（通信与信息系统专业论文）信息融合技术在组合导航系统中的应用研究.pdf

硕士论文信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 a b s t r a c t 加 允 n n a 石 o n 允 s i o n t 比 hno l o 留 b 朋b e 叨 a b o t r e 别 沈 江 c h 五 喇 s m c e 1 980. t 址 s p 即 食 浏 力 d l es 七 j f( 爪 口 吐 i on 五 场 ia np 拍 b 】 恤 in s 水s igp si n t e 脚t ed l l avi g 时 i o nsyst el 让 t 七 e 5 加pdo 物. 】 川 e 找 l aln avig at i o n 即 目 比 m( s ins ) 助 do l o ab l e p o s iti on s y st e m ( g p s ) 眼 比 甲劝v e l y d i 即 us ， 刁inu 五 s p a p 岔 at此 比 酥 曲 血9 . 丁 h e 比 e s i s h asa d et 幻 i edd i sc 此 5 1 o n ons ins 助d gp s ， e l 公 沁 份 t 吨 the p az tsofe ac b sy st 。 叭 p ri n c iplesofpos i 石 。 侧 盯 9 ， 而沈 应 e 功 叼日即d m ode l c al c ul at 吨， 如 d ac co un t in g for 此 。 概 s s i tyofcom b 吨 此 s ins 的d o p s and 助w th e y 附 。 m b i刀 曰 . 几眠如s p 即 皮s y 成 e m 6 c al lyin 切 记 uc 七 s s o m e th eo ryof 功 川 t l . ， m s o r l n fo n 娜 at i o nf usi 叽 证 d u de the con c 即t i o 氏 奴 山 e o ry 功 ode l an dthe 切浓1 时 e幼山 功 比cof 面sln 肠n 刀 口 石 o nf 世i o nt e c hao l o gy口 0 。面sb as i s， s ins 心p s i n te grat e dnav i g ation sy st e misr e s e 印 吧 b e dad da n a l 夕 欢 d初thi 刊 ro rr . at i o n佃i on厂 】 1 11 5 p a p 改e 的 北 】 i s h e s th e 功 al 五 e 田 at i 喇 m o d e l ofthe pos i 眨 。 氏阮 5 拌e d 加 t e gr a t edd a v i g 西。 卿 5 玄 翻 ins 困s j g p s ， 幼 d r 已 心 12 亡 d s ins an d gps i n 妞 脚妞 d o . v . g at i 戈u s in g 此 k 吐 m 叨 五 h 运 9 忱 冷 b ” fo gy， f i n al lv，ti 甘 o u ghthe s i m ul 浦one x pe nln e 成 co 川 七 m edthe ap p l i . 吐 。 n 免 韶 i b i l i tyof奴 认 允 训时 沁 n 五 ” 10 ” t ec hno 】 。 盯in阮 访 招 脚妞 d o a v ， ，如。 s y s te m. key. o r ds: 玩 肠 仙. d onf us i o 氏b 妞 歹 的 记n a v i g a t i o 。 ， k 司 m anr 腼 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 。 典 里 一 2 0 0 7 年 7月4日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学 位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 。 名 : 翼立 一 2 0 0 7 年 7 月 4日 硕士论文信息融合技未在组合导航系统中的应用研究 1绪论 1 . 1 选题背景及意义 导航系统是能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、 速度、航向、 姿态等即时运动状态的系统。 导 航与定 位技术是涉及自 动控制、 计算机微电子学、 光 学、 力学以 及数学等多学科的高技术。 随着与日 俱增的公路交通系统的复杂性和拥挤 度越来越高， 交通管理部门 越来 越多的借助于当 今科学的新技术来保障交通疏畅、 改 善 运、 安全， 减少交通拥挤。 其中 计算机、 信息和通信技术越来越广泛的 应用， 这一 新 兴 领 域 被 称 为 智能 交 通系 统 ( i n t e l l i g e n t t r a n s p or t a t i o n s y s t 朗) 。 