卡尔曼滤波与组合导航-第1讲(第一章绪论).ppt

卡尔曼滤波与组合导航原理,房建成教授,主讲：,TheoryofKalmanfilterandIntegratedNavigation,fangjiancheng,EMAIL：,2,课程安排,学时:32学时上课时间:1-11周考试方式:平时+笔试参考书目:卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元惯性导航初始对准，房建成GPS动态滤波理论、方法及应用，房建成航天器自主天文导航原理与方法，房建成,3,课程的主要内容简介,第一章绪论第二章几种最优估计方法第三章卡尔曼滤波原理第四章惯性/卫星组合导航系统技术第五章最优滤波在惯性/卫星/天文组合导航系统中应用第六章惯性导航初始对准技术第七章组合导航技术在机载SAR运动补偿中的应用,4,第一章绪论,1.1课程目的意义1.2课程的主要内容和范围1.3卡尔曼滤波理论的发展和工程应用1.4组合导航简介,5,1.1课程目的意义,飞机,空间站,导弹,舰船,卫星,月球车,意义：导航技术是航空航天的共性关键基础技术！,6,JDAM低成本制导武器,精确打击-现代战争的主要手段！,弹道导弹,远程空空导弹,舰空导弹,精确打击,重大需求牵引导航技术与时俱进,7,国家中长期发展规划16个重大专项之一!,美无人侦察机“全球鹰”在执行任务,侦察卫星,机载高分辨率SAR及其运动补偿系统,重大需求牵引导航技术与时俱进,对地观测,8,重大需求牵引导航技术与时俱进,载人航天与探月工程,9,重大需求牵引导航技术与时俱进,二代卫星导航系统与大飞机,10,1.1课程目的意义,教学目的：深入学习和研究导航系统的新理论，新方法和新技术，重点学习组合导航技术以及导航多传感器信息融合技术学习和掌握组合导航技术的理论基础最优估计理论和方法（主要是卡尔曼滤波技术）为学习和研究现代导航理论和导航技术打下基础,11,1.2课程的主要内容和范围,1、为什么要学习组合导航,组合导航,何为导航？与制导什么区别？有哪些导航技术？为什么要组合？如何进行组合？,12,1、为什么要学习组合导航？,引导载体从出发点到达目的地的技术和方法提供载体的导航参数，位置、速度和姿态,（1）何为导航？,（2）与制导什么区别？,制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到达目的地的技术和方法,13,制导系统（GuidanceSystem）原理框图,运动参数,导航系统,飞行控制计算机,执行机构,控制指令,舵偏角,航迹规划,14,（3）导航技术发展历史,15,天文导航航海、航天惯性导航与惯性器件水平有关无线电导航卫星导航推算导航速度和航向地形、景象匹配导航物理场匹配导航,（4）目前有哪些导航技术？,16,陀螺仪:定轴性进动性,惯性导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,加速度计,矢量,矢量,在哪个坐标系里计算?如何确定坐标系?,17,惯性仪表分类,（5）各种导航技术的特点？,惯性仪表,18,（5）各种导航技术的特点？,超导磁悬浮陀螺,超导磁悬浮陀螺仪的特点：精度最高的陀螺仪，达10-11o/h使用寿命长应用于科学实验主要研究内容和关键技术包括：新型高温超导材料技术磁悬浮支承系统设计方法及控制理论超导陀螺仪信号检测方法,美国STANFORD大学研制超导陀螺,精度达10-11/h,验证爱因斯坦相对论,19,（5）各种导航技术的特点？,微机电(MEMS)惯性器件,美国Draper实验室研制的MEMS陀螺仪精度以达1/h,美国AD公司研制单片集成的微陀螺仪，年产量数百万只,Honeywell公司分辨率50g谐振式加速度计,AD公司研制三轴单片集成的微加速度计,20,（5）各种导航技术的特点？,高精度光纤陀螺陀螺精度国内最高零偏稳定性0.02o/h(1）标度因数非线性50ppm动态范围：300/s工作温度：-40C+60C,轻小型三轴光纤陀螺国内最小、最轻的三轴组合重量:800g,小型中精度光纤陀螺零偏稳定性0.2o/h(1）标度因数非线性100ppm动态范围:500/s重量:200g,北航现有先进惯性仪表光纤陀螺,21,（5）各种导航技术的特点？,光纤陀螺特点：精度高响应速度快动态范围大主要研究内容和关键技术包括:新型高稳定光纤光源技术全数字信号检测技术误差机理及建模补偿方法光纤陀螺可靠性设计方法,法国IXSEA公司研制的高精度光纤陀螺精度为0.001/h,美国LITTON公司正在研制战略级光纤陀螺精度达10-4/h量级,高精度光纤陀螺,22,（5）各种导航技术的特点？