第五章 组合导航技术的发展

技术开发与应用组合导航技术的发展趋势曾伟一1 林训超2 曾友州3 贺银平4(1.2.3.4.成都航空职业技术学院,四川成都610100)收稿日期:2011-01-10作者简介:曾伟一(1956 ),男,四川省成都市人,副教授,主要研究方向为电气自动化和微机控制技术。

摘 要:本文揭示了组合导航技术的优越性,论述了组合导航的关键技术,对硅微惯性测量单元的发展和应用情况进行了介绍,指出GNSS/INS 组合中松耦合、紧耦合与深耦合方式的技术特点,展望了耦合技术未来发展方向。

关键词:组合导航 卫星导航 惯性导航中图分类号:TN967 2 文献标识码:B 文章编号:1671-4024(2011)02-0041-04Development Tendency of Integrated Navigation TechnologyZE NG Weiyi 1,LIN Xunchao 2,ZE NG Youzhou 3,HE Yinping 4(1.2.3.4.Chengdu Aeronautic Vocational &Technical College,Chengdu,Sichuan 610100,China)Abstract This paper analyzes the advanta ges of integrated navigation technique and the key inte grated navigation technology,presents the development and application of measuring units of silicon micro inertia,points out the techniques of loose coupling,tight coupling and deep c oupling in the combination of GNSS and INS and prospects the development tendenc y of c oupling technology.Key Words integrated navigation,GNSS,I NS 组合导航是采用两种或两种以上导航系统,形成的性能更高、安全性和可靠性更强的导航方式。

导航技术及其发展导航技术是指通过各种手段确定自身位置、方向和速度的技术，是现代社会中不可或缺的一部分。

它广泛应用于军事、航空、航海、汽车、手机等领域，极大地提高了人们的生活质量和工作效率。

本文将从导航技术的发展历程、主要技术及其应用前景三个方面进行探讨。

一、导航技术的发展历程1. 古代导航技术在古代，人们主要依靠天文导航、地文导航和经验导航进行定位。

天文导航是通过观测天体位置来确定自身位置的方法，如我国古代的航海家郑和就是利用天文导航技术实现了七次下西洋的壮举。

地文导航则是根据地形、地貌等地理特征来确定位置，如古代丝绸之路上的商队就是利用地文导航技术进行贸易往来。

经验导航则是依靠船员的经验和直觉来判断航向和距离。

2. 近代导航技术随着科学技术的发展，近代导航技术逐渐从经验导航向仪器导航转变。

19世纪末，无线电技术的发明为导航技术的发展提供了新的动力。

1906年，德国人布劳恩首次利用无线电波进行航海导航实验，标志着无线电导航技术的诞生。

随后，各种无线电导航系统如罗兰（Loran）、奥米加（Omega）等相继问世，为航海、航空等领域提供了准确的导航服务。

3. 现代导航技术20世纪70年代，美国开始研发全球定位系统（GPS），并于1994年全面建成。

GPS具有全球覆盖、全天候、高精度等特点，迅速成为现代导航技术的主流。

随后，俄罗斯、欧盟等国家和地区也相继研发了自己的全球导航卫星系统（GLONASS、Galileo等），形成了全球导航卫星系统的竞争格局。

我国自主研发的北斗卫星导航系统（BDS）也于2000年发射成功，并于2020年全面建成，成为全球四大卫星导航系统之一。

二、主要导航技术1. 天文导航天文导航是通过观测天体位置来确定自身位置的方法。

古代的天文导航主要依靠肉眼观测，现代天文导航则利用天文望远镜、星敏感器等设备进行观测。

天文导航具有高精度、不受环境限制等优点，但受天气影响较大。

2. 地文导航地文导航是根据地形、地貌等地理特征来确定位置的方法。

车载组合导航系统发展现状随着科学技术的不断发展，现代导航系统的种类越来越多，如: INS、全球定位系统(GPS)、多普勒(Doppler)测速系统、奥米加导航系统(Omega),罗兰系统(Loran)，塔康系统(Tacan)，还有天文导航(CNS)、地形辅助系统等，这些导航设备都各有优缺点，精度和成本也不大相同。

同时，由于各领域，尤其是军事领域对导航信息量的要求越来越多，对导航精度的要求也越来越高。

要使系统性能得到提高，靠提高单一导航系统的精度，不仅在技术上难度很大，而且在实际中效果也不十分明显，无法满足高精度要求的。

若将多种导航系统适当地组合起来，即可大大提高导航精度。

组合导航系统与单一导航系统的性能比较，具有以下优点1) 组合系统中惯性导航系统的精度比单独使用惯性导航系统时要求的精度低，能够降低惯性导航系统的成本，还可提高系统的可靠性和容错性能;2) 组合导航具有余度的导航信息，可利用其余度信息检测出某个导航子系统的故障，并隔离掉失效的子系统，然后将其余正常子系统重新组合(系统重构)，就能够继续完成导航任务。

