BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

李　紅，蔡成林

（1.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，桂林541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，桂林541004）

BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

李紅1，蔡成林2

（1.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，桂林541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，桂林541004）

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）建設(shè)逐漸完善，BDS與慣性（INS）組合導(dǎo)航研究已成為導(dǎo)航技術(shù)最具應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。對(duì)BDS/INS組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行論述。重點(diǎn)分析組合導(dǎo)航方式的實(shí)現(xiàn)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，歸納總結(jié)BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)及研究現(xiàn)狀，并介紹其應(yīng)用研究進(jìn)展，總結(jié)BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)研究趨勢(shì)，對(duì)進(jìn)一步深入研究BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)具有借鑒意義。

北斗二代；慣性導(dǎo)航；組合導(dǎo)航；濾波算法

0　引言

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是目前我國自主研制并計(jì)劃在2020年完成整體系統(tǒng)構(gòu)建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗二號(hào)致力于為所有用戶提供持續(xù)可靠的授時(shí)、導(dǎo)航定位及短信報(bào)文服務(wù)[1]。但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在易受干擾、數(shù)據(jù)輸出頻率低及動(dòng)態(tài)環(huán)境下精度低可靠性差等不足。尤其在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出滯后、信號(hào)不易捕獲等情況下會(huì)進(jìn)一步降低北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，因此單純依賴北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航是不夠的。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有純自主，可提供連續(xù)實(shí)時(shí)的全參數(shù)導(dǎo)航信息，具有短時(shí)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但同時(shí)也存在導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累呈發(fā)散趨勢(shì)的局限性，通常將其與其他導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息源進(jìn)行組合導(dǎo)航。在組合導(dǎo)航方式中，慣導(dǎo)與衛(wèi)星組合導(dǎo)航是目前最常見的組合形式，以修正慣導(dǎo)隨時(shí)間累積誤差，提高衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾及重捕獲等性能，從而達(dá)到提高導(dǎo)航系統(tǒng)的總體性能[2]。本文主要對(duì)BDS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)研究及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納論述。

1　BDS/INS組合方式分析

在BDS/INS組合導(dǎo)航研究中，可將BDS/INS進(jìn)行多種不同方式的組合，按照不同深度導(dǎo)航組合方法可大致分為松組合、緊組合和深組合三類[3]。BDS/INS不同的組合方式會(huì)帶來不同的實(shí)現(xiàn)難度及導(dǎo)航性能。

如圖1所示，在松組合方式中將BDS及INS的位置、速度輸出量差值作為組合濾波器的輸入值，通過濾波估計(jì)，對(duì)INS的導(dǎo)航信息輸出量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并將估計(jì)值反饋給INS進(jìn)行誤差修正。松組合方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程實(shí)現(xiàn)難度低，還能有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及定位精度。

圖1　松組合方式原理圖

如圖2所示，緊組合方式的實(shí)現(xiàn)原理與松組合類似，都是將濾波估計(jì)值反饋給INS進(jìn)行誤差修正。不同于松組合的是，緊組合是將INS導(dǎo)航結(jié)果推算得到的偽距及偽距率與BDS接收機(jī)觀測(cè)到的偽距與偽距率的差值作為組合濾波器的輸入值，因此其工程實(shí)現(xiàn)要相對(duì)復(fù)雜一些。其優(yōu)點(diǎn)是能更有效地修正INS器件誤差及對(duì)準(zhǔn)誤差，較松組合方式能獲得更高的精度。

圖2　緊組合方式原理圖

松組合和緊組合方式主要是利用BDS輔助INS進(jìn)行組合導(dǎo)航，兩種導(dǎo)航系統(tǒng)工作在相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，無法充分利用已有的導(dǎo)航信息[4]。如圖3所示，深組合方式不僅會(huì)將估計(jì)值反饋給INS進(jìn)行誤差修正，同時(shí)還會(huì)利用INS修正后的速度信息對(duì)BDS接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助跟蹤修正[5]。深組合的這種相互修正的實(shí)現(xiàn)方式使得BDS接收機(jī)可以充分利用INS提供的導(dǎo)航信息，達(dá)到無量測(cè)輸入誤差。

