GPS／INS超緊組合系統綜述

摘 要：介紹了GPS/INS超緊組合系統的概念，按照結構與信息處理方式的不同將超緊組合系統分為INS輔助GPS超緊組合、相關深組合和非相關深組合三種模式，在給出不同模式超緊組合系統結構的基礎上對比分析了各自的特點，綜述了GPS/INS超緊組合系統的國內外發展現狀，指出超緊組合系統的關鍵技術與未來的發展方向。

關鍵詞：組合導航；GPS/INS；超緊組合

中圖分類號：V249.32+8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）04-0025-06

SurveyofGPS/INSUltraTightIntegratedNavigationSystem

WANGJunshuai，WANGXinlong

（SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China）

Abstract：TheconceptionofultratightintegratedGPS/INSnavigationsystemisintroduced.Accordingtothevariationofarchitecturesandinformationprocessingmethods，theultratightGPS/INSintegratednavigationsystemcanbeclassifiedintothreemodes，whichareINSaidedultratightintegration，coherentdeepintegrationandnoncoherentdeepintegration.Onthebasisofprovidingarchitecturesofdifferentultratightintegrationmodes，theirfeaturesarecomparedandanalyzedrespectively.ThedevelopmentsofGPS/INSultratightintegrationathomeandabroadarereviewed，andthekeytechnologiesand futuredirectionsofultratightintegrationarepointed.

Keywords：integratednavigation；GPS/INS；ultratightintegration

0 引 言

在導航系統中，全球衛星導航系統（GPS）和慣性導航系統（INS）具有優勢互補的特點，二者組合的GPS/INS組合導航系統能夠克服各子系統的明顯缺點，保證導航的連續性，提高導航性能。GPS/INS組合導航系統相對單一子系統的優勢主要表現為：對于GPS接收機，INS的輔助可以增強其捕獲和跟蹤衛星信號的能力，提高接收機的動態性能和抗干擾能力；對于INS，GPS可以抑制INS誤差積累，提高INS的導航精度。目前，根據組合深度的不同，GPS和INS組合方式可以分為松組合、緊組合和超緊組合方式[1]。

1 GPS/INS超緊組合系統概念與分類

超緊組合是一種在硬件級進行一體化的組合方式，除了通過估計INS誤差對INS進行反饋校正外，還使用校正后INS信息對GPS接收機的載波環、碼環進行輔助或直接用INS信息閉合載波環和碼環跟蹤環路[4]。

超緊組合一體化在實現方式上分為兩種：一種是，在傳統標量接收機的內部，INS輔助接收機碼環或載波跟蹤環路，輔助后的接收機再與INS采用緊組合方式組合；另一種是，用矢量跟蹤環路代替傳統的GPS接收機跟蹤環路，并用組合濾波器代替矢量跟蹤接收機中的導航濾波器。第一種超緊組合方式通常稱為INS輔助GPS超緊組合[1]，但在實際應用中普遍認為，只要INS能夠輔助衛星信號的捕獲和跟蹤，就可以將兩者之間的組合方式稱為超緊組合[5]。第二種超緊組合方式稱為基于矢量跟蹤環路的GPS/INS超緊組合，本文為了敘述的方便，將這種矢量跟蹤超緊組合稱為深組合。

GPS/INS深組合算法又可以根據接收機與卡爾曼濾波器之間信息流動方式的不同分為兩類：相關算法和非相關算法。相關算法是把GPS相關累加器輸出的I，Q信號直接作為卡爾曼濾波器的量測信息；而非相關算法是先將I，Q信號經傳統跟蹤環路中的碼相位和載波鑒頻器處理，然后再作為卡爾曼濾波器的量測信息[6]。下面將對INS輔助GPS超緊組合、相關深組合和非相關深組合的結構、特點以及國內外研究動態分別進行對比分析。

2 不同GPS/INS超緊組合模式結構

2.1 INS輔助GPS超緊組合模式

INS輔助GPS超緊組合是最簡單的超緊組合模式，只需在緊組合系統結構的基礎上，利用組合導航濾波器對載體多普勒頻率進行估計，并將估計結果輸送到接收機內部對跟蹤環路進行輔助[7]。

INS輔助GPS超緊組合系統的一般結構如圖1所示。具體工作流程為：衛星信號經捕獲與跟蹤后，可以得到偽距、多普勒頻率、載波相位和導航電文等信息，同時可以輔助INS解算模塊初始化；結合星歷信息，INS測量數據經導航解算后，求解得到相應的偽距、偽距率信息；在導航濾波器中采用偽距、偽距率作為量測信息，以INS線性化誤差方程為系統方程，利用濾波算法對系統的位置、速度、姿態和傳感器誤差進行最優估計，進而給出組合系統的導航定位解，同時根據估計結果一方面對慣導器件誤差進行校正，另一方面將校正后的慣導速度信息經多普勒等效轉換后對接收機環路進行輔助。

2.2.1 GPS/INS相關深組合模式

根據組合導航卡爾曼濾波器結構的不同，相關深組合可以分為集中濾波相關深組合和級聯濾波相關深組合。圖3給出了采用集中Kalman濾波器的相關深組合系統中GPS接收機到組合導航卡爾曼濾波器的數據流動圖。其中，來自GPS接收機的I，Q信號直接作為組合導航Kalman濾波器的量測信息。