它 是 未 来 交 通系统的发展方向， 是将先进的 信息技术、 数据通讯传输技术、 电子传感技术、 控制 技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范 围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。当前i ts 的服务领域有: 先进的交通管理系统、 先进的出行者信息系统、 先进的公共交通系统、 先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统、电子收费系统、应急管理系统等。 车辆导航系统是智能交通系统 仃t s) 的关键技术之一，它是借助于人的千预和 通过无线电 通信网络提供的实时通信信息来确定车辆的位置， 进而为下一步行动提供 导航信息的系统。 从第一代导航系统进入市场， 它将航位推算单元与一张地图结合就 能完成定位功能。 到引进全球定位系统和数字化的地图后， 导航系统的精确性得以保 证，同时，随着通信和计算机系统的更新， 路线的计算速率也大大提离。目前，国内 外对于 车 辆导航的 研究主要为: 独 立导 航技术 如 航 位推 算 ( d ead 一 r eck oni 雌) 、 惯 性 导航系统 ( i n e r t i a 1 n a v i g a t i o n s y s t e m ) 、 全球卫星导航系统如美国的g p s( g l o b a l pos i tion s ystem)，以 及地面无线电 定位技术如雷达等。 车辆定位导航的关键在于系统的精度和可靠性， 系统精度取决于传感器的本身精 度， 而传感器的精度提高往往受技术、 成本等因素的影响。 所以目 前广泛采用多传感 器融合的 组合导 航定位系统， 可有效提高导航定 位的精度。 随着微机械、 微系统技术 的发展， 低价位、 精度适中的惯性传感器逐渐民用化， 虽然还不能作为单独的导航定 位系统， 但与g ps等系统集成后可获得广泛的 应用。 另外， 从近期看， 这样一个精确、 可靠的定位系统也是我国目 前正在进行的城市公交系统 ( 城市轨道、 公共汽车) 智能 化管理、 特殊车辆的监控和调度、 公路监测等所必需的。 因此对组合导航技术的研究 无论是从近期还是远期看都具有广泛的应用前景和重要的社会经济意义。 1 . 2 组合导航系统的 研究状况 组合导航系统，是指把两种或两种以 上不同的导航设备以适当的方式组合在一 硕士论文信息融合技术在组合导肮系 统中的应用研究 起， 利用其性能上的互补特性， 以获得比单独使用任一系统时更高的导 航性能。 最早 出 现的组合系统是惯导与多 普勒导 航雷达的组 合， 它用惯导的高精度姿态信息稳定多 普勒雷达的 天线以 提高其测速精度， 而用多普勒雷达长期精度较高的速度信息对惯导 进行阻尼， 以 提高整个组合系统的导航精度。 同 时， 由 于有多普勒速度信息提供的 初 始条 件，在必要时还可对惯导实施空中对准。 也就是说， 在惯导开始通电 1 一 枷1 爪 平台快速整平后，飞行体可以 立即起飞，到空中 再进行对准，以 满足快速反应要求。 在70年代，出 现了 惯导与奥米伽的组合，它解决了 潜艇和核潜艇的 水下导航问 题。 工作波长在甚低频频段( 10kh幻的奥米伽是现有无线电导航系统中电 波能“ 入水”十 余米的 系统， 通过奥米伽定期为 惯导 进行位置 校准， 使得潜艇能 在水下实现隐蔽定位。 天 文导航和惯性导 航都是不辐射任何信号和不受外界千扰的自 主式系统， 两者的组合 有很高的使用价值。 随后出 现了g 飞与罗兰一 c 的组合，由于c 咫和罗兰一 c 都存在 着可用性和完替性问 题， 因此两者的单独使用都没有被认定为终端和航路导航的主用 导航系统。 两者的组合不仅提高了导航精度， 而且， 通过g p s 的时间传通还可同步不 同台链罗兰发射机的发射， 从而使用户能够用不同台链发射的信号进行定位， 大大提 高了 可用性。 此外， 将g ps伪距与罗兰的时差相组合， 还能大大提高高精度定位的完 替性及自主故障检侧和隔离能力。当g 咫出现短暂性能降低时，这种改善尤为明显。 多普勒导航雷达与g ps的 组合系统曾 在海湾战争中经受实战的考验， 证明它是一 种适应性强、 造价低、精度高的自 主式导航系统。它不过份依赖于g 咫，即使在c /a 码的 情况下， 位置精度也高达10余米。这对当前惯导尚未普遍使用的国家有一定的 现实 意义。 随着应用领域的拓展和使用要求的 变化， 当 今和将来的不少应用场合， 两 种系统的组合仍显得力不从心， 尤其是对g p s 的非卫星拥有国， 过份地依赖于它是极 不明 智的。 所以， 在8 0 年代出 现了多于两种导 航设备相组合的多传感器组合导航系 统. 目 前， 倍受世界瞩目 的是 惯导与g 此的组合， 这不仅因为两者都是全球、 全天候、 全时间的导航设备， 而且它们都能提供十分完全的导航数据。 两者优势互补并能消除 各自 的缺点， 使g ps/i阳的 应用越来越广泛。 以 适当的方法将两者组合起来成为一个 组合导航系统， 必定可以 提高系统的整体导航精度及导航性能， 而且使惯导具有空中 再对准的能力。 