GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)

劉國(guó)亮，吳視野

(1.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29研究所，成都 610036)

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GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)

劉國(guó)亮1，吳視野2

(1.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29研究所，成都 610036)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用是與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)進(jìn)行組合導(dǎo)航。介紹了GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理，對(duì)接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；組合導(dǎo)航；松組合；緊組合；深組合

0 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是一種天基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠在全球范圍內(nèi)為多個(gè)用戶提供全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)的高精度三維位置、速度及時(shí)間信息。GNSS具有較高精度、較低成本和長(zhǎng)期穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但多類導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)組合仍然不能完全避免衛(wèi)星信號(hào)受遮擋而不能實(shí)施導(dǎo)航的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)載體通過遂道或城市樓群間時(shí)，這種信號(hào)盲區(qū)一般不能通過多類衛(wèi)星組合加以克服。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導(dǎo)航參數(shù)(位置、速度、姿態(tài))等優(yōu)點(diǎn)，是目前最主要的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。但導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累是INS的一個(gè)致命缺點(diǎn)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相組合的導(dǎo)航系統(tǒng)，既能克服慣性導(dǎo)航隨時(shí)間漂移的弊病，又能提高抗干擾能力，得到采用單一系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]：

(1) 發(fā)現(xiàn)并校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的累計(jì)誤差，提高導(dǎo)航精度；

(2) 在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)無法覆蓋的區(qū)域具有導(dǎo)航能力；

(3) 提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的搜索速度，提高對(duì)信號(hào)周跳的檢測(cè)能力，提升組合導(dǎo)航可靠性；

(4) 提高導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲能力，增強(qiáng)導(dǎo)航效率；

(5) 提高異常誤差的監(jiān)測(cè)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)功能；

(6) 提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

本文首先對(duì)GNSS/INS組合的3種模式進(jìn)行介紹，然后對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后對(duì)GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 GNSS/INS組合導(dǎo)航原理

按照組合深度的不同，GNSS/INS組合可以分為以下3類：松組合、緊組合、深組合。

1.1 松組合導(dǎo)航接收機(jī)原理

松組合又稱級(jí)聯(lián)Kalman濾波方式。在松組合方式中，觀測(cè)量為INS和GNSS輸出的速度和位置信息的差值，系統(tǒng)方程為INS線性化的誤差方程。通過擴(kuò)展Kalman濾波(EKF)對(duì)INS的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)INS進(jìn)行輸出或者反饋校正。

GNSS/INS松組合方式的原理如圖1所示[2]。

圖1 GNSS/INS松組合原理框圖

松組合方式將2個(gè)系統(tǒng)的定位結(jié)果差異反饋給INS子系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)地對(duì)INS傳感器進(jìn)行偏差校正。雖然這種反饋回路不是松組合方式所必需的，但在慣性傳感器質(zhì)量較差時(shí)采用這種方式非常有效。由于INS子系統(tǒng)在組合中占據(jù)了主導(dǎo)地位，因此這種組合方式又稱為受GNSS輔助的INS系統(tǒng)。

松組合方式的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能大幅度提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，并使INS具有動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)能力。

松組合方式的缺點(diǎn)是：(1)GNSS接收機(jī)通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和位置，濾波器是串聯(lián)關(guān)系，使組合導(dǎo)航觀測(cè)的噪聲是與時(shí)間相關(guān)的有色噪聲，不滿足EKF觀測(cè)噪聲為白噪聲的要求，嚴(yán)重時(shí)可能使濾波器不穩(wěn)定；(2)幾乎無冗余信息，不利于異常診斷，不利于進(jìn)行隨機(jī)模型改進(jìn)。

1.2 緊組合導(dǎo)航接收機(jī)原理

GNSS與INS在偽距、載波相位和多普勒頻移等測(cè)距領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行的組合稱為緊組合，它比松組合方式略復(fù)雜，但性能通常較好。緊組合方式的原理如圖2所示[3]。

