SINS/GPS組合導航技術研究與分析

河北科技大學信息科學與工程學院 王彥朋 靳曉棟 滑 海 郭 月

SINS/GPS組合導航技術研究與分析

河北科技大學信息科學與工程學院 王彥朋 靳曉棟 滑 海 郭 月

導航系統的精度和穩定性是衡量一個導航系統好壞的重要指標，在當代導航領域中，各種導航系統發展迅速，同時對導航系統的要求也隨之越來越高，單一的導航系統已經難以滿足用戶的需求。為了提高衛星導航的定位精度以及增強衛星導航的適應能力。本設計提出了一種提出了采用SINS/GPS組合導航系統。該組合導航系統結合了慣性導航系統短期高精度的特點以及衛星導航實時性好的優點，改善了定位精度，形成了自身適應性強，使用靈活，長時間高精度定位的特點。

SINS；GPS；組合定位

1.引言

目前世界上的導航系統種類有很多，比如GPS系統、GLONASS系統、Loran C導航系統、大氣數據系統、磁航向儀導航系統、慣性導航系統、多普勒導航系統等。這些導航系統都有自身的優點以及缺點，在某些特殊領域有它們獨特的優勢，但也不可避免的帶有一定的局限性，不能夠形成廣泛的應用。所以根據各個導航系統的優勢取長補短，可以相結合構成多種組合導航系統。但相比于其它組合系統而言，SINS/GPS組合導航目前在全世界范圍內應用最廣泛，同時性能也更加優越。

2.慣性導航系統的差異

慣性導航系統INS(Inertial Navigation System)與衛星的可視性無關，可以工作在多種特殊環境下，不受時間和空間的限制。慣性導航系統是一種利用傳感器和牛頓力學原理來實現參數計算的獨立導航系統。慣性導航系統可以計算出載體的速度、位置以及姿態角等導航參數，在短時間內具有很高的定位精度。但是，由于系統是由傳感器組成的，所以傳感器本身的精度容易受溫度影響，以及長時間工作會產生誤差的特性也隨之帶入了慣性導航系統中，導致定位精度逐漸下降。

慣性導航系統在物理結構上面可以劃分為平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統兩種系統。兩者在穩定性和精度上都有差別，具體來說：

平臺式慣性導航系統固定在一個實體的穩定平臺上，以平臺坐標系為基準，由陀螺儀和加速度計傳感器來測量載體運動參數。捷聯式系統的傳感器則是直接安裝在載機上，平臺坐標系也由原來的硬件平臺換成了計算機軟件生成的基準平臺。所以捷聯式慣性導航系統的物理構成更為簡單，大大的縮減了體積，增強了靈活性，價格也隨之降低了。導航參數的測定依然是利用陀螺儀以及加速度模塊，在進行參數計算之前，必須通過矩陣坐標變換，完成坐標系的統一，以便能在慣性坐標系中完成導航運算。平臺式慣性導航系統體積大、質量重，機械結構復雜，可靠性和維護性差，系統性能收到較大制約，成分昂貴，對放置空間有較高的要求。如果能用捷聯慣性導航系統代替平臺式慣性導航系統，就可以節約到許多不必要的設備，大大的增強導航平臺的靈活性。平臺式慣性導航系統如圖1所示，捷聯式慣性導航系統如圖2所示。

3.SINS/GPS組合系統組合方式

SINS和GPS組合構成的SINS/GPS組合系統能夠在這個接受機定位解算的過程中起到很到的輔助作用，包括：信號的捕獲過程和環路的跟蹤過程。

首先，利用慣性導航系統作為主要的導航系統，GPS導航系統加以輔助，在載體的運動過程中用GPS信號修正慣性導航系統，可以很好的解決慣性導航系統的初始誤差和溫度漂移帶來的誤差，有效的減少了信號失鎖和周跳問題。