,惯性执行机构（磁悬浮惯性动量轮）,MSFW-15-C,MSFW-20,MSFW-25-B,MSFW-25-A,MSFW-50-A,MSFW-150,高性能磁悬浮反作用飞轮正在进行工程化(1280万)应用于风云四号卫星,23,（5）各种导航技术的特点？,惯性执行机构(磁悬浮控制力矩陀螺),磁悬浮控制力矩陀螺SGCMG-I（2000.10）,磁悬浮控制力矩陀螺SGCMG-II（2001.2）,磁悬浮控制力矩陀螺SGCMG-（2002.4）,磁悬浮控制力矩陀螺SGCMGIV（2002.8）,磁悬浮单框架控制力矩陀螺SGCMG-V（2003.8）,磁悬浮单框架控制力矩陀螺SGCMG-（2004.11）,即将进行工程化应用于载人航天二期(1100万),24,惯性导航误差特性,（5）各种导航技术的特点？,惯性器件常值误差,安装误差,标度因数误差,随机常值,白噪声,与加速度有关误差,一阶马尔可夫过程,位置误差速度误差姿态误差,随时间积累,25,惯性导航特点,（5）各种导航技术的特点？,自主性强,短时间精度高,连续提供位置、速度、姿态,误差随时间积累,价格昂贵（精度越高，价格越贵）,26,惯性导航技术发展历史,27,美国Draper实验室对当前陀螺仪发展现状分析,惯性导航技术现状,28,美国Draper实验室对2020年陀螺仪发展趋势的预测,惯性导航技术发展趋势,29,无线电导航技术基本原理,（5）各种导航技术的特点？,30,无线电导航技术卫星导航技术,（5）各种导航技术的特点？,无线电导航受区域限制,80年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）,美国GPS-GPX俄罗斯GLONASS北斗双星伽利略,31,卫星导航技术误差特性,（5）各种导航技术的特点？,时钟误差,星历误差,大气层误差,电离层延时误差,多路径效应,随机性误差,32,卫星导航技术特点,（5）各种导航技术的特点？,精度高，误差不积累,全球，全天时，全天候,接收机价格便宜,成本昂贵，不为我国所有,不能输出姿态信息,输出不连续,33,天文导航古老而又年轻的导航技术天文导航是一种利用光学敏感器测得的天体（月球、地球、太阳、其他行星和恒星）信息进行载体位置计算的定位导航方法。,（5）各种导航技术的特点？,完全天文定位导航基于航天器轨道动力学方程的定位导航,34,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理即通过观测不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天体投影点为圆心，各观测天体高度为半径画天文位置圆，并求其交点来确定舰船的位置。,获得高精度的天体高度和确定天体投影点是舰船天文导航的关键。,35,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,要通过天文观测获得舰船的位置，包括三个基本步骤：1.测量两个或更多天体的高度或顶距。2.得到观测时刻的每个天体投影点的位置。3.依据天体的高度或顶距和天体投影点求得舰船位置。,36,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,天体高度：六分仪观测天体与水天线之间的夹角,H为六分仪观测天体与水天线之间的夹角，称为天体高度。,37,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,天体投影点GP：天体到地心的连线与地球表面的交点,一个天体的高度和顶距取决于测者和天体投影点GP之间的距离。,38,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,等高圆，位置圆：对于一个给定的天体高度，有无数位置点到天体投影点GP的距离相等，这些点在地球表面形成一个圆心位于C和GP连线上的圆周，该圆周被叫做等高圆。等高圆包含了无数可能的位置点，因此也被叫做位置圆。天体的方位取决于测者在等高圆上的位置，范围0360。,39,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,每测量一个天体的高度或顶距时，必位于以该天体投影点GP为圆心，以“r”为半径的等高圆上，但是我们不能确定位于等高圆上的哪一点。继续观测第二个天体，得到另一个等高圆。