由于集中濾波相關深組合模式存在計算負擔重、狀態方程可觀測性差、數據跳變等缺點，因此，對于所有實際實現的相關深組合系統都采用了級聯Kalman濾波結構[6]。

圖4為級聯濾波相關深組合模式中接收機到濾波器的數據流。從圖中可以看到，預處理濾波器（跟蹤Kalman濾波器）的輸入為頻率至少為50Hz的I，Q信號。一般每個預濾波器對應一個跟蹤環路，各個預濾波器的輸入是6路量測量，而它們的狀態量至少包括3個：碼相位跟蹤誤差、載波頻率跟蹤誤差和本地信號載波相位偏差。這些預濾波器輸出分別對應碼相位跟蹤誤差和載波頻率跟蹤誤差的偽距和偽距量測更新值，隨后將這些更新值輸入到組合導航Kalman濾波器中作為量測信息。同時，為了消除跟蹤預濾波器與組合濾波的級聯問題，每當量測信息輸送給組合濾波器后就將預濾波器中的碼相位和載波頻率狀態估計值清零[9]。

2.2.2 GPS/INS非相關深組合模式

圖5中給出了非相關深組合模式中GPS接收機與組合導航濾波器之間的數據流。非相關深組合中，I，Q信息不需要數據清除（DWF），而是直接通過與傳統跟蹤環中鑒別器相似的鑒別器模塊計算碼相位和載波頻率偏差[6]。隨后這些偏差經求和與比例運算得到頻率為1～2Hz的偽距、偽距率信息，這些信息直接作為組合導航濾波器的量測量。為了估計碼相位偏差，相關深組合算法中必須估計出載波相位偏差，而非相關深組合由于碼相位鑒別功能獨立于載波相位鑒別器，因此不需要估計載波相位偏差。

3.2 GPS/INS深組合模式

3.2.1 GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式對比

GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式相比，其優點為：

（1）深組合導航系統基于矢量跟蹤結構，提高了GPS接收機在較低信噪比環境（信號衰減、受到偶然或故意干擾等）中的信號跟蹤性能[12]。

（2）一般INS輔助GPS超緊組合的跟蹤環路帶寬不能隨著載噪比水平的變化而進行調節，而優化的深組合算法會根據載噪比水平調節跟蹤環路帶寬，這樣就增強了系統在受干擾情況下的導

航性能[13]。

（3）在GPS信號出現短暫中斷后，深組合系統可以不需要重捕獲而保持連續跟蹤；INS輔助GPS超緊組合系統則仍需要進行信號的重捕獲[13]。

（4）INS輔助GPS超緊組合系統中存在濾波器串聯，為了避免組合導航不穩定，實際使用中，需要對組合導航濾波器的噪聲帶寬進行限制，以保證其小于跟蹤環路帶寬。而深組合系統去除了這種串聯，使其有了更好的導航性能[11]。

深組合模式的主要缺點是必須對傳統GPS接收機進行大量改動；由于其基于矢量跟蹤方式，如果環路的某一通道出現故障，將會影響其他所有通道的正常工作，并且可能導致接收機不穩定或全部衛星失鎖[14]。

3.2.2 GPS/INS相關深組合模式與非相關深組合模式的對比

相關深組合模式最大的優勢是沒有使用鑒別器，可避免將未建模的非線性測量誤差引入卡爾曼濾波器中。因而，在設定量測噪聲方差陣時不需考慮鑒別器的非線性，最終使相關跟蹤模式具有比非相關模式更高的導航精度[15]。

相關深組合模式的主要缺點是為了能夠從I，Q中提取碼跟蹤信息，必須知道本地信號載波相位偏差，這樣就要求預濾波器必須跟蹤載波相位。而對于非相關深組合模式，由于碼鑒別器功能是獨立于載波相位的，所以計算碼相位時不需要考慮載噪比是否足以保持載波跟蹤。也就是說，非相關深組合模式跟蹤弱信號的能力比相關深組合模式要強[13]。

相關深組合模式更適合載波相位跟蹤和高精度的導航應用，而非相關深組合模式更適用于對載波相位跟蹤精度沒有要求的弱信號和強干擾環境中[6]。

3.3 各種GPS/INS組合方式性能對比

綜合以上對各種組合方式的分析對比，表1從捕獲能力、信號再捕獲能力、弱信號或強干擾下導航性能等方面對松組合、緊組合以及三種超緊組合模式進行了定性的比較。

5 GPS/INS超緊組合技術展望

綜合目前GPS/INS超緊組合技術國內外相關研究現狀和發展水平，還需要對以下幾個方面問題進行進一步研究。

（1）超緊組合方案的深入研究

超緊組合中采用不同濾波器結構和組合方式，實現的難度和效果是不同的，特別是在系統各個傳感器性能確定的情況下，這成為決定整個系統導航性能的關鍵[2]。國外針對GPS/INS超緊組合實現了相應的耦合方案，但缺乏詳細的技術細節，難以進行具體的參考。因此有必要對此進行深入的研究。

（2）超緊組合系統的硬件實現

超緊組合系統中，無論采用哪種一體化形式和濾波器結構，都需要深入到接收機內部，甚至涉及到跟蹤環電路的重新編排。目前，有一些廠商生產的GPS芯片可以直接為用戶提供I，Q輸出和NCO信號的輸入端口，這為超緊組合系統的硬件實現提供了便利。

（3）提高超緊組合系統的可靠性和抗干擾能力

對于深組合系統的載波跟蹤問題，由于信號的載波跟蹤很容易受到干擾的影響，而對于深組合而言，各個通道是耦合在一起的，對某一路載波相位的干擾可能會影響對其他衛星載波相位的估計。因此，在矢量跟蹤結構中，未來一個重要的研究內容是完好性檢測的問題，解決好這個問題就可以盡量避免故障通道對其他通道的影響[23]。矢量跟蹤對多徑干擾的抑制能力也是一項重要的研究內容。

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