GNSS/INS 組合導航系統(tǒng)綜述

智奇楠，李梟楠，劉鵬飛，楊開偉

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081）

北斗導航系統(tǒng)是一種高精度的全球三維實時的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，定位誤差不隨時間積累，已在軍民領域獲得了廣泛應用。但是衛(wèi)星導航的不足之處在于它容易受到干擾，數(shù)據(jù)更新頻率低。而慣導系統(tǒng)具有完全自主，不受干擾，輸出信息量大，輸出信息實時性強。但是，慣導系統(tǒng)的突出缺點是導航精度隨著時間增長而降低，這是由于慣導系統(tǒng)的核心部件陀螺儀存在漂移誤差，致使穩(wěn)定平臺隨著飛行時間的不斷增長，偏離基準位置的角度不斷增大，使加速度的測量和即時位置的計算誤差不斷增加，導航精度不斷降低。為了提高精度，就必須提高陀螺儀、加速度計的制造精度。而高精度的陀螺儀、加速度計制造困難，成本很高。所以將衛(wèi)星導航和慣導系統(tǒng)組合在一起，克服各自缺點，取長補短，而且隨著組合程度的加深，其總體性能優(yōu)于各獨立系統(tǒng)，是最理想的導航系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

GNSS/INS 組合導航系統(tǒng)按照硬件結構劃分可以分為天線單元、衛(wèi)導接收機單元、組合處理單元及慣性測量單元四部分，慣性測量單元可以根據(jù)系統(tǒng)性能指標需求選用高精度慣組或者是MEMS 慣組，組合處理單元可與接收機或者慣性測量單元一體化設計。

圖1 GNSS/INS組合導航系統(tǒng)組成框圖

（1）天線單元。天線單元可以完成北斗多頻點信號的接收工作，根據(jù)需求可以采用基于陣列天線的抗干擾天線。

（2）衛(wèi)星導航接收機。衛(wèi)星導航接收機單元由射頻模塊、基帶信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)系統(tǒng)配置，可以將組合導航處理集成在導航接收機中，實現(xiàn)組合導航處理，包括組合處理模塊和慣導解算模塊。

射頻單元是整機的重要組成部分，它完成射頻信號的接收、放大、頻率變換、中頻信號生成等處理功能。基帶信號處理模塊擔負著衛(wèi)星導航接收機衛(wèi)星導航信號的捕獲、解擴解調(diào)、譯碼等任務，是整機的關鍵部分。數(shù)據(jù)處理模塊利用基帶信號處理模塊輸出的偽距、電文及星歷等信息實現(xiàn)定位處理，同時能夠?qū)尉嗉皞尉嘧兓瘦敵鼋o組合濾波處理模塊。

（3）組合處理模塊。慣導解算模塊實現(xiàn)了高精度捷聯(lián)導航解算，捷聯(lián)導航解算模塊根據(jù)陀螺儀測得的角速率信息計算出姿態(tài)矩陣并提取載體姿態(tài)，然后，利用姿態(tài)矩陣將加速度計測得的比力加速度信息變換到導航坐標系上計算出載體的速度和位置。實現(xiàn)捷聯(lián)慣導的處理功能，同時能夠?qū)T導測量單元輸入的信號進行誤差標定、初始裝訂及反饋修正等。

組合處理單元具備根據(jù)衛(wèi)星導航測量信息和慣性導航測量信息進行組合導航濾波，估計捷聯(lián)慣導和衛(wèi)星導航的誤差狀態(tài)，最后利用估計的誤差狀態(tài)修正慣性器件誤差，對慣導進行校準并對其導航解進行修正，利用多普勒估計對接收機跟蹤進行輔助，最后將組合導航解輸出到顯控單元。

（4）慣性測量單元。慣導測量單元由三軸陀螺儀、三軸石英加速度計及相關的供電與控制單元組成。控制單元完成對陀螺儀及加速度計輸出信號的采樣及處理。實現(xiàn)對陀螺以及加速度計傳感器的采集以及采集同步，并實現(xiàn)測量信息的誤差補償，慣性測量模塊直接輸出比力加速度信息和載體姿態(tài)變化角速率信息。