c 咫接收机在惯导位置和速度信息的 辅助下， 也将大大改善捕获、 跟 踪和再捕获的能力，并且在卫星分布条件或可见星少的 情况下， 不致影响导航精度。 现代导航对系统的 准确性和可靠性提出了 越来越高的要求， 促使导航系统向 高 精 度、综合化、 容错化和智能 化发展: 信息的处理方法也由围 绕单个特定传感器所获得 的 数据集而进行的单一信息处理，向 着多传感器多数据的 信息融合方向 发展。因 此， 如何有效解决 各导航系统存在的技术问题， 开 发一个可长期、 精确、 实时、 可靠工作 的导航系统是目 前研究的热点。 硕士论文信息融合技术在组合导 航系统中的 应用研究 信息融合技术就是在这种情况下 应运而生并迅速发展的，自1 9 73年初次提出以 后， 经历了20世纪80年代初、 90年代初和90年代末三次研究热潮， 最近一次热潮 至今还在延续。 它综合利用来自 不同 信息 源在时间 和空间上的数据信息， 根据一定准 则加以 筛选、 分析和处理， 通过不同系统之间信息的相互协调和性能互补， 克服单个 系统的不确定性和局限性， 得到比任何组成部分更可靠的决策， 从而提高 整个系统的 鲁棒性， 全面而准确地描述被测对象。 各个领域的 研究者们都对信息融合技术在所研究领域的应用展开了 研究， 取得 了一大批研究成果， 总结出了 行之有效的工程实现方法， 认识到信息融合是一门综合 性很强、 实践性很强的 技术， 从目 前的 发展和应用情况来看， 研究快速有效且稳定性 高、 容错性好的信息融合算法具有迫切的重要性。 基于信息融合的导航系统将是组合 导航的研究和发展方向. 1 . 3 研究内 容及章节安排 第一章 介绍车辆导航、 组合导航系 统的概念、 所涉及到的 技术以 及国内 外的发展状 况。以实际项目为背景， 对基于信息融合技术的组合导航系统做了阐述: 第二章 简要介绍了 惯性导航系统和全球定位系统的组合和基本原理; 研究了 51阳 姿态、速度和位置的更新算法: 第三章 论述了信息融合的有关概念和知识， 指出了组合导航系统的发展趋势和信息 融合算法方法， 详细探究了卡尔曼滤波的基本原理， 主要研究sins/gps组合系统的集 中卡尔曼滤波、分布式卡尔曼滤波和自 适应卡尔曼滤波; 第四 章 分析了 s i n s 儿p s 组合导航系统设计的 可行性及组合模式， 并建立了组合导 航 系统的数学误差模型; 第五章 对前面章节所述的 理论进行仿真 研究，分析和验证通过g ps辅助惯性导 航系 统设计的可行性; 第六章 我们对论文的成果进行了总结，井对后续的工作提出津议。 硕士论文信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 2导航定位系统 人类进入20世纪后，尤其是到了20世纪70年代末，在信息技术发展的基础上 形成并陆续投入使用的新的导肮系统混合体，以卫星导 航为核心，把导航覆盖范围、 精度和其他性能提高到了一个新的高度，极大地促进了军用和民用航行事业的发展， 也使导航的作用扩展到社会生活的各个方面， 同时应用于军事领域的导航系统也因具 备了更强的作战功能而更能满足各种军事任务的需求， 成为了各国军队战斗力的重要 组成部分。 目 前在全球范围内，最具有发展前景，导航精度较高的是 g ps 卫星导航系统和 s i n s 捷联惯性导航系统。 尤其是s i ns/gps的组合导航系统， 更是人们目 前及今后研 究的重点。 本文重点 探讨了g ps卫星导航系统、 s i ns捷联惯性导航系统及他们的组 合系统。 2 . i gps 卫星导航系统 2 。 1 . i gps 的发展状况 1 9 7 3年，美国国防部组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统 “ n avi g a t i o ns ate l l i t e t i m 主 n g r a n g i n g 龙l o b a l 阮s i t i o n 主 n gs y s t 印 ，即“ 授时 与 测距导航系统” ， 通常 简称为“ 全球定位系统”( g p s) 。 20 世纪60年代中期， 美 国国防部鉴于早期研制的卫星导航系统的成功及其存在的缺陷， 督促美国海军和空军 研究更先进的卫星导航系统，以 提高导航性能。到70年代中期，美国国防部在各军 中提出方案的基础上，决定发展各军种共同使用的全球定位系统。 全球定 位系统( g ps) 是一种可以 定时和测距的空间交会点导航系统，它可以向 全 球用户提供连续、 实时、 高精度的三维位置、 三维速度和时间信息， 满足军事和民 用 部门 的需要。 它的整个发展可以分为三个阶段: 第一阶段， 原理方案可行性验证阶段。 从1 9 78年到1979年， 发射了四颗试验卫 星，建立了地面跟踪网， 研制了地面g ps接收机， 对系统的硬件和软件进行了 试验。 第二阶段，系统的 研制和试验阶段。 从1 9 79年开始， 在后续五年里，又发射了 七颗试验卫星。 与此同时， 研制了各种导航型接收机和测地型接收机， 试验结果表明 g ps的设计非常成功，定 位精度大大超过了当初的设计 精度。 第三阶段，完善与完成阶段。