组合导航复习教材

1、一.名词解释.1. 导航,导航系统及常用导航方法 .（书 P1）导航 :将航行体从起始点导引到目的地的技术方法 .导航系统 :能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体位置 ,速 度 ,航向等即时运动状态的系统 .常用导航方法 :航标方法 .航位推算法 .天文导航 .惯性导 航 .无线电导航 .卫星定位导航 .2. 航位推算导航 .（书 P1）航位推算导航 :从一个已知坐标位置开始 ,根据航行体在该点的航 向 ,航速和航行时间 ,推算下一时刻的坐标位置的导航过程和方法 .优点 :航位推算导航技术不受天气 ,地理条件的限制 ,是一种自主 式导航方法 .缺点 :随着时间的推移 ,其位置累积误差会越来

2、越大 .3. 衡量导航性能的参数有哪些 ?答:精度,覆盖范围 ,系统容量 ,导航信息更新率 ,导航信息维数 ;可用 性,可靠性 ,完善性 ,多值性.4. 伪距 .（书 P13） 用户接收机一般不可能有十分精确的时钟 ,他们也不与卫星钟同 步,因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的,计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离.这种距离叫做伪距 .5. 定轴性与进动性 .（书 P36）定轴性 :陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转 ,即具有动量矩 H 时 ,如 果不受外力矩作用 ,自转轴将有相对惯性空间保持方向不变的特性 .进动性 :如果在陀螺仪上施加外力矩 M,会引起陀螺仪动

3、量矩 H相 对惯性空间转动的特性 .6. 比力 .（书 P53）设质点在 i 系（惯性系 ）中的位矢为 r ,质点在外力作用下在惯性空mr .在上述等 i间的运动状态可用牛顿第二定律导出 ,即 F mddtr2dt引=mG 为引力外力 .由式当中,F F引+F非引力 ,F非引力 为非引力外力 ,是指作用在载体上的发d2r此得 2动机推力 ,空气阻力 ,升力 ,地面反作用力等等 .F非引力F非引力dt2 G非m引力 .比力定义为 f非m引力 ,为载体的非引力惯性加速度矢量 ,也称视加速度矢量 .G 为中心引力加速度矢量 .7. 惯导系统 （书 P31）惯性导航系统 （Inertial Navig

4、ation System,INS）是利用惯性敏感器 （陀螺仪和加速度计 ） 测量得到的载体运动的角速率和加速度 ,依据惯 性定律计算载体位置 ,速度 ,姿态等运动参数的装置或系统 .8. 数学平台 .（书 P21）数学平台的主要任务是用捷联陀螺仪测量的载体角速度计算出 载体坐标系 b到导航坐标系 n 的姿态变换矩阵 Cnb ;从姿态矩阵的元素 中提取载体的姿态和航向角信息 ;用姿态矩阵把捷联系统加速度计的 输出从载体坐标系变换到导航坐标系 （ fn Cnb fb ）.姿态矩阵计算 ,姿态 航向角计算 ,比力变换等效于平台惯导的实体平台功能 ,但是靠数学变 换和计算机实现 .通常把这三项计算称作

5、 ”数学平台 ”.9. 对准 .（书 P72）在惯导系统加电启动后 ,平台的三轴指向是任意的 ,没有确定的方 位.因此 ,在系统进入导航工作状态之前 ,必须将平台的指向准确估计 出来.这一确定平台坐标系相对于参考系的方位的过程称为惯导系统 的对准.10. 传递对准 .（书 P81） 传递对准是主惯导向子惯导实时传输子惯导对准所需要的导航 参数和数据 ,子惯导通过动态匹配它与主惯导的数据 ,估计它所建立的 坐标系与主惯导所建立坐标系之间的差别 ,并进行修正 ,以建立与主惯 导相一致的导航坐标系的过程 .（这段话比较拗口 ,要耐心地看 .）11. 标定与补偿 .（书 P94,P96）标定 :通过比

6、较陀螺仪 ,加速度计的输出值与已知的输入运动或基 准信息 ,确定误差模型或测量模型的误差系数 ,使输出在其取值范围内 符合使用要求的过程 .误差补偿 :通过测量确定适当的误差系数 ,并利用这误差系数通过 误差模型对测量值加以修正 ,以除去惯性敏感器或系统中可预测的误 差项.12. 组合导航 （书 P26）组合导航技术是指使用两种或两种以上的不同导航系统（或设备 ）对同一信息源作测量 ,利用不同导航设备性能上的互补特性 ,从这些测 量值的比较值中提取各系统的误差并校正之 ,以提高整个导航系统性 能的方法和手段 .13. 最优组合导航 （书 P104）为了与经典的回路控制方法和其他确定性修正方法相

