北斗/INS組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)分析

蔣慶仙,田育民,孫 葵

(1.西安測繪研究所,陜西西安710054;2.61363部隊,陜西 西安710054)

0 引 言

導(dǎo)航是導(dǎo)引航行的簡稱,基本作用是引導(dǎo)飛機、艦船、車輛和個人,準(zhǔn)確地沿著所選定的路線安全地到達(dá)目的地[1]。提高精度和可靠性是導(dǎo)航系統(tǒng)要解決的基本問題。目前,尚沒有一種導(dǎo)航方式能夠同時滿足精度與可靠性的要求。解決這一問題的最佳方案就是采用多傳感器融合技術(shù),將多類信息按照某種最優(yōu)融合準(zhǔn)則進行融合,研制各種實用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)[2-4]。因而,多傳感器組合導(dǎo)航(包括多星座衛(wèi)星組合、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合和衛(wèi)星導(dǎo)航與天文導(dǎo)航組合等)成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將航行體(飛機、艦船等)上的導(dǎo)航設(shè)備組合成一個統(tǒng)一的系統(tǒng),利用兩種或兩種以上的設(shè)備提供多重信息,構(gòu)成一個多功能、高精度的冗余系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)不僅可以連續(xù)、實時地提供位置、速度和姿態(tài)等多種導(dǎo)航信息,而且具有快速、動態(tài)性能好、短期精度高等特性。在組合導(dǎo)航中,多以INS作為基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng),且以GPS與INS組合的系統(tǒng)最為理想。使GPS與INS組合的最優(yōu)方法是深組合方法,即采用一個濾波器來統(tǒng)一處理GPS測得的偽距與偽距率以及從INS組合來的誤差狀態(tài)信息,用GPS測量值校準(zhǔn)慣性器件的漂移值,同時利用校正后的INS速度信息對接收機的載波環(huán)、碼環(huán)進行輔助跟蹤,獲得比單獨GPS系統(tǒng)更高的精度和更強的抗干擾能力[3-9]。國外在1990年前后已經(jīng)進行了深組合系統(tǒng)的實驗研究,并在1997年得到了應(yīng)用。從2001年開始,美國絕大部分主戰(zhàn)飛機上已經(jīng)采用深組合技術(shù)的EGI(Embedded-GPS/INS)逐步取代單GPS接收機,并最終淘汰單GPS接收機。

我國正在建設(shè)和運行的Compass/北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的重要組成部分。北斗系統(tǒng)的發(fā)展分為三步:驗證系統(tǒng)、擴展的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)和全球?qū)Ш较到y(tǒng)[10]。目前,其整體性能低于GPS,主要不足有:定位精度低;易受無線電干擾;保密性與安全性差;數(shù)據(jù)輸出率低等,而這些不足正好可以由INS來彌補。北斗系統(tǒng)與INS的組合是發(fā)展趨勢,此組合導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于GPS,具有完全的自主性,對我國國防建設(shè)具有極大的現(xiàn)實意義。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與INS的組合主要表現(xiàn)為位置信息的組合[11-13],為了實現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與INS的最優(yōu)組合,采用深組合方式是必由之路。但是,由于受接收機研制能力的限制,對深組合方案的研究較少,基本停留在仿真設(shè)計階段[13]。通過分析、評述國外INS/GPS深組合系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,提出我國自主研制INS/北斗深組合導(dǎo)航系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合方式及特點

根據(jù)不同的應(yīng)用要求,INS和GPS有不同層次的組合。目前對組合導(dǎo)航的體系結(jié)構(gòu)還沒有統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn),按照GPS組合介入的深度,可分為松組合(松耦合)方式(Loosely-Coupled Integration)、緊組合(緊耦合)方式(Tightly-Coupled Integration)和深組合(也稱極緊耦合、超緊耦合)方式(Deeply-Coupled Integration)[3-9]。