从1 9 的年到1 9 94年总共发射了2 8 颗工作卫星， 同时研制了高精度导航接收机和能对卫星载波信号进行相位测量的定位极高的接收 机和采用相位差分的c p s 载体姿态测量接收机，满足了 精密导航和制导的要求. 硕士论文 信息触合技术在组合导航系 统中的应用研究 从g 咫计划的提出到该系统的建成使用，历经20余年，耗资数百亿美元，从根 本上解决了 人类在地球及其周围空间的导航及定位问 题. 2 . 1 . z g ps卫星的参考系佣 c s 沼4) 在口5 中， c p s 卫星的 位置是作为己 知的 参数即卫星广播星历和精密星历向 用户 发送的。g ps 卫星的位置的计算，目 前采用的是世界大地坐标系 wgs 一 84伽 orld g e o deti cs yst 翻) 。 札5 一 84 是一 个 地固 坐标 系， 它的 三 个坐 标轴指向 与国际时间 局 (b 工 h)与1 9 8 4 年定义的地球参考系( bts 一 84) 完全一 致， 只是坐标原点略有偏离。 为了 在实际中 与b t s 一 8 4 完全一致， 通过海军导航卫星系统( n n s s)在坐标原点、 尺度因子、 经度零点等定义上对乳5 一 84 做了 一系列修改，所以切 g s 一4可以看成是国际协议地 球坐标系( c t 动的一个实现。 札5 一 54是目 前最高精度水平的 全球大地测量参考系统。 2 。 2 . 3 g p s 的定位原理 g ps 系统的定位过程可描述为: 围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经 过编码调制的连续波无线电 信号， 信号中 含有卫星信号准确的发射时间。 以及不同的 时间卫星在空间的准确位置( 由卫星运动的星历参数和历书参数描述) ; 卫星导航接收 机接收卫星发出的无线电信号， 测量信号的到达时间， 计算卫星和用户之间的距离: 用导航算法( 最小二乘法或滤波估汁方法) 解算得到用户的位置。 g ps系统是由美国d od( 国 防部) 设计的卫星无线电 导航系统。 gps 系统是一个扩 频c d 撇( 码分多址) 系统，系统信号通过传播双通道朋c p ( 右手极化) 调制信号，其两 个通道 信号载波中频分别处于li( 1 . z gh幻和lz ( 1 . 6 ghz)。因为 在li，lz波段上受 大气层的吸收的影响很小，而且扩频信号的设计使其具有很高的抗千扰能力， 所以 g ps系统具有全天候工作的能力。 c 咫信号到达地球表面时，信号功率很小，一般在 1 60dbw 左右，系统工作原理是基于l os( 视线自 通) 方式。卫星空间站通常包括24颗 卫星平均分布在与赤道夹角为55度的六个轨道面上。卫星运行在离地面20，0 o 0 公 里的 近地环球轨道上，通常周期小于12个小时。为了保证在地球表面上任何时候任 何地点的g ps用户能同时观测到4 颗卫星， g ps卫星系统要求最少同时有21颗卫星 正常工作。目 前， g p s 空间 站己 经包括有27颗卫星， 通常地面用户在非遮挡的 情况 下能同时观测到7 颗以上的卫星。 c p s 以 距离作为基本的 观测量， 采用多 星、高 轨、 测距的模式， 通过对四 颗卫星 同时 进行测量距离， 解算出 接收机的 位置。 硕 士 论文信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 图2 . i g ps定 位示意 如上图21 ， 装 图 在载体上的接收机， 同时 测定 至4 颗卫星的距离， 方法是测量卫星发 射电 波至接收机接收到电波的时间差 r ， 乘以 光 速c ，求 得距离 洲 = 丫， c(t. 一 动村鱿 ， 即 p = c x r = c 斌 (t，一 心 )( 2 . 1 ) 式中 ，t， 为 接收 机的 时 刻 ， t， 为 卫星 发 射电 波 的 时 刻. g 咫统一采用原子钟 系统， 由 于卫 星钟和接收机时 钟于g ps原子钟不同 步， 存在 时 钟 差. 设 它 们 分 别 为戈与 鱿 ， 实 际 测 得 的 时 间 差 包 含 有 时 钟 差 的 影 响 ， 因 此 实 际 测得的时间为: 扩 = (tr+ 鱿) 一 (t，+ 从)( 2 . 2) 实际的卫星时钟差有g ps地面检测系统测定， 并且 通过导 航电文 提供给用户， 所 以 认为 是已 知的，因此已 经考虑了 卫星时钟差影响 在内 的实际测得的距离应为: 夕 = “ = c (t.一 t， ) + 山 卜 = 户 + c 鱿( 2 . 3 ) 因为实际得到的 距离 观测值洲中包含了接收 机时钟 差引 起的误差， 并不是 地面 接 收机到卫星的真正距离p， 所以 一般将用户 得到的 距离测量值称为伪距测量值。 一 般 得 到 用 户 到 卫 星的 真 正 距 离p 的 基 本 几 何 原 理 为 三 球交 会 原 理 。 如 果 用户 到 卫 星51 的 真 实 距 离为 凡 ， 那 么 用 户的 位 置必 定 在 以凡 为 球 心 ， r为 半 径的 球 面q上 : 同 样， 若 用 户到 卫 星凡的 真 实 距 离凡， 那 么， 用 户 的 位 置 也 必 定 在 以凡 为 球 心 ，凡 为 半 径 的 另 一 球 cz上 ， 用 户 的 位 置 既 在球 q上 ， 又 在 球q上 ， 那 它 必定 处 在q和 q 这 两 球 面 的 交 线石 上 。 