因而在20世纪70年代，组合导航技术的出现使得这一问题有了完美的解决方案，使其得到了迅速发展，并取得了令人瞩目的成就。

它克服了单个导航系统的缺点，取长补短，使组合后的导航精度高于各个系统单独工作的精度。

组合导航系统就是将具有不同特点的导航设备与导航方法进行综合，应用计算机技术对多种导航信息进行融合处理，以提高整个系统的性能。

它是一种综合工程技术，涉及到各导航信息源相关设备技术、计算机技术、显示技术以及控制系统、最优估计等理论。

目前，组合导航系统技术在工程实践中还必须解决以下问题: 在导航信息大量冗余的情况下，计算量过大，实时性不能保证；导航子系统的增加使故障率也随之增加，如果某一子系统出现故障而又没有及时监测出并隔离掉时，故障数据会污染整个系统，使可靠性降低。

针对组合导航系统量测信息量多，数据处理困难这一特定问题，导航信息的处理技术也从根据单个传感器所获得的数据集来进行的单一信息处理向多传感器获得的多数据集的信息融合方向发展。

导航技术的发展和应用随着科技的发展，导航技术也越来越成熟，广泛地应用于各个领域。

在智能手机普及的年代，导航不再只是寻找路径的工具，它更是我们生活中的必需品之一。

一、 GPS技术的发展全球定位系统（GPS）最初是由美国军方开发，用于军事用途和导航系统。

20世纪90年代初，GPS开始对民用市场开放。

目前，许多国家都开发了自己的卫星导航系统，比如俄罗斯的格洛纳斯，欧盟的伽利略系统，以及中国的北斗导航系统。

这些系统为我们提供了更多的导航选择。

二、导航技术的应用随着导航技术的不断发展，它被广泛应用于各个领域。

首先，出行导航已成为人们生活中的必需品，而且越来越精准。

大多数智能手机都内置了导航功能，可以提供准确的路线规划和实时交通信息。

其次，导航技术还可以应用于智能家居领域。

有一些智能domin配有导航功能，可以自动清理和探索室内环境。

另外，导航技术还可以应用于农业、物流和船舶等领域。

在农业领域，农民可以利用GPS技术对农田进行测量，制定更加合理的种植方案，最大程度地提高产量。

在物流领域，GPS可以提高货物的运输效率，实现智能配送。

而船舶导航系统可以确保船只在海上安全航行。

三、导航技术的未来随着人工智能技术的发展，导航技术的未来将会更加智能化和高效化。

我们可以预见到，未来导航技术将充分利用大数据分析，结合人工智能算法，可以自适应地调整路径，提供更加个性化的导航服务。

此外，导航技术还有望应用到更多领域，比如自动驾驶和虚拟现实等。

结论导航技术已成为我们生活中的必需品之一。

随着科技的不断发展，导航技术也不断地创新和进步，应用于越来越多的领域。

未来，导航技术一定会有更为广阔的发展前景，为我们的生活带来更大便利。

GNSS/INS组合导航的发展现状及未来趋势——结合司南导航GNSS/INS组合导航产品及应用分析智能交通王振国1 应用背景不得不说，以前关于“GNSS应用只受想象力的限制”的传言，虽然深信不疑，但现在个人已亲眼所见并亲身体会到了，单就司南导航本身的业务来说，已经涉及到了人员定位、车辆定位、铁路监测、船舶定位、机械控制、飞机导航、高精度测绘等领域，更不用说细分的各个行业了。

与此同时，用户的观念也发生了很大的变化——以前是不清楚自己能不能用，现在是想尝试着用，希望GNSS厂商能根据他们的应用方式和环境给出一个基于GNSS的解决方案，因为毕竟GNSS定位的高精度与便捷性等优势是任何其它导航定位方法无法比拟的，当然，目前GNSS设备价格的降低也促进了这种观念的转变。

然而，GNSS应用也有其局限性，随着应用的不断深入和使用场景的扩展，靠单一的GNSS定位，并不能满足所有用户所有场景的需求。

导航定位的方式有很多种，GNSS卫星定位由于其突出的优点，得到了全世界各行业用户的青睐，但与此同时，作为一种非自主定位方式，GNSS系统要求必须对卫星可见（即所谓的“靠天吃饭”），并且为了保证高精度的结果，对卫星信号的质量也会有一定的要求，因此，在某些特殊的应用场合，例如隧道、树下、楼宇之间、山沟和其它对卫星信号有影响或者会引起卫星信号丢失的环境，GNSS的应用就受到了限制。

