超緊耦合濾波技術國內外研究現狀分析

彭歡+段國棟+劉碧瑜+李文龍

【摘要】 MINS/GNSS超緊耦合系統的研究雖然在上世紀末被提出，但是其研究的可能性直到本世紀初隨著軟件接收機的研究取得巨大進步后才開始逐漸被發掘，近幾年更是有了飛速的發展，但是目前全球的研究者們對MINS/GNSS超緊耦合系統的具體模型和算法還未統一觀點和思路，研究的水平和程度也各不相同。

【關鍵字】 超緊耦合 卡爾曼濾波 抗干擾

一、引言

現代軍用武器大多工作在弱信號、高動態和電磁干擾等復雜環境下，要保證武器裝備在復雜作戰環境中發揮準確打擊效能，對衛星導航接收機的靈敏度、動態性、定位精度和抗干擾性能等方面都提出了更高的要求，對此，國內外研究人員有針對性的開展了高靈敏度接收技術、高動態接收技術、高精度接收技術和抗干擾接收技術等研究工作。然而目前的導航定位接收機往往只能夠面向一種應用環境實現其中一種技術，無法解決其通用性和自適應性，所以單純的GNSS接收機不可能完全滿足現代軍事導航要求。因此，組合導航系統已成為當前重要的導航系統實現方案，是武器導航系統研究的一個重要方向。由于慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS）與衛星導航系統的互補特點，使得它易于與GNSS接收機進行組合。GNSS的長期高精度和MINS的短期高精度特性有機結合，可以充分發揮二者優點使組合后的導航系統可以提供連續、高帶寬、長時和短時精度均較高的完整導航參數，同時對慣導系統可以實現慣性傳感器的校準、空中對準以及高度通道的穩定等，從而有效提高慣性導航系統的性能，同時利用MINS提供的輔助信息，改善GNSS接收機跟蹤環路捕獲和鎖定信號的能力。MINS與GNSS構成的超緊耦合系統可大大提高武器裝備在高動態、強干擾等惡劣環境下的命中精度和攻擊效率，成為了今后MINS/GNSS組合導航的必然發展方向。

二、國外研究現狀分析

盡管美國具有完善的衛星導航與定位系統，其研制的慣性導航系統精度很高，但其仍一直在努力發展MINS和GNSS組合導航系統技術。目前，以美國“戰斧”巡航導彈為代表的對地攻擊導彈中制導方式仍然是慣性導航系統+全球衛星定位導航系統。

國外許多著名大學和研究機構已經開展了對基于標量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合技術的研究工作。2005年美國的NAVSYS公司交付了世界上第一臺超緊耦合MINS/GNSS接收機。該接收機具備了在高動態、弱信號下接收GNSS信號的能力。現在美國海軍已經開始從NAVSYS定購接收機。2006年Honeywell公司與Rockwell Collins公司聯合研制了抗沖擊、抗干擾的深組合INS/GNSS飛行器導航制導與控制管理模塊，該模塊將GNSS接收機與MIMU進行組合，采用深組合導航算法，定位為精度5m（CEP），可抗擊2000g的沖擊，仿真表明可承受58dB的干擾。2007-2008年，卡爾加里大學PLAN小組（Position，Location And Navigation group）的Petovello等人對MINS/GNSS超緊耦合系統在微弱環境下應用于載波相位定位進行了實際環境驗證。數據采集在無遮擋的多徑環境，射頻前端增加了0-60dB的衰減器，采用戰術級的IMU和外部OCXO晶振，經實驗分析得到，在保證厘米級的定位精度下，超緊耦合的接收機比普通接收機靈敏度提高了7dB。2010年，卡爾加里大學Sun Debo的博士論文中提出了降維的IMU（Reduced IMU，RIMU）和GNSS超緊耦合系統用于陸地車輛導航。

Sun Debo的實驗結果表明，基于標量跟蹤的超緊耦合在采用自適應帶寬后的算法使3D RMS速度誤差降到19%，俯仰角和橫滾角誤差稍微降低，方位角均方根誤差降低17%。在強GNSS信號環境下，基于標量跟蹤的超緊耦合系統和基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統二者性能類似，而在弱信號環境下則矢量跟蹤性能高于標量跟蹤性能，但是測量精度有所下降。

MINS/GNSS超緊耦合導航系統中主要采用卡爾曼濾波方法來實現系統信息融合及導航定位。在大部分組合導航定位系統中，考慮到各種內外因素，其狀態方程及量測方程都是非線性的，在高動態下系統的非線性特性會更強。針對系統非線性問題，組合濾波器主要通過采用EKF、UKF和方根積分卡爾曼方法等處理非線性系統的算法來解決。

2006年，美國海上戰爭中心Ernest J. Ohlmey等人研究了MINS/GNSS超緊耦合算法在干擾環境的應用。接收機相關處理后的I、Q支路信號直接送入EKF跟蹤濾波器，最后經組合濾波器用于定位解算。與緊耦合相比，該結構采用了濾波器算法比傳統的跟蹤環路在跟蹤上更具有魯棒性，并且具有更高的抗干擾性能和高動態特性。最后通過仿真精密武器的運動軌跡進行驗證，信號跟蹤能力很強，J/S接近75dB。

2008年，新南威爾大學Chris Rizos，Wang J等人研究了在MINS與GNSS超緊耦合中使用UKF濾波，它是采用一系列 sigma點來捕獲先驗隨機變量的一階和二階瞬時值，直接利用系統的非線性功能將sigma點映射到狀態空間和量測空間，而不是通過線性化求解雅克比矩陣。在此基礎上，2009年，新南威爾大學的Ravindra Babu等人研究了綜合卡爾曼濾波器的平滑功能對超緊耦合系統性能的關鍵作用，其中卡爾曼濾波性能由建模方法的精度來決定并驗證載體在不同動態軌跡時的效果。

