GPS/INS組合導航系統及其發展趨勢

張校華+張卓彤

（1、河北科宇地質勘查有限公司，2、中國地質大學長城學院）

【摘要】GPS/INS組合導航定位系統是用GPS和INS各自的優點進行組合得到的組合導航系統。它具有定位精度高、抗干擾能力強、高動態定位準等特點，應用廣泛，是目前導航定位系統研究的重要方向。本文簡要介紹了GPS/INS組合系統的組成及其發展趨勢。

【關鍵詞】GPS INS 組合系統 發展趨勢

導航的概念首先起源于航海事業，其最初的含義是引導運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。隨著時代的變遷、近現代科學技術的發展、運載工具的種類增多，“導航”的概念也大大擴展。導航，就是引導航行，確定航行提運動到什么地方和向何方向運動的意思。于是，多傳感器組合導航系統成為導航系統的發展趨勢，且已成為倍受人們關注的熱門領域，并在軍事領域、空間技術領域得到廣泛應用。多傳感器組合導航系統中，應用最為廣泛就是GPS/慣性導航系統（也稱為GPS/INS組合導航系統）。

一、GPS導航系統簡介

1958年美國軍方研制子午衛星導航系統（NNSS），于1958年投入使用。但是該系統定位時觀測時間長、定位精度低，無法實時、連續的進行定位，限制性很大。為了實現高精度、高效率、全天候、多功能的連續導航與定位，于是 20世紀70年代，由美國陸海空三軍聯合研制的新一代衛星定位系統GPS應運而生。

GPS全球定位衛星系統有以下優點：

1.定位精度高。利用GPS系統可以獲得動態目標的高精度坐標、速度和時間信息，在較大空間尺度上對靜態目標可以獲得10-6～10-7的相對定位精度。隨著技術水平的提高，定位精度還將進一步提高。

2.觀測時間短，可以實現實時定位。

3.全球范圍內連續覆蓋。隨著衛星數目的增多，可以保證地球上（包括水面和空中）任何地點在任何時間都能觀測到至少4顆衛星，從而保證全球范圍內的全天候連續三維定位。

4. 適應性強。可在各種惡劣環境中工作，可以24小時工作。而且無論是高山，深谷，GPS都能夠工作。

隨著科學技術的飛速發展，尤其是美國取消SA限制以后，其定位精度和可靠性有了很大的提高。盡管GPS具有較高的精度和較低的成本，且具有很好的長期穩定性。但也存在下述缺點：

1.GPS衛星星座對地球覆蓋還不完善，尤其是中緯度地區，存在著所謂的“間隔區”；

2.GPS高動態性能較差。GPS接收機的工作受飛行器機動的影響，當飛行器的機動超過GPS接收機的動態范圍時，接收機會失鎖，從而不能工作，或者動態誤差太大，超過允許值就不能使用。

3.GPS接收機必須接收到衛星信號才能夠進行定位、導航，在有遮擋的情況下不能使用（如室內、水下、地下等）。

由于上述不足，因此目前的GPS系統在高可靠性的領域，還只能作為一種輔助導航設備，而不能作為唯一的導航設備使用，制約了其進一步的發展。

二、慣性導航系統（INS）簡介

慣性導航系統的工作機理是建立在牛頓經典力學的基礎上的，它是一種自助式的導航方法。它完全依靠機載設備自主地完成導航任務，不需要外界任何電磁信號，也不向外部輻射能量，可以獨立給出載體的姿態、速度和位置信息，抗外界干擾能力很強，因此具有很好的隱蔽性。其工作環境不僅包括空中、地球表面，還可以在水下，在航空、航海、火箭、導彈、宇宙航行等方面都有廣泛應用。目前純粹的慣性導航系統已經可以滿足中近程導航精度的要求，但是還不能滿足遠程導航以及武器投擲、偵察、反潛等更高精度的導航要求。主要是由于慣性導航系統存在誤差積累、漂移大的特點，定位誤差會隨時間的延續不斷增大。因此，長時間的導航時需要提供校正用的外部信息。這些局限性決定了慣導不能夠長時間準確的工作，而這恰好是GPS具備的。

三、GPS/INS組合系統的組成

將GPS與慣性導航組合成一個系統的主要目的就是為了提高導航的精度和可靠性能。這種組合的方式，克服了各自的缺點，取長補短，使綜合后的導航精度高于兩個系統單獨工作的精度，實現了在高動態和強干擾的復雜環境下實時、高精度的導航定位，是一種比較完善的導航系統。

主要優勢體現在：

1.改善系統精度。對于慣導系統可以實現慣性傳感器的校準、慣導系統的空中對準、高度通道的穩定等，從而有效的提高慣導系統的性能和精度；

2.加強系統的動態性能和抗干擾能力。對于GPS全球定位系統，慣導系統的輔助可以提高其跟蹤衛星的能力，提高接收機的動態性能和抗干擾性，提高可靠性。同時提高了GPS接收機開機時信號的快速捕獲能力和由于姿態機動（遮擋）所引起信號丟失之后的在捕獲性能。

3.實現一體化，減小非同步誤差。GPS/INS組合系統可以實現一體化，把GPS接收機放入慣導部件中，可以使系統的體積、重量和成本進一步減小，且便于實現慣導和GPS的同步，減小非同步誤差。

總之，GPS/INS組合系統可以構成一種比較理想的導航系統，是目前導航技術發展的主要方向。

四、GPS/INS組合系統的發展趨勢

GPS/INS組合系統作為導航系統的一個重要組成部分，已經成為國際上的一個研究熱點，尤其是低成本的GPS/INS組合導航系統。國際上對智能組合導航系統的研究始于七十年代。八十年代開始，美、英、法等國的軍方和一些民用部門開始對組合系統表示出興趣，一些主要的慣導制造廠家紛紛投入力量研制GPS/INS組合導航系統中來。目前研究水平較為先進的是美國的國家航宇局和加拿大的渥太華國防研究中心。國外一些著名大學如麻省理工學院、加利福尼亞大學、斯坦福大學等，也都將組合導航作為了一項重要的研究領域。

國內的一些高等院校、研究所和企業公司也開展了組合導航的多項技術的研究。例如北京航空航天大學研究設計了一種“GPS/INS/MM（地圖匹配）車輛定位系統”，其組合定位誤差達到±40m。

目前GPS/INS組合系統的發展趨勢為：1.提高GPS系統的抗干擾性能，提高GPS/INS組合制導的可靠性；2.研制新型INS系統，從而提高GPS/INS組合制導的精度；3.研究數據融合技術，進一步提高GPS/INS組合制導的性能。

五、結論

雖然GPS/INS組合系統還在研究發展中，但是GPS/INS組合系統中的GPS與INS是互補的、互相提高的一種組合集成系統，其定位精度高、可靠性好、性能強，系統的優勢明顯，應用領域更寬廣，將會是導航研究的一個重點方向。