GPS/INS組合導航技術

劉志　謝焱鑫　張宏宏　黃旭

摘要：全球定位系統(tǒng)（GPS）與慣性導航系統(tǒng)（INS）是目前研究的較多的導航方式，在諸多方面具有互補性。兩者結合，能克服缺點，提高導航精度。本文主要介紹了GPS/INS的幾種組合方式，對其前景進行展望。

關鍵詞：全球定位系統(tǒng) 慣性導航系統(tǒng) 組合導航

慣性導航系統(tǒng)（INS）是利用陀螺儀、加速度計等慣性器件，通過測量運動目標的加速度來得到速度和運動距離，從而給出目標的瞬時速度和位置數(shù)據(jù)。INS不依賴外界信息，輸出信號連續(xù)、頻帶寬、噪聲相對較低，但導航參數(shù)會隨時間飄移。全球定位系統(tǒng)（GPS）是全球、全天候、高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，優(yōu)點多，應用廣。但是也有以下的缺點。一方面，GPS得到的導航參量噪聲相對較大，信號易受干擾，受到干擾的情況下，會導致定位精度下降，更嚴重時導致GPS不工作。另一方面，當載體處于高速運動狀態(tài)時，如果超出GPS接收機動態(tài)范圍，信號接收會失鎖。此外，相比于慣導而言，GPS數(shù)據(jù)更新頻率低，信號噪聲大，實時性較差，不能對高速運動的載體提供連續(xù)的導航參量。所以，基于GPS的導航方法的系統(tǒng)都是比較脆弱的。GPS與INS組合，既能保證實時性的要求，又能提高準確性和可靠性，是目前常用的組合方法。

目前，對于GPS/INS組合導航系統(tǒng)的研究主要集中在組合方式和數(shù)據(jù)融合兩方面。根據(jù)組合導航系統(tǒng)的結構，信息融合的方式以及融合的程度，它可以分為松組合、緊組合，超緊組合（深組合）三種模式。

圖1是典型的松組合模式結構圖，是最基本的組合方式。該組合方式將GPS輸出的位置、速度和INS得到的位置、速度做差，并將差值作為濾波器的輸入，濾波器的輸出對INS進行反饋校正或輸出校正。該組合方式的優(yōu)點在于計算量較小，工程上實現(xiàn)簡單；兩子系統(tǒng)均可以獨立工作，獨立性較強，某一系統(tǒng)故障時，仍然有一個系統(tǒng)可以提供導航信息。其缺點是GPS工作時可見衛(wèi)星數(shù)量至少四顆，GPS的導航輸出與時間相關，導致卡爾曼濾波器穩(wěn)定性差。

緊組合方式使用GPS接收機和INS的偽距、偽距率的差值作為組合濾波器的觀測量，因此又稱為偽距，偽距率組合。在此組合方式中，GPS利用INS信息輔助衛(wèi)星捕獲及加快選星過程，也可以利用修正的INS數(shù)據(jù)和原始的INS信息輔助GPS的跟蹤回路。因此一般情況下，緊組合導航精度更高。該系統(tǒng)的缺點在于緊組合犧牲子系統(tǒng)的獨立性來提高導航精度，需要進行星歷計算與延遲誤差補償，計算量大，實時導航能力有所下降，實現(xiàn)較為復雜。其優(yōu)點在于可見衛(wèi)星數(shù)目小于四顆時，在短時間內可以保持較高精度，同時也沒有量測輸入相關問題。

在高動態(tài)、弱信號等惡劣環(huán)境中，無論松組合還是緊組合，GPS接收機無法穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號，致使組合導航系統(tǒng)無法工作。因此提出了深組合，也稱為超緊組合，這是耦合程度最深的一種組合方式，其主要標志是用慣導信息輔助GPS接收機跟蹤回路。深組合的優(yōu)勢有以下幾點：組合濾波器把GPS/INS的數(shù)據(jù)融合和GPS信號跟蹤集成與一體，這樣就使得GPS在弱信號、高動態(tài)情況下的性能有所提高；此外，利用INS導航輸出輔助GPS，提高了GPS的等效帶寬?；谝陨蟽?yōu)點，深組合成為當前研究的熱點，但是深組合模式將改變現(xiàn)有的GPS接收機和INS系統(tǒng)的硬件結構，工程實現(xiàn)將比其他組合方式復雜。

GPS/INS組合導航具有很多優(yōu)點。從經濟方面來說，高精度慣導價格昂貴，采用低精度的慣導就可以達到較高的導航定位精度，能夠減少成本，又能提高定位精度，軍事、民用應用前景廣闊。同時，GPS/INS組合導航可以廣泛應用于武器平臺和運行體精確定位、測速和導航；也可以應用于精確制導武器，提高打擊精度。目前無人機發(fā)展迅速，GPS/INS組合導航與無人機上契合度較高，對于提高精度降低成本來說，具有較強的現(xiàn)實意義。

GPS/INS組合導航不僅實用性很高，目前也有不少此方面的研究；而且發(fā)展?jié)摿薮?，使該技術在各國備受支持。該組合導航方式精度的提高主要與INS的精度有關。目前，微機電系統(tǒng)（MEMS）和干涉型光纖陀螺（IFOG）技術不斷進步，制作工藝日益成熟，使INS精度不斷提高。長遠的看，MEMS將在未來應用中占有很大的比重。GPS/INS將在航空航天、國防及民用市場發(fā)揮更大的作用。