2010年，法國格勒諾布爾綜合理工大學GIPSA實驗室Carles Fernandez-Prades等人提出用三邊測量法計算接收機的位置，以獲得IMU測量值和同步參數的直接關系，然后把它代入狀態方程里，來計算IMU的最終偏移誤差。研究中采用自由高斯非線性濾波方法去解決這個估值問題，例如使用方根積分卡爾曼濾波器代替傳統的跟蹤環。

美國雷神公司（Raytheon Company）的超緊耦合算法，在采用導航電文剝離和導航電文不剝離兩種方法對GNSS P（Y）碼進行跟蹤。由于采用導航電文剝離技術能有效地預測導航數據位并且相干積分時間能超過20ms，實驗結果表明，采用導航電文剝離技術的載波和碼跟蹤抗干擾性能比傳統跟蹤大約有15dB的改進，導航電文不剝離技術有6dB的改進。當采用低精度的激光陀螺時，載波頻率和載波相位跟蹤有效的情況下，超緊耦合系統的J/S可以達到70-75dB。在相同情況下，相比于標量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合，其抗干擾性能有6-8dB的改進。美國海軍水面作戰中心（Naval Surface Warfare Center） ，加拿大遙感中心（Canada Center for Remote Sensing）以及英國奎奈蒂克（QinetiQ）等研究機構的算法也得到類似的結論。

美國德雷珀（Draper）公司的算法與雷神基本相似，兩者的主要區別是導航濾波器的結構，狀態量和協方差傳播步驟是按照EKF流程進行的，但是導航濾波器的GNSS觀測更新是與EKF的更新不同。同時德雷珀采用擴展多個碼相關（extended bank of range code correlators）相關，其實驗表明，在保持碼跟蹤的寬帶干擾下，基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統比基于標量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統的抗干擾性能可以提高15-20dB。

三、國內研究現狀分析

目前，MINS/GNSS超緊耦合高性能導航技術在我國仍處于仿真試驗階段，主要的研究力量集中在高校和科研院所。國內針對慣性和GNSS深層次耦合的研究較早出現的文獻是在1995年西北工業大學的安東等人對超緊耦合進行了性能仿真研究，并對GNSS碼跟蹤誤差檢測器進行了設計。此后十多年的時間，由于GNSS接收機研制能力的限制，MINS與GNSS的組合幾乎全部都是以松耦合和緊耦合的組合方式出現，慣性器件對GNSS接收機跟蹤環路的問題偶有提及，但不受重視。直至近幾年，由于國外研究機構對MINS輔助GNSS跟蹤環的研究升溫，國內才開始逐漸研究。2000年李方鎖、孫道省等人研究了具有開環和閉環反饋修正的耦合方案，卡爾曼濾波器的觀測量是MINS和GNSS的偽距和偽距率之差，濾波結果可直接對MINS和GNSS系統進行開環和閉環校正。西北工業大學的栗瑞江等人則采用卡爾曼濾波器完成了對MINS誤差和GNSS接收機鐘差的最優估計。

對國內關于MINS/GNSS超緊耦合技術近幾年的研究現狀總結如下：

2008年，國防科學技術大學設計了低成本MIMU/GNSS超緊耦合系統，文章提出了一種基于最大似然估計的自適應濾波算法。通過靜態試驗驗證系統的位置精度優于5m，速度精度優于0.1m/s，俯仰角和滾動角精度優于0.2°，航向角精度優于0.2°，多普勒頻率估計精度在0.2Hz以內；在動態車載條件下，水平位置誤差優于3米，高度誤差優于10米。

2009年，北京航空航天大學研究了戰術級MINS/GNSS的超緊耦合系統，其中組合導航濾波器采用UKF濾波算法，結果表明超緊耦合系統的多普勒頻率誤差在3Hz范圍內。同年，北京航空航天大學提出了一種基于矢量的跟蹤方法實現MINS/GNSS的深組合導航方案，在載噪比較低的環境中能夠維持較好的偽碼相位和載波頻率跟蹤性能。

2013年，南京航空航天大學在對不同GNSS/INS超緊耦合模型特點分析的基礎上，構建了超緊耦合中慣性與衛星環路信息耦合模型，提出了環路復制信號參量的外部控制方法。實驗結果表明超緊耦合系統環路信號參量偏差與慣性狀態誤差間有著緊密的內在聯系與深層次的耦合機理。

四、結論

國外在MINS/GNSS技術領域的研究已經發展到了實用階段，并且己經部分應用于武器裝備和眾多的民用應用領域；而當前國內對MINS/GNSS超緊耦合技術的研究仍處于理論仿真探索階段，還沒有成熟的MINS與GNSS超緊耦合的產品，并且大都是針對某一性能的算法設計為主，結果也都是以仿真形式給出。許多研究機構的研究重點只側重于超緊耦合研究的基礎性技術，包括GNSS軟件接收機技術、基于矢量跟蹤算法以及MINS輔助GNSS理論性能分析等。

參 考 文 獻

[1]劉建業，曾慶化，趙偉.導航系統理論與應用 [M] .西北工業大學出版社，2010

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[3]周坤芳，吳希，孔健.緊耦合INS/GPS組合導航特性及其關鍵技術[J].中國慣性技術學報，2009，17（1）：42-45