1.1 松組合方式

松組合方式是利用INS和GPS的位置和速度信息進行組合。如圖1所示,INS和GPS輸出的位置和速度信息的差值作為觀測量。以INS為主,在GPS可工作時,GPS的導(dǎo)航解作為觀測量輸入數(shù)據(jù)融合濾波器,通過擴展Kalman濾波(Extended Kalman Filter)對INS的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進行最優(yōu)估計,并根據(jù)估計結(jié)果對INS進行輸出或者反饋校正,使其保持高精度的導(dǎo)航;在GPS不可工作期間,INS單獨工作,輸出慣性導(dǎo)航解。該組合方案結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實現(xiàn),且導(dǎo)航信息有一定冗余度。但是,當(dāng)載體進行高動態(tài)機動或GPS接收機受環(huán)境干擾影響而長時間不能工作時,該系統(tǒng)的精度將隨時間增加而急劇下降,可靠性和抗干擾能力較差。

圖1 GPS/INS的松組合方式

1.2 緊組合方式

如圖2所示,GPS接收機與INS作為傳感器分別輸出偽距、偽距率及加速度、角速度信息。根據(jù)GPS接收機收到的星歷信息和INS輸出的位置和速度信息,計算相應(yīng)于INS位置的偽距和偽距率,把該值與GPS接收機測量得到的偽距和偽距速率的差值作為觀測量。通過EKF對INS的誤差和GPS接收機的誤差進行最優(yōu)估計,然后對INS進行輸出或者反饋校正。由于不需要得到GPS的獨立導(dǎo)航解,并可對GPS接收機的測距誤差進行建模,因此緊組合方式具有更高的組合精度,而且在可見衛(wèi)星少于4顆時也可以使用。緊組合的優(yōu)點是對GPS信號的抗干擾能力大大增強,整個組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單,從而提高了系統(tǒng)精度。

圖2 GPS/INS的緊組合方式

1.3 深組合方式

深組合是使用慣性導(dǎo)航信息對GPS接收機進行輔助導(dǎo)航的組合方式,突出強調(diào)針對GPS接收機的輔助,如圖3所示。觀測量由INS導(dǎo)航結(jié)果推算的偽距、偽距率與GPS觀測得到的偽距、偽距率作差得到。通過EKF對INS的誤差進行最優(yōu)估計,同時利用校正后的INS速度信息對GPS接收機的載波環(huán)、碼環(huán)進行輔助跟蹤,消除載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)中載體的大部分動態(tài)因素,以降低載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)的階數(shù),從而減小環(huán)路的等效帶寬,增加GPS接收機在高動態(tài)或強干擾環(huán)境下的跟蹤能力。嵌入式組合將INS和GPS進行一體化設(shè)計,通過共用電源和時鐘等措施進一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。

圖3 GPS/INS的深組合方式

深組合方式的優(yōu)點是:無量測輸入相關(guān)問題,GPS接收機充分利用INS提供的輔助信息,組合系統(tǒng)導(dǎo)航精度高、抗干擾能力強;在可見衛(wèi)星少于4顆的情況下,也能在較短的時間內(nèi)正常工作。其缺點是:需要進行繁瑣的星歷計算和延遲誤差補償,計算量較大,降低實時導(dǎo)航的性能;需要嚴(yán)格的時間同步設(shè)計;要求GPS接收機輸出偽距、偽距率和衛(wèi)星星歷等原始測量數(shù)據(jù)。

2 國外深組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外采用的深組合方案

國外普遍采用以下5種深組合方案[14]:

1)常規(guī)模式

根據(jù)INS信息和GPS衛(wèi)星星歷計算載體相對GPS衛(wèi)星的偽距和偽距變化率,與GPS接收機輸出的偽距和偽距率作差,作為Kalman濾波器的測量信息,對INS的誤差進行濾波估計,以提高GPS的精度;同時,校正后的INS速度信息用于輔助GPS碼環(huán)鎖相過程,增強了GPS接收機快速捕獲GPS衛(wèi)星信號和抗干擾的能力。該方案原理簡單,較容易實施。但存在一個正反饋過程,容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。GPS接收機碼環(huán)處于窄帶狀態(tài),時間常數(shù)較大,跟蹤誤差和時間與INS的狀態(tài)相關(guān);而且Kalman濾波器的量測噪聲是有色噪聲,必須對有色噪聲精確建模才能提高INS/GPS組合系統(tǒng)的性能。