类 似 地 ， 如 果 再 有一 个以 卫 星凡 为 球心 ，凡 为 半 径 的 球q， 那 用 户 的 位 置 也 必 定 在 q和几这 两 个 球 面 的 交 线乓 上 。 用 户的 位 置既 在入 上 ， 又 在 公 交 线乓 上 ， 它 必 定 在 交 线 入 和几 的 交 点 上 ， 一般的用户 很难得 到足够精度的接收机时 钟差， 可以 把它作为一个未知参数， 连 同 用户的位置坐 标， 总 共四 个未知数， 在四 个联立方程中一 起解出。 参 照前面的 三球 交 会原理及空间点 距离公 式， 将(2 . 3) 式改写 为 户j(x一 x，)2 +( 卜口十 (z 一 z) ， 十 咚(2 . 4) 式 中 ， 凡， 巧 ， 凡表 示 第j 颗卫 星 在 地 球 坐 标 系 中 的 直 角 坐 标， 它 们 可以 利 用 卫 星 发播的导 航电 文中 给出 的卫星位置 信息 计算得到， 所以 可以 认为是己 知量。 而x ， y，z 硕 士 论 文信息触合技术在组合导航系统中的应用研究 为 用 户 的 接 收 机 在同 一 坐 标系 中 的 位 置 坐 标 ， 与杯都 是 未 知 量。 要 联 立 四 个 方 程 解 四 个 未 知 量， 须 对四 个 卫 星 进 行 同 步 观 测 ， 获 得四 个 伪 距 观 测 值马 口= 1， 2 ，3 ， 4)。 通 过解方程 组就可以 得到用户的 位置( x ， y，z ) 和时钟差匀 . 2 。 2 2 . 2 1 s i ns 导航系统 系统简介 惯性导航系统是一个基于加速度二次积分的航迹推算系统， 在给定初始状态和进 行初始对准之后，就能够完全自主地进行导航定位。它是一种自主式的导航系统， 可 以 不需要 外界设备的辅助， 就能够自 主地提 供位置、 速度、 姿态等导 航信息， 数据更 新率高， 实时性好， 能够在短时间内保持较高的导航定位精度， 在军事上应用非常广 泛. 这种系统的缺点就是导航参数的误差会积累， 随着时间的增长导航精度逐渐降低， 因此， 实际 应用中 一般利用 组合导 航等提供的 外部相关信息进行修正， 定 期更新系 统 以保证必要的导航精度。其构成硬件主要是陀螺仪和加速度计. 惯性导 航系统包含两大 类: 平台式惯导系 统和捷联式惯导系 统。 平台 式系统具 有 自己 的 硬件平台， 而捷联式 惯导 系统则是把惯 性仪表直接固 联在载体上， 利用计算机 来完成导 航平台 功能的 惯性导 航系统， 即 “ 数学 平台， 。 数学平台就 是利用捷联陀 螺 测量的 载体角速度计算姿态矩阵，从 姿态矩阵的元素中提取载体的姿态和 航向信息， 并用姿态 阵把加速度计的 输出 从载体坐 标系 转换到导航坐标系， 然后进行导航计 算。 由 于载体的 姿态方位角 速率较大， 所以 姿态矩阵 的实时计算对计算机的要求较高， 这 也是捷联式惯导系统的主要关键技术之一。 2 . 2 。 z s i n s系统原理 用 捷联 式 陀 螺仪 测 量 的 角 速 度碟和 计 算 机计 算 的 角 速 度可来计 算 导 航的 姿 态 矩 阵c:， 然 后 从 姿 态 矩阵 的 元 素中 提 取 机 动 载 体 的 姿 态 和 航向 信息 ， 井 把 加 速 度计 测 童 的 比 力 信 息户用 伴进 行 变 换 ， 得 到 了 ， ， 最 后 进 行 导 航 计 算。 图2 2 就 是 指北 方 位惯导系统原理图。 硕士论文信息融合技术在组合导航系统中的 应用研究 图2 . 2 捷联惯导系统原理图 2 . 2 。 2 ， 1 捷联惯导算法微分方程组 ( 1)姿态更新四元数微分方程 、 = 告 、 喊 一 告 叹 、 ( 2 ， 5 ) 式( 2 . 5 ) 中 = 叱+ 略 二 c雌 二 00气 f ( 2 . 6 ) ( 2 ， 7 ) ( 2 . 8 ) l 凡 + h 、 = 1 一 左左 l心为 左恤l 凡凡+ h (2， 功 沪 凡 一一 ，t.卫.吸j 略哈哈 一 匕， tanl。 凡+ h 尸.盈件.，卫1一.!一 - r ，毛.ij 式(2 . 7) 中c:是 位 置 矩阵 的 转 置 ， 式(2 . 8) 中 气是 地 球的自 转 角 速率 ， 式(2 . 9)中 fc为 和地球主曲率半径有关的矩阵，沪为导 航系的对地运动速度，即地速。 (2 ) 速度更新微分方程 护， 刀+ 扩一 ( 山 二 十 2 卜俨 式( 2 . 1 0)中 ( 2 。 1 0 ) 硕士论文信息 融合技术在组合导 航系统中的应用研究 寿二 心 寿 9 ” = 00一 g l r ( 2 . 1 1 ) ( 21 2 ) ( 3 ) 位置更新微分方程 l二 哈 rm 十 h ( 2 . 1 3 ) 兑 = 址5 毗 凡 + h ( 2 。 1 4 ) ( 2 . 1 5 ) 2 ， 2 。 2 . 2 姿态更新算法 由 姿态更新四元数微分方程直接写成数字递推的形式得: 蚁 留 卜吹 摆 。 喊 二 瞬 盘 .，(2 . 1 6) 式( 2 . 