳感器觀測信息與動態濾波結果進行融合；分別采用Kalman濾波原理和序貫平差原理。377.2動、靜態濾波算法（楊--武大學報2003）7、融94動態濾波：

，靜態濾波：，靜態濾波：，傳感器2：

，傳感器3：，傳感器：，

狀態向量估值動、靜濾波算法示意圖7、融合導航算法進展（續）

原理7.2動、靜態濾波算法（續）38動態濾波：，靜態濾波：，靜態濾波：95

特點狀態方程信息只在動態濾波階段使用，隨后的靜態濾波只使用前一個傳感器的濾波解作為狀態預報值;動、靜態濾波很容易擴展成抗差濾波融合和自適應濾波融合;動、靜態濾波解與整體濾波解等價。7、融合導航算法進展（續）7.2動、靜態濾波算法（續）39特點狀態方程信息只在動態濾波階段使用，隨后的靜態濾波967.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(Yangetal.JON2004)若各傳感器均有冗余觀測信息，可直接從觀測信息進行融合解算，并進行異常診斷及系統誤差分析；利用各傳感器的幾何導航解進行融合，不至于使某一傳感器的異常信息污染其他傳感器的導航結果，便于傳感器的異常診斷；直接融合觀測信息一般不會重復使用動力學模型信息，因而不會造成各傳感器輸出量之間相關。

背景7、融合導航算法進展（續）407.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(Yange977、融合導航算法進展（續）

思路各傳感器觀測信息分別進行單歷元靜態平差，獲得幾何導航解；將綜合幾何導航解與動力學模型信息進行融合；幾何導航解算中可采用抗差估計；與動力學模型信息進行融合時，引入自適應因子控制動力學模型異常的影響；自適應因子采用幾何融合導航結果與動力學模型信息的較差構造。7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)417、融合導航算法進展（續）思路各傳感器觀測信息分別進行98基于各傳感器幾何導航解的自適應融合導航7、融合導航算法進展（續）

基本原理7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)42基于各傳感器幾何導航解的自適應融合導航7、融合導航算法進99等價權矩陣為信息矩陣為7、融合導航算法進展（續）

基本解自適應調節因子滿足7.3基于幾何導航結果的自適應融合導航(續)43等價權矩陣為信息矩陣為7、融合導航算法進展（續）基本解100基于多傳感器局部幾何導航結果的自適應融合解具有較嚴密的理論基