这两个等高圆在地球表面上相交于两点，其中一点就是我们的位置所在,40,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理,如果有其他附加信息，对现在位置的大概估计，如利用指南针测得的相对天体的方位，就能知道“Pos.1”和“Pos.2”中哪个点是我们的真位置。此外，要消除模糊度也可通过观测第三个天体，因为理论上三个等高圆相交只有一个交点,41,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,空间天文导航基本原理纯天文几何解析法同轨道动力学相结合,航天器完全定位示意图,本方法利用天文量测信息，根据探测器与天体间的几何关系，通过几何解算即可得到深空探测器的导航信息,42,（5）各种导航技术的特点？,完全自主,误差不积累,不仅可得位置信息、还可得到姿态信息,定位精度不够高（与敏感器精度有关）,输出信息不连续,随机性误差,天文导航的特点,43,天文导航的历史,从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记录；1731年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展成了六分仪；,六分仪,天文钟,1735年约翰哈里森天文钟；1837年美国船长沙姆那发现等高线，可同时测经纬度；1875年法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天文导航重要基础；二十世纪中叶，1950年后，随着载人航天技术的发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿波罗登月，前苏联空间站。,44,天文导航发展现状,45,典型自主导航系统定位精度比较(根据FrankTai,PeterD.Noerdlinger),定位精度(米，1),年份,BLOCK,BLOCK,GPS,MANS,地平扫描仪,星光折射及空间六分仪,天文导航发展现状,46,纯天文几何解析导航方法快速纯天文几何解析法及基于新型测量原理解算方法。基于轨道动力学的天文导航滤波方法三个方面：,新型的天体敏感器技术；系统方程的精确建模及先进滤波技术；新原理、新方法高精度天文导航系统。,天文组合导航系统天文组合导航方法及系统的精确建模技术。,天文导航发展方向,北航研制CMOS恒星敏感器,47,推算导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,计程仪或里程表,罗盘或单轴陀螺,司南,指南车,记里鼓车,48,推算导航特点,（5）各种导航技术的特点？,自主,结构简单，成本低,误差积累太大，限于要求不高的场合,49,各种导航技术各有优缺点；单一的导航系统已难以满足航空航天的要求；应用卡尔曼滤波技术，把两种或多种导航系统组合起来，互相取长补短，获得最好的效果。发展方向是导航多传感器信息融合技术（联邦）目的是进一步提高精度和可靠性,（6）小结为什么学习组合导航？,50,如何对付随机误差,2、为什么学习卡尔曼滤波？,各种导航系统的都有随机误差,最小二乘法,线性最小方差估计,极大验后、贝叶斯、极大似然估计,维纳滤波,卡尔曼滤波,最优估计方法,1、算法是递推的2、能处理多维和非平稳随机过程3、离散算法可直接在计算机上实现,51,1.3卡尔曼滤波理论的发展和工程应用,一、几个概念,随机信号处理估计，最优估计（有一定条件，一定准则）根据不同准则，可获得不同最优估计,贝叶斯估计使贝叶斯风险达到最小的估计,52,一、几个概念,极大似然估计使关于条件概率密度的似然函数达到极大的估计,极大验后估计使验后概率密度函数达到极大的估计,最小方差估计使估计误差的均方误差达到最小的估计若估计具有线性形式线性最小方差估计（卡尔曼滤波）,53,二、卡尔曼滤波的产生和发展,1795年高斯为了测定行星运动轨迹提出了最小二乘法,1942年维纳提出了维纳滤波理论,根据有用信号和干扰信号的功率谱确定出线性滤波器的频率特性；首次将数理统计理论与线性系统理论有机地联系在一起；形成了对随机信号作平滑估计或预测的最优估计新理论。,54,二、卡尔曼滤波的产生和发展,维纳滤波的缺点：适用范围极其有限被处理信号必须是平稳的一维的,人们逐渐转向寻求时域内直接设计最优滤波的新方法,根本原因：频域设计方法,卡尔曼滤波方法,55,二、卡尔曼滤波的产生和发展,形成过程1959年末，NASA开始研究载人飞船,美国第一艘载人飞船水星号,阿波罗号,导航是重要问题！