2 組合導航技術分類

GNSS/INS 組合導航有松組合（Loosely-Coupled）、緊組合（Tightly-Coupled）和超緊組合/深組合（Ultra-Tightly Coupled /Deeply Coupled）三種組合方式。

松組合是衛(wèi)星導航接收機和INS 相互獨立的定位、定速，然后兩者的結果通過一個卡爾曼濾波器整合到一起，這種組合系統(tǒng)又稱為衛(wèi)導輔助INS 系統(tǒng)。它具有方便、簡單的優(yōu)點，但是因為衛(wèi)星導航接收機的輸出定位值一般是經(jīng)過接收機內(nèi)部濾波算法的結果，所以松組合系統(tǒng)存在著不同時刻的衛(wèi)導定位值之間的相關性問題，不可能是最優(yōu)的組合方式，性能較差；同時衛(wèi)導接收機需要四顆衛(wèi)星才能定位，否則將沒有衛(wèi)導定位結果，組合系統(tǒng)的輸出也只能依靠INS。

緊組合是將衛(wèi)星導航接收機輸出的偽距、偽距率與INS 輸出的位置、速度等通過卡爾曼濾波器整合到一起的系統(tǒng)。它具有略比松組合復雜，性能較好的優(yōu)點，這是因為緊組合用INS 子系統(tǒng)的定位算法替換了衛(wèi)星導航接收機中的定位濾波算法的預測過程，所以緊組合系統(tǒng)不同時刻的北斗定位值之間的相關性較低；緊組合不需要衛(wèi)星導航接收機提供定位后載體的位置、速度，因此少于四顆衛(wèi)星對組合系統(tǒng)的輸出也有幫助。但是松緊組合兩種方式，其每顆衛(wèi)星的跟蹤環(huán)路都是獨立的，對于提高衛(wèi)導接收機跟蹤衛(wèi)星信號的魯棒性和改善衛(wèi)導測量值精度基本上沒有幫助，在惡劣環(huán)境中往往無法正常工作甚至衛(wèi)導跟蹤環(huán)路會失鎖。

超緊組合/深組合是將INS 測量值直接反饋給衛(wèi)導接收機的信號跟蹤環(huán)路，所有跟蹤環(huán)路成為整體，衛(wèi)導和INS 均作為傳感器存在，通過卡爾曼濾波器結合在一起的組合方式。它具有高精度、強抗干擾性、好的高動態(tài)性能和快速重捕衛(wèi)導信號等優(yōu)點，這是因為INS 定位、定速結果使組合系統(tǒng)實時掌握載體的最新運動情況，從而準確地預測將要接收到衛(wèi)星信號的載波頻率和碼相位；再者由于所有衛(wèi)星跟蹤環(huán)路為一個，實現(xiàn)了多通道之間的聯(lián)合跟蹤，強衛(wèi)星信號的信息有助于弱衛(wèi)星信號的跟蹤。可見，對于解決精確制導武器引起衛(wèi)導信號的強干擾和信號中斷，超緊組合具有很大的優(yōu)越性，逐漸成為新一代的GNSS/INS 設計模式。

3 組合導航技術發(fā)展現(xiàn)狀

INS/GPS 組合導航技術自20世紀80年代即開展了研究，到20世紀末，超緊組合導航方式收到了極大關注。Draper 實驗室[3]、斯坦福大學[4]和明尼蘇達大學等科研機構對于INS 輔助GPS接收機載波跟蹤環(huán)路進行了深入研究，從低成本IMU 到接收機捕獲跟蹤性能的提升均進行了論證分析，加拿大卡爾加里大學利用超緊組合技術來提高GPS 接收機接收靈敏度，提高了接收機在衰減信號環(huán)境下的信號捕獲能力。新南威爾士大學利用擴展卡爾曼濾波器解決INS/GPS 組合中的非線性問題。除此之外，其它研究機構包括CRS 公司、美國俄亥俄大學、韓國首爾國立大學和Konkuk 大學等對超緊組合技術進行了理論研究和探討。同時，從事導航系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的幾大公司，如美國L3公司、Rockwell Collins 公司和Crossbow 公司等，也都建立了各自基于IMU/GPS的超緊組合導航測試平臺，并且已經(jīng)有了組合導航裝備的商業(yè)化應用。根據(jù)相關文獻報道，通過INS 輔助的多通道聯(lián)合跟蹤技術，可以實現(xiàn)100g 超高動態(tài)信號跟蹤，接收機抗干擾性能可提升5dB～20dB。