2)對碼環(huán)跟蹤誤差建模

該模式是針對常規(guī)模式存在的問題提出的,即對有色噪聲精確建模,并消除正反饋作用。相應(yīng)于GPS接收機一階或二階碼跟蹤環(huán),可建立一階或二階跟蹤誤差模型。該模式的優(yōu)點是提高了Kalman濾波器量測模型的精度,可改善INS/GPS組合系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,但沒有消除問題的根源,且增大了計算量。

3)解相關(guān)偽距法

該模式改變了GPS碼環(huán)編排方式,添加了跟蹤誤差估計器,獲得具有白噪聲特征的量測殘差,使得Kalman濾波器的估計結(jié)果最優(yōu),消除了跟蹤誤差相關(guān)問題,去除了Kalman濾波器不穩(wěn)定的根源。其缺點是對GPS碼環(huán)進行了重新編排,實施難度較大。

4)濾波跟蹤法

該模式取消了解相關(guān)偽距法中的比例控制環(huán)節(jié),讓Kalman濾波器在估計INS與GPS誤差的同時,參與碼環(huán)濾波,并將Kalman濾波器的最優(yōu)估計結(jié)果作為初值提供給碼環(huán)C/A碼發(fā)生器。其優(yōu)點是在獲得理想量測輸入的同時,增強了回路的抗干擾能力。但因取消了比例控制,動態(tài)跟蹤性能較解相關(guān)偽距法稍差。

5)碼誤差跟蹤法

該模式用相關(guān)器控制回路取代碼環(huán),Kalman濾波器直接跟蹤碼誤差,INS的偽距和偽距率分別加入C/A碼發(fā)生器和驅(qū)動碼數(shù)控振蕩器NCO,Kalman濾波器的量測殘差直接來自GPS接收機的相關(guān)檢測網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點是Kalman濾波器的量測輸入取自偽距殘差,消除了誤差根源,根據(jù)量測殘差的大小控制相關(guān)器的過零點。因而,大大提高了系統(tǒng)對INS誤差的容限;同時,Kalman濾波器被包在跟蹤環(huán)路之中,帶寬很窄,提高了系統(tǒng)對干擾的容限。

上述國外流行的五種深組合模式中,常規(guī)模式是傳統(tǒng)的做法,存在一定的缺陷;其他四種模式都不同程度地涉及GPS接收機內(nèi)部的編排,甚至重新設(shè)計,要求精通北斗接收機的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu),并在研制接收機時進行內(nèi)部編排,實施難度較大。

2.2 未來深組合發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 信息融合技術(shù)的應(yīng)用

任何單一傳感器的導(dǎo)航均可能在特定時間、特定地點失效,多源傳感器融合導(dǎo)航是導(dǎo)航應(yīng)用的重要研究課題。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,如何將兩種數(shù)據(jù)進行融合是決定導(dǎo)航定位精度的關(guān)鍵問題。多源傳感器數(shù)據(jù)融合的基本原理是通過對多傳感器及其觀測信息的合理支配和使用,把多傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進行組合,以獲得被測對象的一致性解釋或描述。

最經(jīng)典的融合導(dǎo)航思想是基于集中式Kalman濾波的設(shè)計思想。多源傳感器數(shù)據(jù)融合的算法有分布濾波法、聯(lián)邦濾波法、動、靜態(tài)濾波法、基于觀測信息的融合導(dǎo)航、基于局部幾何導(dǎo)航解的融合導(dǎo)航等,但不同算法之間存在理論和計算方面的差異,得到的效果也是不一樣的。在硬件確定的條件下,軟件算法是決定組合效果的關(guān)鍵因素[15]。