7、区别 ,通常 称采用滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航.最优组合导航的基本原理是利用两种或两种以上的具有互补误差特性的独立信息源 或非相似导航系统 ,对同一导航信息作测量并解算以形成量 （liang,第 二声）测量（liang,第四声 ）,以其中一个系统作为主系统 ,利用滤波算法 估计该系统的各种误差 （ 称为状态误差 ）,再用状态误差的估值去校正 系统状态值 ,以使组合系统的性能比其中任何一个独立的子系统都更 为优越 ,达到综合目的 .14. 线性滤波 （书 P106）基于线性系统进行的滤波称为线性滤波 .主要包括 : 最小二乘估计 :它不考虑被估参数和观测参数的统计特性 ,因此 不是最

8、优估计 . 卡尔曼滤波器 :1960 年卡尔曼提出了一种实用的递推最优估计 算法 :卡尔曼滤波器 .它是建立在状态空间时域公式基础上的最优递推 滤波算法 ,成为现代许多信息融合算法的基础 .15. 卡尔曼滤波 （书 P113）卡尔曼滤波是一种线性无偏 ,以误差方差最小为估计准则的最优 估计算法 .特点 :它的数学模型是一阶的 ,即连续系统是一阶微分方程 ,离 散系统是一阶差分方程 ,特别适合计算机处理 .由于采用了状态转移矩阵来描述实际的动态系统,在许多工程领域中都可以使用 . 卡尔曼滤波器的每次运算 ,只要求前一时刻的估计数据和当前 时刻的测量数据 ,不必存储大量的历史数据 .16.Sagn

9、ac效应 .（书 P42）光学陀螺的工作原理主要是基于 Sagnac效应 .所谓 Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中 ,从某一观察点出发的一对光波沿 相反方向运行一周后又回到该观察点时 ,这对光波的光程将由于该闭 合光路相对于惯性空间的旋转而不同 ,光程差的大小与闭合光路的转 动速率成正比 .17.数据库参考导航 （书 P248）数据库参考导航 （Data Base Reference Navigation,DBRN） 是利用 预先测量的地理或天文数据 （ 源） 库或地图作为参考 ,与传感器测量的 相关信息进行计算 ,比较和相关处理 ,确定载体精确的定位信息和为载 体提供导航的过程

10、 ,方法和技术的总称 .18.地形辅助导航 （书 P22）地形辅助导航 （Terrain Aided Navigation,TAN） 是利用地形 ,地物 和地貌特征进行导航的总概念 .地形辅助导航的基本工作原理 :在系统中存储有飞行器所要飞 越地区的三维数字地图 ;在飞行过程中 ,系统利用地形特征传感器得出 飞行器正下方的地形剖面图或其他特征 ;系统将所存储的数字地图与 测得的地形剖面图相比较 ,当达到匹配时 ,便求出了飞行器所在点的位 置.二.简答题1. 简述 GPS的组成,定位的几何原理以及 GPS定位过程 . GPS 系统的组成 :GPS 卫星星座 （空间部分 ）,地面监控系统 （控 制

11、部分）,GPS信号接收机 （用户部分）. 定位原理 :三球交会（不是汇）原理.（书 P13）三球交会原理 :用户接收机与卫星之间的距离为 :其中 R,x1,y1,z1为卫星到用户接收机之间的距离 ,卫星的坐标 ,是已知 量; x, y, z为用户接收机的坐标 ,为未知量 .如果接收机能测出距三颗 卫星的距离 ,便有三个这样的方程式 ,把这三个方程式联立起来 ,便能 求解接收机的位置坐标 ,从而确定用户的位置 .实际上 , 用户接收机一般不可能有十分精确的时钟 ,他们也不与 卫星钟同步 ,因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间 是不准确的 ,计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真

12、实距 离.这种距离叫做伪距 .假设用户接收机在接收卫星信号的瞬间 ,接收 机的时钟与卫星导航系统所用时钟的时间差为t ,则有 :R x x1y y1z z1 c t其中,c为光速; t为未知数 .只要接收机能测出据四颗卫星的伪距 ,便 有四个这样的方程 .联立即可求解接收机的位置和准确的时间 . GPS 定位过程 :围绕地球运转的人造地球卫星连续向地球表 面发射经过编码调制的连续无线电信号 ,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