其次，慣性導航系統在提高GPS衛星導航系統的抗干擾能力，增強穩定性上有很大的作用。在一些特殊環境下，衛星信號容易受到影響，會出現無法導航的情況。此時慣性導航系統可以完成導航功能。當GPS信號恢復正常后，慣性導航系統又能向衛星導航系統提供接收機的相關初始信息，包括接收機的位置坐標、速度等參數，這樣就可以在較短的時間內完成GPS接收機的啟動，從而減少了干擾對系統工作的影響。

另外，慣性導航系統輸出的位置、速度和載體姿態角等導航信息，可以很好的反映載體的動態行為，進而在環路跟蹤的時候增強了跟蹤效果，減小回路帶寬，從而進一步減弱噪聲引起的跟蹤誤差。

圖1　平臺式慣性導航系統

圖2　捷聯式慣性導航系統

根據組合結構、信息交換及組合程度的不同，SINS和GPS的組合可分為松組合、緊組合、超緊組合和深組合四種組合模式。

3.1SINS/GPS松組合模式

該組合系統中，SINS和GPS獨立工作，通過卡爾曼濾波器利用GPS得到的導航信息估計并校正SINS誤差，這樣能夠使SINS一直能夠保持較高的導航精度。這種組合模式因具有簡單、工程易實現而得到廣泛的應用。SINS/GPS松組合模式原理圖如圖3所示：

圖3　SINS/GPS松組合模式原理圖

3.2SINS/GPS緊組合模式

該組合模式利用偽距和偽距率導航參數，將這些觀測到的原始測量值直接送入組合濾波器。這種組合方式在理論和工程應用上進行了實驗，實際效果比采取位置、速度組合的松組合要好一些，有效的提高了組合系統的可觀測性。SINS/GPS緊組合模式原理圖如圖4所示：

圖4　SINS/GPS緊組合模式原理圖

3.3SINS/GPS超緊組合模式

該組合模式不僅將觀測到偽距、偽距率參數進行組合，還在跟蹤環路的過程中將SINS輸出的速率信息反饋到跟蹤環路。這樣不僅增強了組合系統對于環路信號跟蹤性能，也能降低失鎖情況的發生。SINS/GPS超緊組合模式原理圖如圖5所示：

圖5　SINS/GPS超緊組合模式原理圖

3.4SINS/GPS深組合模式

該組合模式接收機內部不需要進行信號的跟蹤，采用相關器將SINS與GPS接收機輸出的導航數據進行融合，這樣保證了信號跟蹤過程和數據融合是實時同步的，得到的數據每個時刻都是最準確的，所以在理論上講深組合方式是一種最優的組合方式。SINS/ GPS深組合模式原理圖如圖6所示。

在實際應用過程中可以根據對項目和工程的需求，從抗干擾能力、動態性和準確性方面對SINS/GPS各個組合模式進行分析和選擇。

圖6　SINS/GPS深組合模式原理圖

4.SINS/GPS組合定位的發展

SINS/GPS組合導航定位技術成為今后導航領域的主要方法是一種趨勢。一方面得益于SINS/GPS組合導航的各種優越的性能，比如：穩定性，精確度高，使用靈活，易于安裝。另一方面由于各個國家對國家安全的考慮以及對高科技的追求，使得慣性導航系統在高動態的軍事領域備受關注。在高動態環境下常以高精度的衛星輔助慣導器件實現精確導航，比如：巡航導彈，運載火箭等。SINS/GPS組合導航在民用領域也有很大的前景，主要可以應用在車載導航，移動地圖等方向以及高精度的航拍領域。

5.結論

通過對SINS和GPS各自的特點對比研究與分析，可以得知兩者結合的組合定位算法無論是在靈活性，精確度還是穩定性上相對于單系統而言都更有優勢，在未來導航應用領域具有更廣闊的前期和巨大的潛力。

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王彥朋（1969—），男，河北石家莊人，教授，碩士生導師，主要研究方向為電子信息處理。

靳曉棟（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，現就讀于河北科技大學，主要研究方向：實時信號處理與工程實現。

滑海（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，現就讀于河北科技大學，主要研究方向：衛星應用技術。

郭月（1993—），女，河北唐山人，碩士研究生，現就讀于河北科技大學，主要研究方向：高分圖像處理技術。