2.2.2 自適應(yīng)Kalman濾波技術(shù)

Kalman濾波器作為一種最優(yōu)的估計工具,已經(jīng)在組合導(dǎo)航中獲得了廣泛使用。美國空軍航空電子實驗室在為下一代軍用飛機進行的 CFK(Common Kalman Filter)研究計劃中指出,組合導(dǎo)航信息處理的關(guān)鍵技術(shù)仍然是Kalman濾波[1]。

可靠的Kalman濾波算法要求有可靠的函數(shù)模型、隨機模型以及合理的估計方法。然而運動物體一般難以確保規(guī)則運動,因而構(gòu)造精確的函數(shù)模型十分困難;隨機模型先驗信息的獲取一般都是基于驗前統(tǒng)計信息,而任何統(tǒng)計信息都有可能失真,尤其是難以精確表征當(dāng)前物理現(xiàn)實和觀測現(xiàn)實。對于Kalman濾波的不穩(wěn)定問題,目前的主要研究工作是針對由于模型不準(zhǔn)確以及觀測噪聲或模型噪聲方差陣不能反映實際噪聲而引起的濾波發(fā)散問題。

基于此目標(biāo)函數(shù)，配電網(wǎng)重構(gòu)是為了使網(wǎng)損盡可能小，即求解目標(biāo)函數(shù)最小值。但評價個體時一般用其適應(yīng)度函數(shù)，習(xí)慣將算法優(yōu)化方向?qū)?yīng)適應(yīng)度值增加方向，所以選擇將目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，考慮到不可行解，因此個體適應(yīng)度函數(shù)確定為：

自適應(yīng)濾波是解決由于模型及噪聲統(tǒng)計不準(zhǔn)確而引起估計誤差的一種方法。由估計過程自適應(yīng)地調(diào)整和更新先驗信息,代表Kalman濾波具體實現(xiàn)問題中的一個重要研究方向[16-17]。統(tǒng)計學(xué)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)構(gòu)造了多種自適應(yīng)Kalman濾波算法,如基于開窗逼近法估計觀測信息和狀態(tài)誤差協(xié)方差陣的Sage-Husa濾波、動態(tài)偏差去耦估計、模型方差自適應(yīng)補償法、虛擬噪聲補償法等。這些方法在一定程度上提高了Kalman濾波對噪聲的抗差性。為了抑止模型誤差對濾波導(dǎo)航解的影響,相繼提出并使用的濾波方法有衰減記憶濾波方法、有限記憶濾波方法、快速自適應(yīng)濾波算法、漸消濾波法和抗差自適應(yīng)Kalman濾波法等[16]。

2.2.3 并行處理技術(shù)

并行處理技術(shù)的研究促進了分散化Kalman濾波技術(shù)的發(fā)展。分散化濾波是通過分解和簡化算法來提高Kalman濾波的實時性的,是并行處理的軟件實現(xiàn)。心動陣列的提出是解決Kalman濾波實時性問題的又一次質(zhì)的飛躍。它由功能相同或相近的處理單元,按照某種規(guī)則構(gòu)成一種陣列結(jié)構(gòu),很適合于VLSI技術(shù)來實現(xiàn)。自 Andrews和Jover-Kailath開拓性的工作以來,并行Kalman濾波及其心動陣列的實現(xiàn)至今已提出了許多新的不同結(jié)構(gòu)形式的實現(xiàn)方案。對組合導(dǎo)航系統(tǒng)Kalman濾波實時性問題的研究,已經(jīng)引起了專家和學(xué)者的重視,并做了一些嘗試性的工作[1]。

3 我國自主研制深組合導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)我國目前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平和實際情況,自主研制INS/北斗深組合導(dǎo)航系統(tǒng)需要突破以下關(guān)鍵技術(shù):