13、;用导航算法 （最小 二乘法或滤波估计算法 ）解算得到用户的准确位置 .2. 简述平台式惯导原理 .平台式惯导以陀螺为测量元件 ,通过三个框架形成了一个不随 载体姿态和载体在地球上的位置而变动的物理稳定平台,保持着指向东北天三个方向的坐标系 .固定在平台上的加速度计分别测量出在这 三个方向上的载体加速度 ,将其对时间一次和二次积分 ,从而导出载体 的速度和所经过的距离 ,载体的航向与姿态 ,最后由陀螺及框架构成的 稳定平台输出 .3. 简述捷联式惯导原理 . 捷联式惯导将陀螺和加速度计直接固联在运载体上.惯性传感器（陀螺,加速度计 ）输出的是载体相对惯性空间的加速度和角速度,由计算机将载体坐标

14、系下测量的数据变换到导航坐标系中再进行导航 计算 .因为导航计算是以参考坐标系 （导航坐标系 ）为参考来确定载体 的位置 ,速度 ,姿态等运动参数的 ,坐标变化和姿态角计算实际上起到 了平台式惯导系统的稳定平台的作用 ,所以也称为 ”数学平台 ”.4. 为什么说陀螺仪和加速度计是决定惯导系统精度的决定因素?（书P70) 陀螺仪的误差 :陀螺漂移引起的误差大多数是振荡的 ,但对某 些导航参数和平台误差 角将产生常值误差 .而最为严重的是北向陀螺 的漂移 y 及方位陀螺的漂移 z ,对于经度误差 (t )将引起随时间积 累的位置偏差 .但这并不意味着可以放松对东向陀螺的要求 .实际上东 向陀螺漂移

15、 x 直接影响方位对准精度 .因此,3 个陀螺漂移的大小都是 决定系统精度的关键因素 . 加速度计的误差 :加速度计零偏误差将产生振荡误差及常值 误差.如两个水平加速度计的零偏误差x, y将引起 经纬度及平台姿态角的常值误差 .总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因 素 ,其中陀螺仪的精度尤为突出 .5. 阐述惯导系统的基本误差特性 .(P70,与题目 4类似,是题目 4 的概括)陀螺仪 :引起的系统误差大多为振荡的 ,对某些导航参数和平台 误差角 将产生常值误差 .最为严重的是北向陀螺漂移以及方位陀螺漂移 ,对经度误差 将引 起随时间积累的位置偏差 .东向陀螺的漂移误差将直

16、接影响方位对准 精度.加速度计的误差 : 产生振荡及常值误差 . 其中水平加速度计将引起 经纬度 及平台姿态角常值误差 . 总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因素,其中陀螺仪的精度尤为突出6. 最优组合导航的原理 ,及其主要过程 . 定义 :采用滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航 . 基本原理 :是利用两种或两种以上的具有互补误差特性的独 立信息源或非相似导航系统 ,对同一导航信息作测量并解算以形成量 测量 ,以其中一个系统作为主系统 ,利用滤波算法估计该系统的各种误 差 （称为状态误差 ）,再用状态误差的估值去校正系统状态值 ,以使组合 系统的性能比其中任何一个独立的

17、子系统都更为优越 ,达到综合目的 . 应用最优滤波实现组合导航的主要过程 :a. 设计 ”最优 ”系统并对其特性进行计算和评估 .b. 考虑成本限制 ,灵敏度特性 ,计算要求和能力 ,测量程序和系统知识了 解程度等,对”最优”系统进行简化 ,设计合适的”次优”系统.c. 构建并试验样机系统 ,并按要求做最后调整和改进 .7. 卡尔曼滤波器的定义 ,特点 :定义 :卡尔曼滤波是一种线性 ,无偏,以误差方差最小为估计准 则的最优估计算法 .主要特点 :a.它的数学模型是一阶的 ,即连续系统是一阶微分 方程 ,离散系统是一阶差分方程 ,特别适合计算机处理 .b.由于采用了状态转移矩阵来描述实际的动态