经过验证，目前对于这类环境，行之有效的解决方案有两种：第一、发展GNSS多系统应用，增加星座卫星数量。

目前正式投入运行的GNSS系统主要包括BDS（中国）、GPS（美国）和GLONASS（俄罗斯），例如自2012年底中国北斗卫星导航系统（BDS）正式运行以来，在楼宇之间、山沟中的GNSS定位效果已经得到了明显的改善；第二，发展GNSS与惯性导航（INS）组合导航应用技术。

与GNSS定位不同，惯性导航是一种自主定位导航技术，其优势是不受外界环境（主要是遮挡或电磁干扰等环境）的影响，并可以在一定的时间内保证较高精度，缺点是定位误差会随时间积累，高精度（厘米级）的惯性导航系统成本可达几十万甚至上百万人民币，这对于普通民用市场来说，几乎没有应用空间，而低成本的惯性导航系统，价格虽然只有千元级别，但精度比较低，且误差扩散比较快，只适合与GNSS高精度定位方式结合使用，这样的组合导航方式，正好能够满足一般的民用需求。

导航原理组合导航组合导航是将两种或以上的导航方式结合起来，使得导航更加精准、高效。

在当今时代，随着信息技术的快速发展，组合导航已经成为了一种必不可少的导航方式。

本文将介绍组合导航的基本原理和实现方式。

导航原理导航是指人们通过各种手段来实现自身位置的确定以及目的地的定位和导向的行为，其主要原理包括位置感知、方向感知和路线规划。

在实际应用中，根据不同环境和需求，导航方式也可以分为徒步导航、驾车导航、航空导航等等。

组合导航的优势组合导航主要是将不同的导航方式组合起来，以充分利用它们的各自的优势。

比如，在城区行车导航中，由于GPS信号的穿透力较弱，容易受到高楼大厦等影响而出现定位不准确的情况。

此时，利用地图来结合GPS导航使用，通过人眼判断地图上所在位置，再结合GPS定位信息，可提高导航准确性。

再举一个例子，在森林徒步旅行中，由于地形复杂，很难通过GPS准确定位。

此时，利用指南针和地图相结合，通过指向目标方向，判断当前位置，而旅行路线可以通过地图导出。

这样既可以提高定位精度，又可缩短路线。

组合导航的具体实现方式实现组合导航需要结合不同导航方式的特点和优势，采用相应的技术方案进行组合。

GPS NavigationGPS导航系统能够通过卫星定位技术，在天空中找到它们所处的位置。

其主要应用在车辆驾驶、出行及其它室外运动等活动中。

当GPS导航出现误差时，可通过地图或者GSM定位的补充，提高定位精确度。

Map地图作为导航的一种手段，能够以直观的空间表现方式描绘一个区域内的各种地貌、建筑、道路和自然地理特征。

根据目的、路线和需求，地图导航可以结合GSM或GPS定位数据和其他传感器来优化导航信息。

Compass指南针作为定向工具，能够指示地理方向和方位。

在外来信号较弱的情况下，它仍能工作。

因此，在良好的辅助设备下，指南针可以实现徒步和户外导航。

GSM考虑到GPS信号的服务可用性和精度，与GSM定位的结合可提高导航的可靠性和精度。

导航技术的发展与应用前景从古代到现代，人类一直在寻找更好的导航技术。

随着科技的发展，导航技术也得到了极大的进步。

就算是在我们日常生活中，也可以看到导航软件的广泛使用。

那么，导航技术未来的发展及应用前景是怎样的呢？在古代，人们主要依赖天文学来进行导航。

例如，南极探险家阿姆斯特朗使用了星座来确定他的位置。

然而，这样的导航方法有许多限制，例如对夜晚和云层的依赖，不适用于长期航行等。

因此，从17世纪开始，人们开始使用计时器、小数和全球定位系统 (GPS)等新技术进行导航。

而今，对于普通人而言，GPS已经成为了日常生活不可或缺的一部分。

例如，当我们在车内打开导航软件，它会马上找到我们的位置，并指出我们需要行驶的方向。

然而，GPS也有其局限性。

例如，在高墙、隧道或深色建筑群中，信号可能受到干扰，难以获取我们的位置。

还有，当太阳风暴和其它因素影响GPS信号时，我们也可能会受到影响。

然而，科技一直在不断进步，未来将会有更多更好的技术用于导航。

例如，北斗卫星系统，目前是中国自己的导航系统，据说它具备比GPS更可靠、更精准的导航精度。

此外，新技术的引入也将为导航行业带来更大的进步。

例如，室内定位技术，可以在如商场或机场般复杂的环境下，为人们提供更智能的导航方案。

基于这些新技术，未来的导航应用也将更多元化。

例如，自动驾驶汽车，将需要更进一步的导航技术智能，以实现更自主的驾驶。

此外，智能穿戴设备也将带来更好的导航便利。

例如，将来，我们戴上眼睛或耳机就可以享受更贴心的导航体验。

在这个不断变化的世界中，我们相信未来的导航技术也将继续发展。

无论是在商务、交通或冒险中，我们将会看到其极大的应用前景。

未来，人们的视野将不再受到技术所限制，一切将会变得更加方便、更加便利。