1 5 ) 中 嘴 川 ; 是 、 时 刻 从 b 系 到 ， 系 的 变 换 四 元 数 ， 称 、 时 刻 的 姿 态 四 元 数 ， 简 记 为 呱 卜 1， ; 蚁 渭是 时 刻 的 姿 态 四 元 数 ， 简 记 为 呱 ， ) ; 心 思 1 是 以 系 为 参 考 坐 标 系 时 ， ， 系 从 一 ， 时 刻 到 的 变 换 四 元 数 ， 它 的 计 算 和 呱 (t)有 关 ; 吹 招 产 是 以 1 系 为 参 考 坐 标 系 时 ， b 系 从几 _ 。 时 刻到 爪 的 变 换 四 元 数 ， 它 的 计算 和叱(t)有 关 。 (l)吠 黔， 的计算利用导航坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度 嵘(t)(t。 t 气 )，记n 系 从 气 、 时 刻 到 唁 的 转 动 等 效 旋 转 矢 量 为偏， 则 有: 氛 = 仁 (t) dt(2. 17 ) 式(2 . 1 6)中 积 分记 号 含义 是以 虱代 表呱(t)从t 卜 ， 时 刻 到偏 时 刻的 转动， 和 角 增量 有区别， 以 后如没作特别说明， 角速度矢量的积分具体表示什么 含义， 可根据上下文 加 以 区 别 . 取 (t) 时 间 中 点 处 (琴扣 记 为 弓. 由 式 ( 2 . 1 6) 有 : 2 一 吴 唤“ 吸十 气俨 (t) ( 2 . 1 8 ) 式 (21 7) 中 . 和凡. 均 是 位 置 的 函 数 可 由 位 置 作 线 性 外 推 估 计 得 到 ， 即 : 叭cos l i 份 飞 、 sin 、 : 工 ( 2 . 1 9 ) 气r料l 屹气 式 2 8) 中 由 蝙和 与 对 认作 线 性 外 推 估 计 得 : 气 号 = 一 1 ， ，。 、 3，1_ + 彭 知一 、 一， j “ 万 、 一 ， 一 三 、 一， ( 2 . 2 0 ) 硕士论文信息融合技术在组合导 航系 统中的应用研究 l 气十 从 l 气+ 从 一卫 一颇l。 气+ 气 谁 吠 ( 2 . 2 1 ) 气 式( 2 ， 加) 中 气“ “ (1 一 ze 十 “ 气 气 rji + sinz 气 所以 式(2 . 1 6)可近一步计算为: 佘化 吻) 一 几 吸+ 气 俨 (t)of = 吸兀 + fc.几 (tp “ 吸几 十 fc.鳄 式(2 . 2 3 ) 中 由 从二 _ 2 和战二 _ : 对从: 作 线 性 外 推 估 计 得: 破 = 嘿_ ， +( 从二 ， 一 嘿一 2 ) = 2 鳄。 一 从众 2 ( 22 2 ) ( 2 ， 2 3 ) ( 2 . 2 4 ) 公 黔， 的 计 算 利 用 载 体 坐 标 系 相 对 于 惯 性 坐 标 系 的 转 动 角 速 度 叱 (t)， ( 2 . 2 5 ) 它即是陀螺 测 量 到 的 角 速 度 记。 。 是从t. _ ， 时 刻 到气 时 刻 载 体 坐标 系相 对 于 惯 性坐 标系 的 等 效 旋转矢量，即: 气= 几叱 (t )dt ( 2 . 2 6 ) 若采用角增量二子样算法，则有: 2， *，、 甲 =仃+一毛 伐 x认 ， 3- (2. 27) 计 算出孔和。 ， 后 利 用式(2 . 5 口 “ 只 十 凡 3) 可 分 别 得 到 吠 思 1) 和 欲 招 产 ，完成姿态更新。 2 。 2 . 2 . 3 速度更新算法 从 惯导基本方 程式( 2 . 1 。 ) 得: 哈= 咬 一 十 v;.+ 咋 式( 2 . 2 7 ) 中 ( 2 . 2 8 ) = 几喘f;.(t) dt 曦习乙 q 渭 f.( 叫 = 乙 、 几- ( 吹刁 几心 肠 )心 备 甲 心 川 )发(t )dt + 2 咬. ) 、 嵘 一 ，几 ( 2 . 2 9 ) ( 2 . 3 0 ) ， 1 0 . 硕士论文信息融合技术在组合导 航系统中的应用研究 愕 备 的 计 算 和 弓(t)有 关 ， 从 乍 。 时 刻 到 时 刻 叱 (t) 变 化 比 较 小 ， 所 以 取 偿 昌 中 间 时 刻 的 值 忌 ，代 ， ， 贝 。 式 (2 . 28 ) 写 志 胃心 岔 刁 )f;.(t 冲一 瞩 )心 备 v几心 爵 ，友(t ) dt(2 ” ) = 奋 咖、 二 丢 几 吃 万一 ( 2 . 3 2 ) 则由式(2 31) 得: 二 了 一 ( 孔x) ( 2 。 3 3 ) 所以式( 2 . 2 8)变为: 咬 一 ( 1 一 愧、 )心 备 甲 j 乙 嗡一 ，竣(t ) = (1 一 (几 x 呱， .， 嗡( 2 3 4 ) 式( 2 . 3 3 ) 中 彻 扮 一 犯嗡一 及(t) dt ( 2 ， 3 5 ) 其计算可以用各种增量算法解决，从而完成速度更新。 2 。 2 . 2 . 4 位置更新算法 直接从位置更新微分方程获得位置更新一阶近似算式: “ “ 一 斌 沃 : “ 一 ha 玉 杀 瓦 二 。 与 气= 气 一 ， + 昭 叫 或 者由 于 解算气 时 刻的 速 度弓已 经从 速 度更 新 中 计 算出 来， 的 平 均 值 全 (、 一 十 、 ) 计 算 更 合 理 些 ， 因 此 有 : “ “ !