總體來看，超緊組合應用技術的研究在國外已經(jīng)開展了多年，并取得了大量的研究成果。利用組合導航技術可以提升導航接收機的高動態(tài)能力、弱信號跟蹤能力和抗干擾能力，重點應用包括城市環(huán)境信號衰減情況下的車輛導航、制導彈藥等高動態(tài)和抗干擾導航等。

4 組合導航關鍵技術

（1）組合導航系統(tǒng)誤差機理分析與建模技術。誤差機理分析旨在分析各誤差源對接收機性能的影響，從而建模并提出補償方案，為組合導航系統(tǒng)對器件（陀螺、加速度計、晶振）的適應性分析和性能評估提供參考，在此基礎上，提出補償方案，將不確定性誤差對組合導航濾波的影響控制在一定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)工作的魯棒性。

（2）組合導航系統(tǒng)的故障檢測、容錯及重構技術。高可靠性組合導航系統(tǒng)的出發(fā)點就是從系統(tǒng)的整體設計上來提高其可靠性，而不是去提高每一個元部件的可靠性，它包括了故障檢測、故障隔離和系統(tǒng)重構技術。典型情況下，衛(wèi)星導航接收機和慣性傳感器的組合導航系統(tǒng)多采用卡爾曼濾波技術來實現(xiàn)。研究組合導航系統(tǒng)濾波算法對提高組合導航系統(tǒng)容錯控制至關重要，也是組合導航系統(tǒng)正常運行的必要保障。

（3）組合導航系統(tǒng)信息融合算法。在組合導航系統(tǒng)中有INS信息和衛(wèi)導輸出信息，對其采用不同的信息融合方案，得到的效果也是不一樣的。尤其在超緊組合導航算法方面，組合導航系統(tǒng)動態(tài)模型建立的準確性和系統(tǒng)噪聲的統(tǒng)計特性直接決定了卡爾曼濾波器進行系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度和穩(wěn)定性，另外，必須選取合適的濾波初值及其方差矩陣。由于載體工作環(huán)境和使用條件的不同，慣性傳感器的噪聲統(tǒng)計特性是不確定的，先驗的系統(tǒng)噪聲和量測噪聲統(tǒng)計特性不可能準確得到。所以，需要尋找魯棒性強的組合導航信息融合算法來進行導航濾波。

（4）慣導信息輔助接收機技術。慣導信息能夠獲得接收機的所有動態(tài)信息，接收機在捕獲衛(wèi)星時就可以大大減小頻率不確定度的搜索范圍，從而提高接收機的捕獲時間。此外通過慣性導航輔助，可以減少接收機跟蹤環(huán)路帶寬，進一步減少系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，慣導信息輔助接收機的捕獲跟蹤性能的提升是組合導航裝備的關鍵技術，可以進一步提升系統(tǒng)整體性能。

5 結束語

隨著研究的深入和技術的發(fā)展，GNSS/INS 組合導航技術已經(jīng)成為目前廣泛采用的全天候、高可靠導航方式。尤其隨著微電子及微機械等技術的發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）慣性器件隨之迅速發(fā)展起來。利用MEMS 陀螺儀和加速度計構成的微型慣性測量單元具有成本低、體積小、功耗小、可靠性高和環(huán)境適應能力強等特點。結合超緊耦合技術，極大地拓寬了低成本組合導航系統(tǒng)應用領域。隨著北斗導航系統(tǒng)的建設進程，GNSS/INS 組合導航系統(tǒng)必將在軍用和民用領域取得廣泛應用。