圖2 GNSS/INS緊組合原理框圖

緊組合方式中，INS子系統(tǒng)輸出位置和速度結(jié)果，然后它們與GNSS的偽距、多普勒頻移等測(cè)量值整合在一起。根據(jù)INS子系統(tǒng)的定位、定速結(jié)果以及GNSS衛(wèi)星星歷，緊組合系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出GNSS信號(hào)的偽距與多普勒頻移等，而這些測(cè)量預(yù)測(cè)值與GNSS實(shí)際測(cè)量值一起通過相減形成誤差信號(hào)(即殘余)，接著測(cè)量殘余再經(jīng)過Kalman濾波后就得到對(duì)INS子系統(tǒng)定位、測(cè)速結(jié)果的校正量。同時(shí)，準(zhǔn)確的GNSS測(cè)量預(yù)測(cè)值還可用來有效地檢測(cè)GNSS實(shí)際測(cè)量值的正誤，排除那些比如遭多徑影響的錯(cuò)誤偽距、由反射波信號(hào)引起的異常多普勒頻移以及由失鎖或失周帶來的故障載波相位測(cè)量值等。另外，INS子系統(tǒng)的定位輸出通常不與GNSS測(cè)量值相關(guān)。由于不存在濾波器的級(jí)聯(lián)，并可對(duì)GNSS接收機(jī)的測(cè)距誤差進(jìn)行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度，而且在可見星的個(gè)數(shù)少于4顆時(shí)也可以使用。另外，緊組合方式中，不同時(shí)刻GNSS測(cè)量值之間的相關(guān)性較低，這是緊組合方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1.3 深組合導(dǎo)航接收機(jī)原理

深組合方式在緊組合的基礎(chǔ)上，將慣性導(dǎo)航信息反饋給GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤環(huán)路，從而幫助接收機(jī)更好地跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的載波相位(或頻率)和碼相位。深組合方式的原理如圖3所示。

圖3 GNSS/INS深組合原理框圖

其主要思想是：使用濾波技術(shù)對(duì)INS的誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，同時(shí)使用校正后的INS速度信息對(duì)接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助跟蹤，從而減小環(huán)路的等效帶寬，增加GNSS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)或強(qiáng)干擾環(huán)境下的跟蹤能力。與深組合方式相比，松組合方式和緊組合方式中的接收機(jī)信號(hào)跟蹤環(huán)路必須維持一個(gè)足夠大的濾波帶寬，以盡可能保證當(dāng)用戶突然改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)依然能夠跟蹤、鎖定各個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。然而，一個(gè)較大的濾波帶寬也就意味著較高的噪聲量。相比之下，GNSS接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)失鎖后，深組合方式能夠更準(zhǔn)確地定位和測(cè)速，并且能夠幫助接收機(jī)更快地重鎖信號(hào)。深組合方式將INS和GNSS進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過共用電源、時(shí)鐘等進(jìn)一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響[4]。

2 GNSS/INS組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)分析[5-6]

2.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)建模及最優(yōu)控制技術(shù)

GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂评碚摳嬖V我們，設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)首先需要考慮在參數(shù)允許變化范圍內(nèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也就是說，通過調(diào)節(jié)合適的參數(shù)，能夠使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。從抗干擾的角度，還需考慮系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的魯棒性。另外，還需兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。從最優(yōu)控制的角度，需要保證在可容忍的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)是收斂的。對(duì)高動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)合，還需保證系統(tǒng)對(duì)控制命令響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要建立合適的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行必要的仿真研究，對(duì)系統(tǒng)的各種重要性能進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)前的評(píng)估。工程上，常采用MATLAB/Simulink仿真工具來實(shí)現(xiàn)。

2.2 組合導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)抗干擾技術(shù)

GNSS以其全球性、全天候、準(zhǔn)確定位、誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航定位可以通過偽碼測(cè)量和載波相位測(cè)量實(shí)現(xiàn)。基于偽碼測(cè)量的導(dǎo)航定位雖然應(yīng)用廣泛，但是精度較低，完善性較差；基于載波相位的定位精度很高，但是抗干擾能力、完善性和動(dòng)態(tài)性能較差。