储杀 万 v;-_ + 咬 人 = 气+ 二下甲.二 于 贾戮 气一 欲 凡妇十 乍1) 、 = 、 一 + 告 (它 + 咬 ) ( 2 . 3 6) ( 2 . 3 7 ) ( 2 . 3 8 ) 位置更新中采用速度 ( 2 。 3 9 ) ( 2 . 4 0 ) ( 2 . 4 1 ) 到此完成位置更新. 硕士论文信息融合技术在组合导航系统中的 应用研究 3组合导航系统中的信息融合 3 . 1 信息融合的概念 随着微电 子技术、 信号检测与处理技术、 计算机技术、 网络通信技术以 及控制技 术的飞速发展， 各种面向复杂应用背景的多传感器系统大量涌现。 在这些多传感器系 统中， 信息表现形式的多样性， 信息数量的巨大性， 信息关系的复杂性，以 及要求信 息处理的 及时性、 准确性和可靠性， 使利用计算机技术对获得的多 传感器信息在一定 准则下加以自 动分析、 优化综合以 完成所需的 估计与决策一即多传感器信息融合技术 得以迅速发展。 信息融合又可称作多传感器融合(msf 一 枷l t i 一 s e nsor凡5 1 佣) ， 根据国 外研究成 果， 信息融合定义可概括为: 利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息 在一定准则下加以自 动分析、 综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过 程。 按照这一定义， 多传感器系统是信息融合的硬件基础， 多源信息是信息融合的加 工对象， 协调优化和综合处理是信息融合的 核心。 信息融合是将不同来源、 不同模式、 不同媒质、 不同时间、 不同地点、 不同表示 形式的信息进行综合， 最后得到对被感知对象的更精确描述。 融合多传感器的信息可 以 得到单个传感器难以得到的 性能。 信息融合的功能 特点可以 概括为: 提高信息的可信度和目 标的可探测性， 扩大时 间和空间搜索范围，降 低推理模糊程度，改 进探测性能， 增加目 标特征矢量的维数， 提高空间分辨率， 增强系统的容错能力和自 适应性， 使信息获取时间缩短， 加快了处 理速度，从而提高整个系统的性能。 3 。 2 信息融合技术的发展 信息融合是近十年发展起来的 信息处理技术， 它是将各种途径、 任意时间和任意 空间 上 获得的 信息作为一个整体进行综合分析处理， 为决策及控制奠定基础。 人类在 社会实践中， 一直都在自 觉或不自 觉地将各种信息进行综合处理， 但将信息融合作为 一 种专门 技术进行研究的时间并不 长。 最初信息融合技术是为满足战争的需求而发 展 起来的， 目 前军事领域仍然是 信息融合的最大应用领域， 也是发展最快的 领域。 信息 融合又 称数据融合，首先提出 数据融合一词的 是美国。早在1 9 7 3 年，美国 研究机构 就在国 防部的自 主下开始了 声纳信号理解系 统的 研究， 数据融合技术在这一系统中 得 到了 最早的体现。1 9 8 4年，美国国防部成立了数据融合专家组，指导、组织并协调 有关这一关键技术的系统性研究。1 9 88 年以 来，美国国防部把信息融合列为重点研 究的2 0 项关键技术之一， 此后， 发达国家纷纷开展信息融合系统的 研究， 相继出 现 。 1 2. 硕士论文信息融合技术在组合导 航系统中的应用 研究 了几十个实战型军用信息融合系统。 早期着重于研究增强计算能力， 有效的联合数据 和改进传感器群的性能， 并且主要是基于军事应用; 随着计算机技术、 通讯技术的发 展， 它得到了 惊人的发展， 并开发出了一些实用的系统， 如预普系统、 武器系统的指 挥和控制、 情报保障系统、 军事力量的评估和指挥系统等， 这些成果在海湾战争中得 到t 很好的 验证。目 前，除t 一些军事系统c 3 i( c n d ， c o n t r o l ， c o llnnu n i c a t i o n a n d lnfo皿 tio n)， 它也成功的应用于机器 人、自 动化生 产、 遥测遥感、多目 标跟踪 和导航等非军事领域。 我国在这一方面的研究起步较晚， 很多还处于研究阶段， 但在 智能移动机器人、 防灾信息综合系统以 及各种军用信息融合系统研究方面也有了 很快 的发展。 3 . 3 信息融合系统模型 3 . 3 . 1 信息融合系统的一般设计步骤 用系统工程的方法设计信息融合系统， 通常可分为四层( 图3 . 1 ) : 第一层对目 标、 环境以及约束条件进行需求分析， 综合分析结果， 得出融合系统的可操作性结构: 第 二层系统设计， 确定融合树结构: 第三层则对其组成部件， 即融合节点进行分析及处 理: 最后一层对每个节点的需求模式进行分析， 基于给定条件， 根据应用经验和分析 结果， 选择适当的算法。 在每一层中，需求分析使得各层功能进一步细化， 而性能评 估可对层次分析结果进行评价，以便进一步分析、 细化， 如此反复最后得到满足性能 要求的结果。 厂一一一一汤 俞丧 云面一一一一一 图3 . 1 信息融合系统设计步骤 硕士论文 信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 3 . 