1、简答题：（1）为什么说组合导航系统是导航发展的方向？GPS/惯性组合导航系统有何特点？答：组合导航系统是指用GPS、无线电导航、天文导航、卫星导航等系统中的一个或几个与惯导组合在一起，形成的综合导航系统。

组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。

每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性，传统的单一导航系统由于自身存在各种缺陷已经不能满足现实需求。

惯性组合导航系统的特点如下： 1. GPS/INS组合对改善系统精度有利。

2. GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力。

3. 惯性系统提高GPS接收机的跟踪能力。

4. 惯性系统可以解决周跳问题，而且降低对惯导系统的要求。

（2）说明组合导航系统的基本原理和不同校正方式的优缺点。

答：组合导航是将过去单独使用的各种导航设备通过计算机有机地组合在一起，应用卡尔曼滤波等数据处理技术，发挥各自特点，取长补短，使系统导航的精度、可靠性和自动化程度都大为提高，它的实质就是以计算机为中心，将各个导航传感器送来的信息加以综合和最优化处理，然后对导航参数进行综合显示或输出。

校正方式分为输出校正和反馈校正。

利用各导航系统误差的估计值去分别校正各导航系统相应的输出导航参数，以得到导航参数的最优估计，这种方法称为开环方法，也称为输出校正；利用导航系统误差值的估计值去校正导航系统力学编排中相应的导航参数，即将误差估计值反馈到各导航系统的内部，将导航系统中相应的误差量校正掉，这种方法称为闭环法，也称为反馈校正。

输出校正和反馈校正特点如下：1 输出校正中的误差状态是未经校正的误差量，而反馈校正的误差状态已经过校正，因此反馈校正能更接近的反映系统误差状态的真实动态过程。

一般情况下，输出校正要得到与反馈校正相同的精度，应该采用更复杂的模型系统方程。

2 输出校正方式中各导航分系统相互独立工作，互不影响，因此系统可靠性较高；反馈校正属于深度组合，如果某一导航分系统不能正常工作，那么将影响其他导航分系统，因此可靠性相对输出校正较差。

组合导航系统是将载体( 飞机、舰船等) 上的导航设备组合成一个统一的系统，利用两种或两种以上的设备提供多重信息，构成一个多功能、高精度的冗余系统。

组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作, 成为导航系统发展的方向。

在所有的组合导航系统中，以北斗与惯性导航系统INS 组合的系统最为理想, 而深组合方式是北斗与惯性导航系统( INS) 组合的最优方法。

鉴于GPS 的不可依赖性，北斗卫星导航系统与INS 的组合是我国组合导航系统的发展趋势，我国自主研制北斗/INS深组合导航系统需要解决的关键技术。

1北斗/惯导深组合导航算法深组合导航算法是由INS导航结果推算出伪距、伪距率，与北斗定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。

通过卡尔曼滤波对INS的误差和北斗接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正, 使INS保持高精度的导航。

同时利用校正后的INS 速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪, 消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素, 以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽, 增加北斗接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。

其组合方式如图1所示，图中只画出了北斗的一个通道，其他通道均相同。

图 1 深组合方式框图组合导航参数估计是组合导航系统研究的关键问题之一。

经典Kalman 滤波方法是组合导航系统中使用最广泛的滤波方法，但由于动态条件下组合导航系统状态噪声和量测噪声的统计信息的不准确，常导致滤波精度的下降，影响组合导航的性能。

滤波初值的选取与方差矩阵的初值对滤波结果的无偏性和稳定性有较大的影响，不恰当的选择可能导致滤波过程收敛速度慢，甚至有可能发散。

另外系统误差模型的不准确也会导致滤波过程的不稳定。

渐消记忆自适应滤波方法通过调节新量测值对估计值的修正作用来减小系统误差模型不准确对滤波过程的影响。

当系统模型不准确时，增强旧测量值对估计值的修正作用，减弱新测量值对估计值的修正作用。