项目七 组合导航系统
【知识目标】
1.掌握组合导航的基本概念。
2.掌握互补滤波的工作原理。
3.了解卡尔曼滤波的工作原理。
【能力目标】
1.能够进行Pixhawk飞控的卡尔曼滤波基本设置。
2.能够根据任务需求设计合适的组合导航方案。
【素质目标】
1.提高自我认同和职业认同感。
2.培养团队协作意识。
3.提高自我表达能力。
【教学导航】
本项目主要学习卡尔曼滤波的工作过程及基本设置方法。
前面学习了无线电导航、卫星导航、惯性导航等单一导航系统，它们有各自的优缺点，如果让无人机只使用一种导航方法，显然不能满足导航任务需求，因此就需要一种方法能将多种导航方法结合起来，从而发挥单一导航各自的优点。这种综合两种及两种以上导航系统的方法就是组合导航。
信息论创始人克劳德·香农总结归纳出：信息可以用来估计状态，信息越多，则状态量估计得越准。控制论的奠基人诺伯特·维纳与其他一大批工程师和科学家完善了通过信息进行状态估计的线性估计理论，进一步提出传感器之间“互补滤波”，共同减小误差的理论。在此基础上，匈牙利裔美国数学家鲁道夫·卡尔曼提出了一种新的线性滤波和预测理论，称之为卡尔曼滤波。卡尔曼滤波在通信系统、航空航天、雷达信号处理等许多领域都得到广泛应用，取得了许多成果。
组合导航技术中传感器互补的思想原理是由克劳德·香农在1948年的信息论中提出的。信息论的线性估计理论使得在系统设计时，能够通过数学方程组合矩阵运算，把多个有误差的传感器融合起来。信息论也从理论上提出：参与互补运算的传感器状态信息越多，就越能得到好的状态估计。
因此，结合GPS、惯性测量元件、地磁指南针和气压计各自的优缺点，使用电子信号处理领域的多项技术，融合多种传感器的测量值，就能获得较为准确的无人机状态量的测量值。
综上，我们把两种或两种以上的导航技术组合后的系统称为组合导航系统。组合导航系统克服了单一导航系统的局限性，充分发挥了各自导航系统的独特性，能够利用多种信息源，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。
大多数组合导航系统以惯导系统为主，其原因主要是惯性导航不仅能提供比较多的导航参数，还能提供全姿态信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的。
相较于单一导航系统，组合导航系统具有以下优点：
（1）能有效利用各导航子系统的导航信息，提高组合系统定位精度。例如，INS/GPS组合导航系统一方面可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度；另一方面能弥补卫星导航的信号缺失问题，提高导航能力。其输出信息特性均优于INS和GPS作为单一系统使用的导航特性。
（2）允许在导航子系统工作模式间进行自动切换，从而进一步提高系统工作可靠性。由于各导航子系统均能输出的信息有重叠，因此组合导航系统有足够的量测冗余度，当量测信息的某一部分出现故障，系统可以自动切换到另一种组合模式继续工作。
现在的组合导航方法主要用到信息融合技术，即多传感器融合，是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。常用的信息融合方法有D-S证据理论、互补滤波、卡尔曼滤波等。
本项目以Pixhawk飞控多传感器信息融合中用到的互补滤波和卡尔曼滤波法为例讲解组合导航方法。