盡管在結(jié)構(gòu)、濾波算法及工程實(shí)現(xiàn)等方面深組合會(huì)更加復(fù)雜，但其在高動(dòng)態(tài)或強(qiáng)干擾環(huán)境下所表現(xiàn)的優(yōu)異性能及對(duì)多路徑效應(yīng)有較好的抑制和修正作用等顯著優(yōu)點(diǎn)，使其成為備受研究者關(guān)注的組合方式。深組合與松組合及緊組合主要有以下幾方面的區(qū)別：（1）松、緊組合導(dǎo)航中由GNSS單向輔助INS，而無法充分利用所有的導(dǎo)航信息，深組合中GNSS與INS相互輔助，通過進(jìn)一步充分利用導(dǎo)航信息，而得到更高質(zhì)量的導(dǎo)航性能。（2）松、緊組合導(dǎo)航中采用標(biāo)量跟蹤方式，跟蹤與導(dǎo)航解算分為兩步進(jìn)行，而深組合采用矢量跟蹤形式，跟蹤和解算一步到位，在弱信號(hào)、低信噪比環(huán)境中，這種跟蹤形式性能良好。

圖3　深組合方式原理圖

2　BDS/INS組合導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

目前用于提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度及系統(tǒng)性能的方法通常會(huì)采用先進(jìn)的硬件或軟件方法來提高系統(tǒng)定位精度。在常見的衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中主要利用慣導(dǎo)系統(tǒng)純自主導(dǎo)航帶來的短期高精度性能來彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在干擾環(huán)境下信號(hào)捕獲能力下降致使誤差增大或發(fā)散的局限性，以提高衛(wèi)星導(dǎo)航的重新捕獲能力和抗干擾能力，同時(shí)慣導(dǎo)利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的適中精度及可靠性來修正自身因時(shí)間累積而造成誤差發(fā)散的缺陷，彼此取長補(bǔ)短，以構(gòu)成滿足實(shí)際需求的導(dǎo)航系統(tǒng)。

在確定硬件性能的情況下，濾波理論及融合算法對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能起著決定性作用[6]。傳統(tǒng)卡爾曼濾波在理論上只適用噪聲為高斯分布的線性系統(tǒng)，但組合導(dǎo)航系統(tǒng)本質(zhì)上是非線性系統(tǒng)且為非高斯噪聲[7]。為解決非線性系統(tǒng)的最優(yōu)估計(jì)問題，A.H.J等人提出了擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）方法。粒子濾波算法(PF)算法不受限于高斯分布的假設(shè)，使得其善于處理組合導(dǎo)航系統(tǒng)中非線性非高斯情況下的濾波問題。但PF算法隨機(jī)采樣，需大量的粒子點(diǎn)來近似非線性函數(shù)的概率分布，因增大計(jì)算量而濾波實(shí)時(shí)性不能得到保證。為提高非線性系統(tǒng)濾波實(shí)時(shí)性和精度，S.J.Juliear和J.K.Uhlman提出了Unscented卡爾曼濾波（UKF）[8]。對(duì)非線性系統(tǒng)，UKF不需要再進(jìn)行線性化處理，因而無高階項(xiàng)的截?cái)嗾`差，性能優(yōu)于EKF，同時(shí)UKF計(jì)算量明顯小于PF。

EKF和UKF等KF只是對(duì)線性卡爾曼濾波方法的變形或改進(jìn)，一般不適用于系統(tǒng)狀態(tài)為非高斯分布的系統(tǒng)模型。但PF不受高斯假設(shè)及模型非線性系統(tǒng)的限制，適用于任何非線性非高斯的系統(tǒng)模型，所以相比而言，PF是非高斯非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的“最優(yōu)”濾波算法。郭瑤等人[9]從組合濾波器的角度出發(fā)，提出了一種新的載波/碼組合濾波器，為北斗/慣導(dǎo)深耦合組合導(dǎo)航系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)上提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)思路。探索適用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)新的濾波方法，設(shè)計(jì)高效的濾波器，將成為組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

3　應(yīng)用研究現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自對(duì)用戶開放使用以來，已被廣泛應(yīng)用到車載導(dǎo)航、基礎(chǔ)測(cè)繪、通信服務(wù)、氣象觀測(cè)、海洋漁業(yè)、勘探等多個(gè)領(lǐng)域。隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的逐漸完善“北斗”導(dǎo)航在車載位置服務(wù)、測(cè)繪、應(yīng)急求助等軍民用市場(chǎng)得到批量應(yīng)用，如在某高精度測(cè)量應(yīng)用中“北斗”已占據(jù)1/3市場(chǎng)份額[10]。

