组合导航系统

导航

目的：在哪里？到哪里去？怎么去？

定义：以某种手段或方式引导航行体安全、准确、经济、 便捷地在既定的时间内，按照既定的航行路线，准时地到达目的地。

导航要实时、连续的给出载体的位置、速度、姿态角、 加速度、航向等导航参数。

组合导航系统

目的：获得更好的精度、可靠性等。

通过对两种或多种导航系统测量或输出信息进行综合处理（应用卡尔曼滤波等数据处理技术），获得更高的导航精度和可靠性，集各个子系统的优点于一身。

系统特点

1. 协合超越：利用各子系统的导航信息并作有机处理，形成单个子系统不具备的功能和精度。
2. 性能互补：组合导航系统综合利用了各子系统的信息，使各子系统取长补短，提高适用范围。
3. 互为余度：各子系统观测同一信息源，测量冗余，增加了导航系统的可靠性。

组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点，扬长避短，使得导航能力、精度、可靠性和自动化程度大大提高。

基本思想

惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它导航系统导出的相同的量进行比较；

通过卡尔曼滤波器或其他滤波方法给出对导航系统误差的实时估计；

通过适当的校正方式，对惯性导航系统进行修正，就有可能获得比单独惯性系统更高的导航精度。

导航分类

惯性系统

基本原理：根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪，加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，然后通过计算机进行积分运算，从而得到运动体的位置与速度等导航参数。

惯性系统的组成

惯性导航包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和计算单元两大部分。

通过IMU感知物体方向、姿态等变化信息，再经过各种转换、补偿计算得到更准确的信息。比如检测物体的初始位置、初始朝向、初始姿态以及接下来每一刻朝向、角度的改变，然后把这些信息加一起不停地推，推算出物体现在的朝向和位置。

1. IMU主要由加速度计和陀螺仪组成，可实时检测物体的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果还加上电子罗盘和气压计等传感器，那IMU的测量信息量与精度也相应地能得到一定的提高。
2. 计算单元则主要由姿态解算单元，积分单元和误差补偿单元这三部分组成。

工作流程

首先，检测（或设定好）初始信息，包括初始位置、初始朝向、初始姿态等。

然后，用IMU时刻检测物体运动的变化信息。其中，加速度计测量加速度，利用原理 a=F/M，测量物体的线加速度，然后乘以时间得到速度，再乘以时间就得到位移，从而确定物体的位置；而陀螺仪则测量物体的角速率，以物体的初始方位作为初始条件，对角速率进行积分，进而时刻得到物体当前方向；还有电子罗盘，能在水平位置确认物体朝向。这3个传感器可相互校正，得到较为准确的姿态参数。

最后，通过计算单元实现姿态解、加速度积分、位置计算以及误差补偿，最终得到准确的导航信息。

优点：

（1）依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；

（2）不需要接收外部信息，不受外界干扰；

（3）不向外辐射能量，隐蔽性好；

（4）测量位置的同时，还能测量姿态角。

缺点：

（1）位置由加速度经二次积分获得，误差随时间积累；

（2）对惯性元件精度要求高，系统成本高。

那么，惯性导航原理是怎么工作的呢？

假设三轴加速度计，x轴一直指向东方，y轴一直指向北方，z轴一直指向天上，那么惯性导航的任务就变得特别简单，x轴方向上加速度的积分，就是经度的变化率，y轴方向上加速度的积分，就是纬度的变化率，z轴方向上加速度的积分，就是高度的变化率。有了经纬度的变化率以及经纬度的初始值，我们就很容易能够求得物理当前所在的位置。

这样看来，如果不关注物体的朝向，只用加速度计就能实现惯性导航。然而实际上，我们还必须借助陀螺仪，最简单的原因就是，你如何不借助陀螺仪就能让三轴加速度计x，y，z三个轴的指向一直保持东，北和天呢？

根据上面的原理想法分析，人们就设计出了一款平台式惯性导航系统（GINS）。这个系统说简单点，就是设计了一个会自动调节的惯性平台，不管物体怎么转动，平台能始终保持姿态不变。

这个惯性平台需要借助陀螺仪来实现。平台式惯性导航原理图如下：

首先，加速度计测量加速度，传送到导航计算机中，导航计算机中解算分离出有害加速度，有害加速度包括运载体相对地球运动和地球旋转引起的加速度，运载体在地球表面圆周运动的向心加速度，以及重力加速度等。导航计算机根据加速度解算出指令角速度，反馈给陀螺仪，用来补偿地球转动引起的陀螺自转轴的表观运动。然后陀螺仪输出角速度，通过修正回路修正后，输出平台施矩给惯性平台，惯性平台以此调整自己的姿态，并将自己的姿态参数传送给导航计算机，然后导航计算机最终计算出运载体的速度和位置以及姿态和航向。

根据测量的数值（加速度计和陀螺仪）调节惯性平台，实现加速度计和角运动的隔离，再利用加速度积分求解速度甚至是位置。由于惯性平台的调节是靠硬件实现的，所以，整个系统相对于后面所说的捷联式惯导而言，计算量是非常小的。

在平台式惯导系统中，惯性平台是很关键的元件，它主要有以下作用：

1. 为加速度计提供测量基准，不管怎样运动，加速度计的三个轴指向是不会变的；
2. 隔离运载体角运动的干扰，由于平台是稳定的，运载体角运动不会影响到加速度的测量；
3. 测量姿态航向，运载体相对于惯性平台的偏角，反映出了运载体的航向和姿态。

但是，由于惯性平台的引入，这就导致了平台式惯导系统的缺点：结构复杂，体积大，制作成本高，维护困难。实际上，平台式惯导系统是早期惯性导航的产物，当时，计算机计算速度远没有现在这么快，从而限制了惯导系统的实现方法，只能使用平台式惯导系统。但是到了20世纪90年代，美国方面已经90%以上都替换成了捷联式惯导系统。

什么是捷联式惯性导航系统（SINS）呢？

就是陀螺仪和加速度计都直接固定在运载体上，运载体怎么运动，陀螺仪和加速度计就怎么运动。这个系统结构上非常简单，但是会引入几个问题。

首先，如果在飞机上做惯性导航，由于飞机的角运动速度可以达到每秒400度以上，这就要求了陀螺仪的测量量程要非常大，这在早期的机械陀螺仪上是很难实现的，后来引入了激光陀螺仪之后，这个问题才得到解决。

此外，由于加速度计三轴的指向任意，需要将加速度值变换到之前说的东北天的坐标系中，才能准确地计算出物体的位置。这个过程，计算量是非常大的，早期的计算机很难承载这么大的计算量，从而导致早期的捷联式惯导实时性很难保证。

卫星导航

工作原理

卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。

惯性导航和卫星导航、组合导航对比