,56,导航问题的解决,当时拟采用的估计方法,递推加权最小二乘法,维纳滤波,精度不满足计算量太大,1960年，卡尔曼访问NASA，提出卡尔曼滤波,量测信息:,IMU,天文观测装置,地面无线电测轨系统,RudolfKalman,57,联邦滤波,60年代,70年代,80年代,1988,1960年,平方根滤波UDUT分解滤波,非线性滤波,滤波方法,卡尔曼滤波发展过程,分散滤波,卡尔曼滤波,计算机水平低，引起滤波发散只适用于线性系统,Bucy.Sunahara非线性系统非线性量测,80年代起，各种导航系统越来越多滤波器计算量以维数三次方巨增无法满足导航的实时要求故障也随之增加,Speyer.BiermanKerr,Carlson,Bierman、Carlson和Schmidt解决了发散的问题,58,形成过程,分散滤波,集中滤波,59,形成过程,卡尔曼滤波,LF2,LF1,LF3,MF,传感器2,传感器1,传感器3,参考系统,损失了一定(少许)精度提高了系统容错能力,局部最优,60,二、其他滤波技术,1、卡尔曼滤波的使用条件线性系统系统噪声为高斯噪声,机载SAR运动补偿用SINS/DGPS组合导航系统,MIMU&MGNC,真实系统：非线性系统、有色噪声,61,2、如何处理非线性系统问题？非高斯噪声问题？,非线性系统EKF扩展卡尔曼滤波（非线性系统）UKF不需对状态方程和量测方程线性化,非高斯噪声系统PF系统噪声可以为任意分布,非线性系统、非高斯噪声UPF非线性系统、系统噪声为任意分布,62,1.4组合导航简介,一、组合导航技术,采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一信息作量测量,从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。,采用组合导航技术的系统称为组合导航系统参与组合的各导航系统称为子系统。,63,二、组合导航的基本方法,回路反馈法采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，并使各系统间实现性能互补；,最优估计法采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估计出系统误差并消除之。,64,INS/GPS组合导航系统,连续输出位置、速度、姿态误差随时间积累,GPS,INS,KF,精度高误差不积累输出不连续,优势互补-组合导航系统的最佳方案！,位置、速度、姿态,65,三、组合导航系统的功能,充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统不具备的功能和精度,综合利用各子系统信息，取长补短，扩大使用范围,各子系统感测同一信息源，使测量冗余，提高整个系统的可靠性,66,惯性、卫星、天文等各种导航技术各有优缺点；往往难以满足高精度长时间定位导航的要求；把两种或多种导航系统组合起来，互相取长补短，不仅提高精度，同时提高可靠性。组合导航是导航领域的重要发展方向,一、为什么学习组合导航？,1.3组合导航简介,67,二、组合导航系统的功能,充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统不具备的功能和精度,综合利用各子系统信息，取长补短，扩大使用范围,各子系统感测同一信息源，使测量冗余，提高整个系统的可靠性,68,三、组合导航的基本方法,回路反馈法采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，并使各系统间实现性能互补；,最优估计法采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估计出系统误差并消除之。,69,INS/GPS组合导航系统,连续输出位置、速度、姿态误差随时间积累,GPS,INS,最优估计,精度高误差不积累输出不连续,优势互补-较为理想组合导航系统！,位置、速度、姿态,70,如何对付随机误差,四、为什么采用卡尔曼滤波？,各种导航系统的都有随机误差,最小二乘法,线性最小方差估计,极大验后、贝叶斯、极大似然估计,维纳滤波,卡尔曼滤波,最优估计方法,1、算法是递推的2、能处理多维和非平稳随机过程3、离散算法可直接在计算机上实现,71,一、卡尔曼滤波的产生和发展,1795年高斯为了测定行星运动轨迹提出了最小二乘法,1942年维纳提出了维纳滤波理论,根据有用信号和干扰信号的功率谱确定出线性滤波器的频率特性；首次将数理统计理论与线性系统理论有机地联系在一起；形成了对随机信号作平滑估计或预测的最优估计新理论。,1.4卡尔曼滤波理论的发展和工程应用,72,二、卡尔曼滤波的产生和发展,维纳滤波的缺点：适用范围极其有限被处