“北斗”在民用導(dǎo)航定位服務(wù)上主要應(yīng)用于兩大產(chǎn)業(yè)：一是車載導(dǎo)航應(yīng)用及周邊服務(wù)；二是移動(dòng)通信、終端導(dǎo)航定位及相關(guān)服務(wù)，并已在個(gè)人位置服務(wù)、氣象觀測(cè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用[11]。在軍用方面，衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)將能加快軍隊(duì)信息化，與部隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)，實(shí)時(shí)傳輸、共享信息態(tài)勢(shì)，對(duì)部隊(duì)指揮控制、模擬訓(xùn)練等將帶來幫助，將極大地提高軍隊(duì)信息化作戰(zhàn)能力及現(xiàn)代化革新。憑借BDS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度及可靠性將提高我國武器的精準(zhǔn)打擊力度，縮短武器反應(yīng)時(shí)間。因此，應(yīng)大力促進(jìn)北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事及民用方面的應(yīng)用，要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)多層次融合，在信息產(chǎn)業(yè)上實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域融合，以需求為驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)技術(shù)革新，以技術(shù)創(chuàng)新為基石，促進(jìn)組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

4　結(jié)語

近年來受高動(dòng)態(tài)、抗干擾、高精度導(dǎo)航性能需求的推動(dòng)，組合導(dǎo)航技術(shù)已成為導(dǎo)航技術(shù)最具潛力的發(fā)展方向。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展日臻完善，加速研究與BDS相關(guān)的組合導(dǎo)航技術(shù)對(duì)我國導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著巨大的市場(chǎng)需求，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)向著泛在導(dǎo)航，室內(nèi)外無縫定位技術(shù)發(fā)展，成為促進(jìn)現(xiàn)代導(dǎo)航位置信息服務(wù)核心推動(dòng)力，對(duì)支撐導(dǎo)航與位置服務(wù)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將會(huì)帶來巨大的發(fā)展前景和商業(yè)價(jià)值。

[1]楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010(01):1~6

[2]全偉,劉百奇,宮曉琳等.慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011

[3]蔣慶仙，田育民，孫葵.北斗/INS組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)分析[J].全球定位系統(tǒng)，2010，6：56~60

[4]王新龍，于潔．基于矢量跟蹤的SINS/GPS深組合導(dǎo)航方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，17(6):710~717

[5]陳偲,王可東.慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航緊耦合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].全球定位系統(tǒng),2007,32(3):21~26

[6]楊元喜.多傳感器融合導(dǎo)航方法的比較[J].測(cè)繪科學(xué)與工程，2006，26(2):1~3

[7]趙琳，王小旭等.組合導(dǎo)航系統(tǒng)非線性濾波算法綜述[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,17(1)

[8]Julier S J,Uhlmann J K.A New Approach for Filtering Nonlinear System[C]Proceedings of the 1995 American Control Conference, 1995:1628~1632

[9]郭瑤,吳文啟,唐康華等.北斗/INS深耦合接收機(jī)基帶濾波器設(shè)計(jì)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2013,21(01):71-75.

[10]冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行與發(fā)展[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2014,(08).

[11]李克昭，韓夢(mèng)澤，孟福軍。北斗系統(tǒng)的特色、機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2014，(2).

Research Progress of BDS/INS Integration Navigation Technology

LI Hong1，CAI Cheng-lin2

（1.School of Computer Science and Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004；
2.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

With the development of the Beidou satellite navigation system technology,the study of BDS/INS has been a research focus currently.Discusses the development and application status of BDS/INS integrated navigation technology.Focuses on the pros and cons of principles of the integrated navigation method,further sums up the current BDS/INS integrated navigation technology and the current status,as well as it's application and research progress.Then summarizes the trends of the research of BDS/INS integration technology and providing valuable reference for further study of BDS/INS integration navigation technology.

BD-2;Inertial Navigation System;Integrated Navigation System;Filter Method

1007-1423（2015）11-0065-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.013

李紅（1987-），男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向?yàn)楸倍放c慣性組合導(dǎo)航技術(shù)

2015-03-12

2015-03-30