1)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性與互操作

包括北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率兼容性與互操作、時間系統(tǒng)的兼容性與互操作、坐標(biāo)系統(tǒng)的兼容性與互操作。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于起步較晚,其發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),為了提高性能在日益競爭的導(dǎo)航定位市場中占有優(yōu)勢,系統(tǒng)建設(shè)必須注重與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性與互操作[10]。

2)深組合方案研究

采用不同的組合方案,實現(xiàn)的難易程度和組合效果是不一樣的。目前,雖然國外已經(jīng)實現(xiàn)了有關(guān)方案,但沒有相關(guān)的詳細(xì)報道,而國內(nèi)只是停留在仿真階段。因而,可參考的資料不多,有必要對深組合方案進行詳細(xì)研究[14]。

3)硬件實現(xiàn)

由于深組合模式不同程度地涉及北斗接收機內(nèi)部的編排,甚至重新設(shè)計。因此,要求精通北斗接收機的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu),在研制接收機時進行內(nèi)部編排,且不顯著增加接收機的成本和復(fù)雜性,從而實現(xiàn)INS、北斗接收機和導(dǎo)航計算機的一體化。

4)信息融合技術(shù)

在深組合系統(tǒng)中有INS輔助信息和北斗輸出信息,對其采用不同的融合方案,得到的效果也是不一樣的。國內(nèi)的研究機構(gòu)在系統(tǒng)實現(xiàn)、組合算法和算法的軟件實現(xiàn)等方面已作了大量工作[15,17]。

Sigma-Point Kalman濾波與擴展 Kalman濾波相比較,更適合于深組合系統(tǒng)。在最小二乘原則下,多傳感器動、靜態(tài)合成濾波、基于各傳感器觀測信息的融合濾波、基于各傳感器局部導(dǎo)航解的融合濾波均等價。動、靜態(tài)合成濾波和基于各傳感器觀測信息的融合濾波具有更強的容錯能力,容易應(yīng)用方差分量估計平衡各傳感器信息對導(dǎo)航結(jié)果的貢獻(xiàn)。聯(lián)邦濾波和基于局部幾何導(dǎo)航解的融合濾波糾錯能力相對較弱。在實踐中應(yīng)盡量使用動、靜態(tài)合成濾波和基于觀測信息的融合濾波[15]?；诳共罟烙嬙砗妥赃m應(yīng)估計原理構(gòu)造的抗差自適應(yīng)Kalman濾波,對觀測信息采用抗差估計原則,若觀測信息含有粗差,則相應(yīng)的等價權(quán)矩陣元素減小,從而可以控制觀測異常對狀態(tài)參數(shù)估值的影響;自適應(yīng)因子作用于預(yù)測狀態(tài)向量的協(xié)方差矩陣,若動力學(xué)模型異常,則相應(yīng)的自適應(yīng)因子減小,從而可以控制狀態(tài)模型預(yù)報信息異常對狀態(tài)參數(shù)估值的影響,自適應(yīng)因子起著調(diào)節(jié)動力學(xué)模型信息與觀測信息的功能[16]。

5)試驗驗證

由于實際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,往往很難達(dá)到理論分析或?qū)嶒炇宜玫降男Ч?進行各種復(fù)雜環(huán)境下的試驗驗證是改進設(shè)計和提高性能的保證。

4 結(jié) 論

組合導(dǎo)航系統(tǒng)有利于充分發(fā)揮各導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢,可以獲得優(yōu)于單一導(dǎo)航系統(tǒng)的性能,是目前導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的方向。深組合方式是導(dǎo)航系統(tǒng)組合的最優(yōu)方法,可以獲得比單獨導(dǎo)航系統(tǒng)更高的精度和更強的抗干擾能力。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的背景下,INS/北斗組合導(dǎo)航系統(tǒng)的作用和地位日益突出。為了充分發(fā)揮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與INS的組合優(yōu)勢,應(yīng)根據(jù)我國目前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平和實際情況,預(yù)先研究INS與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的深組合方式,突破自主研制INS/北斗深組合導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

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