18、系统 ,在许多工程 领域中都可以使用 .c.卡尔曼滤波器的每次运算 ,只要求前一时刻的估计数据和当前 时刻的测量数据 ,不必存储大量的历史数据 ,大大减少了对计算机运算 能力的要求 .8. 写出离散卡尔曼滤波方程组 .9. 卡尔曼滤波误差产生的原因 ?系统 数学模型 不准确或对系统数学模型作了一定的简化及近 似,忽略了有关误差因素 ,使实际系统的状态转移矩阵 ,系统干扰矩阵 等等与滤波计算时应用的相应参数矩阵有差别 .初始状态方差 估计不准确 ,即 P0存在误差 . 噪声的统计特性不准确 ,即Qk , Rk存在误差 . 使用了不准确的 增益矩阵 Kk .10. 联邦滤波的基本思想 .基本思想是

19、先分散处理 ,再全局融合 ,即在诸多非相似子系统中 选择一个信息全面 ,输出效率高 ,可靠性绝对保证的子系统作为公共参 考系统 ,与其他子系统两两相结合 ,形成若干子滤波器 ;各子滤波器并 行运行 ,获得建立在子滤波器局部观测基础上的局部最优估计 ;这些局 部最优估计在主滤波器内按融合算法合成 ,从而获得建立在所有观测 量基础上的全局估计 .11. 什么是直接估计方法 ,间接估计方法 ? 惯性组合导航系统根据滤波器状态可将估计方法分为直接估计 法和间接估计法 .直接估计法以各种导航参数 （如惯导系统输出的精 度 ,纬度 L和对地速度 vN,vU,vE等,采用符号 XI 表示）为主要滤波状 态

20、,滤波器估值的主要部分就是导航参数估值 .间接法以惯导系统导 航参数误差 XI 为滤波器主要状态 ,滤波器估值的主要部分就是导航 参数误差估值 X? ,然后用 X?去校正 XI .12. 简述输出校正和反馈校正的优缺点 .（书 P132）输出校正 :优点 :工程实现比较方便 ,组合滤波器的故障不会影 响惯导的工作 .缺点 :由于输出校正的滤波器所估计的状态是未经校正的导航参 数误差 ,而惯导的误差是随时间增长的 ,卡尔曼滤波器的数学模型建立 在误差为一阶小量且取一阶近似的基础上 ,因此在长时间工作时 ,由于 惯导误差不再是小量 ,会使滤波方程出现模型误差 ,使滤波精度下降 .反馈校正 :优点

21、:反馈校正的滤波器所估计的状态是经过校正的 导航参数误差 ,在反馈校正后 ,惯导的输出就是组合系统的输出 ,误差 始终保持为小量 ,克服了输出校正的缺点 ,因此可以认为利用反馈校正 的系统状态方程 ,更能接近真实地反映系统误差状态的动态过程 ,也可 以认为没有模型误差 .缺点 :工程实现没有输出校正简单 ,且滤波器故障直接影响惯导输 出 ,降低了系统可靠性 .13. 简述 GPS/INS 松耦合,紧耦合,并比较两者的特点 .（P151）松耦合组合 （速度位置组合 ）:将 INS（惯导）和 GNSS（全球导航卫 星系统,这里特指 GPS 系统）接收机各自输出的位置估值和速度估值 进行比较 ,得到

22、的差值形成滤波器 （如卡尔曼滤波器 ）的测量输入量 ,对 惯导系统提供测量更新 .紧耦合组合 （伪距,伪距率组合 ）:将 GNSS 接收机的伪距测量值 和伪距率测量值 ,与利用 INS 导航输出计算出的相应伪距 ,伪距率估计 值进行比较 ,得到的差值形成 （卡尔曼 ）滤波器的测量输入值 ,经组合导 航滤波器 ,生成惯导系统的误差估值 ,这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进行修正 ,以提高惯导的精度 特点（文字版）:与松耦合相比 ,紧耦合的主要优点有 :不存在将一 个卡尔曼滤波器的输出用作第二个滤波器的测量输入时所产生的问 题;隐含完成 GNSS 位置和速度协方差的交接 ;组合系统不需要用完整 的 GNSS 数据来辅助 INS, 即使只跟踪到单个卫星信号 ,GNSS 数据也 会输入滤波器 ,用于估计 INS的误差,从而增加了 GNSS使用的灵活性 , 但是在这种情况下估计精度会下降很快 . 特点比较 （表格版本 ）:（见书 P151）14. GPS/INS伪距 ,伪距率组合的概念 .紧耦合组合是将 GNSS 接收机的伪距测量值和伪距率测量值 ,与 利用 INS 导航输出计算出的相应伪距 ,伪距率估计值进行比较 ,得到的 差值形成 （卡尔曼 ）滤波器的测量输入值 ,经组合导航滤波器 ,生成惯导 系统的误差估值 ,这些估值可在每次测