3 . 2 信息融合的功能模型 信息 融合是一 个逐层 抽象理解的过程，先由 底层传感器接收目 标及环境信息， 完 成底层 融合， 产生较 抽象的信息并传 往高 层， 最终至用户处理层。 近二十 年来， 人们 提出 多 种信息融合模型。 如uk情报环、 b oyd 控制回路( ooda环) 、 j dl模型、 爆布 模 型、 d asarath y 模型， 其中心思想都是在 信息融合过 程中 进行多 级处理。 信息 融合系统的一 般性功能框架如图3 . 2 所示。 为了 更加精确、 全面地完成对目 标定位、 特征估计， 从而 更确切地提 供局 部和全局的 态势和威胁估计， 资源的管理是 融合系 统必不可少的 部分， 它对资 源的合理 调度和科学配置起着重要作 用， 从而构成 了 信息融 合的闭环功能框架， 包括信息获取、 融合、 专家干预、 任务计划的形成、 传 感器管理及执行控制。 。 ， 处 理! 一 。 处 。 二 。 。 。 三 。 处 理 套金牛套 二 翻 处 班 口 孩 处 理 传 璐 . j 拍 岛 肠 牛 ， 。 。 ， ， 、 。 。 。 ， 1! 晌应技翻 盛 . ， 理 今今今十专十 门曰川川川曰日曰 图3 . 2 信息 融合的功能 模型 3 . 4 信息融合系统的结构 融合系统的 体系结 构分 类很多， 但从中 抽象出的处理过程却都是 一样的，即 信号 级、 特征级以 及决策级融合( 如图3 ， 3)， 这种 基于融合水平的分级并不是严格意 义下 的固定 格式， 在许多实际应用中， 都可以 进行前后 级交叉结 合处理。 并娜妞招 图3 . 3 信息 融合一般过程 在信息融合理论中，组合导 航系 统的多传感 器信息 融合属于位置和属性的融 合， . 1 4 硕士论文信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 它位于信息融合系统的最底层，是根据系统的物理模型( 状态方程和观测方程描述) 和系统 模型 及传感器的 噪声的 统计 假设， 将观测数据映射到 状态 矢量空间。 其中状态 向 量包 括一 组导航系统的 状态变量， 如位置、 速度、 角速度、 姿态和各种失调偏差量 等等。 3 . 5信息融合理论算法 信息 融合中 数学工具的功能是 最基本和多重的， 作为一种智能化数据综合处理技 术， 数据融合是许多 传统学 科和新技术的集成与应用。 广义的数据融合涉及检测技术、 信号处理、 通信、 模式识别、 决策 论、 不确定性理 论、 估计理论、 最优化理论、 计算 机科学、 人工 智能和神经网 络等诸多学科。 随 着信息融合技术的发展， 不少应用 领域 的研究人员 根据各自的 具体应用背景， 已 经提出 了许多比 较成熟的融合 方法， 如加权 平均可用于 求冗余信息的 平均值: 利用统计决策理 论根据噪声的概率分布建立传感器 噪声模型:利用贝叶斯估计基于概率理论规则把传感器信息结合起来: dempste 卜sha fer 证据推理可用于扩展贝 叶斯估计; 在不知 道传感器特性的 情况下， 可训练一个神 经网 络融合 传感器; 还有多传感器数据融合kal 咖 滤波等。 这些融合 方法有利于改 进、 提高 智能监 测系统的性能。 ( 1) 加权 平均信息融合 方法 信号级融合的 最简单、 最直观 方法是 加权平均， 该方法将一组传感器提供的冗余 信息进行加 权平均， 并将结果 作为融合值。 另外还 有在最小均方误差、 最小二乘和极 大似然等最 优条件下， 根据各 个传感 器所得到的测 量值以自 适应的方式寻找其对应的 权值， 使融 合值 达到最优的自 适应加权融合算法。 ( 2) 贝叶斯 估计信息融 合方法 贝 叶斯估计是 融合静 态环境中多传感器底层信息的常 用方法。 它使传感器信息依 据概 率原则进行则 和， 测量不确定 性以条 件概率表示。 贝 叶斯推理方法解决了 传统推 理方 法的 某些缺点， 它把每个传感器看作是一 个贝 叶斯估计器， 用于将每一个目 标各 自 的 关联概率分布 综合成一个联 合后验分布函 数， 然后随观测值的到来， 不断 更新假 设的 该联合分布的 似然函数的极 大或极小值进行信息的最后融 合. 它的主 要缺点 是: 定 义先验似然函数比 较困难: 当有多 个可能的 假设 和多 个条件相关事件时， 计算复杂: 要 求对立的假设彼此不相 容，无 法分配总的不确定性。 ( 3) 统计决策理 论信息 融合方法 在系统决策分析中， 先讨论单 个传感 器的决 策分析， 单个传感器接收的 观测量通 过决 策规则得到对目 标分 类决策的 估计， 经过多次 接收判决后， 得到对目 标分类判决 的多 个估计值， 将这些估计 值送 到融合中 心， 可得到最终的 决策。 若多个传感器的两 侧是 各自 独立的， 每个传感 器都 分别作出各自 的子决策， 然后将它们送入融合中 心， . 1 弓- 硕士论文 信息融合技术在组合导航系统中的应用研究 得到最终的决策。 ( 4 ) d e 呻s t e r 一 s h a f e r 证据理论 d 卿 st er 一 shafer证据理 论是一 种不精 确 推 理理论， 是贝 叶 斯 方法的 扩展， 贝 叶 斯方法必须给出先