鑒于INS和GNSS性能的強(qiáng)烈互補(bǔ)，將慣導(dǎo)信息引入到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載波相位環(huán)中建立GNSS/INS組合導(dǎo)航模式，即利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置、速度、加速度信息輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路，獲得高精度的載波相位測(cè)量值，并提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、抗干擾能力、完善性與連續(xù)性；利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的載波相位測(cè)量值輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的發(fā)散，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完善性、連續(xù)性、可用性以及抗干擾性能[7]。

GNSS利用校正后的慣性位置和速度信息輔助，進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的捕獲，并利用估計(jì)的偽距誤差和偽距率誤差分別輔助碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)，可以有效地提高環(huán)路的等效帶寬，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的捕獲、跟蹤和抗干擾性能，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。在高動(dòng)態(tài)和干擾環(huán)境中，可保證衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不間斷地修正慣性元件測(cè)量誤差和姿態(tài)矩陣，因此GNSS/INS組合模式的系統(tǒng)精度較高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

從控制系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析GNSS/INS組合導(dǎo)航可以看出：獨(dú)立工作的衛(wèi)星導(dǎo)航信息是以較低頻率運(yùn)行的臨界穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)，引入高速運(yùn)行的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)反饋信息，使得GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)成為一個(gè)閉環(huán)且穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，因此，INS的導(dǎo)航信息與GNSS信息的相互融合保證了組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，縮短了系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)了復(fù)雜環(huán)境下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力與完善性，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與可靠性，從而為載體提供了精確可靠的導(dǎo)航定位信息和精密的授時(shí)信息[8]。

2.3 高動(dòng)態(tài)環(huán)境下捕獲、跟蹤技術(shù)

高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的載波和碼捕獲是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，沒有正確的載波和碼捕獲，導(dǎo)航系統(tǒng)不可能正常工作。導(dǎo)航接收機(jī)的捕獲一般都有一個(gè)二維并行搜索過程，捕獲的目的是識(shí)別所接收衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲碼(PRN)(包括C碼和P碼)，從而獲得載波多普勒偏移和碼相位的粗略估計(jì)值。

GNSS接收機(jī)跟蹤的碼環(huán)和載波環(huán)分別達(dá)到跟蹤碼和跟蹤載波的目的。碼環(huán)通常是延遲鎖定環(huán)(DLL)，載波環(huán)根據(jù)載波環(huán)鑒別器確定了跟蹤環(huán)的類型，即鎖相環(huán)(PLL)、科斯塔斯鎖相環(huán)(CostasPLL)、鎖頻環(huán)(FLL)。為了滿足載波跟蹤環(huán)路的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)要求，需要增大環(huán)路噪聲帶寬，而環(huán)路帶寬的增加又使噪聲變大，降低了接收機(jī)的抗干擾性能。圖4采用INS速度輔助的GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的方法，即將衛(wèi)星速度和INS中載體速度求得的多普勒頻率引入到跟蹤環(huán)路中，能使環(huán)路噪聲帶寬大幅減小，提高接收機(jī)的抗干擾性能[9]。

圖4 INS速度輔助GNSS跟蹤環(huán)路框圖

(1)

(2)

當(dāng)INS 速度信息為理想值時(shí)，即τ=1,k=0，則有H(s) =1，He(s) =0。這說明理想速度輔助下的GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路，能夠跟蹤載體的任何機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生誤差。然而，在實(shí)際的跟蹤環(huán)路中，VCO 存在著不穩(wěn)定等因素，即使INS 速度輔助信息不含誤差，仍然會(huì)導(dǎo)致跟蹤誤差。不過，在一定信噪比條件下，輔助速度越精確，則跟蹤誤差也越小[10]。

2.4 組合導(dǎo)航接收機(jī)信息融合技術(shù)

GNSS/INS組合導(dǎo)航是利用慣性敏感器測(cè)量信息和衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行融合來提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度、可靠性與冗余度的技術(shù)。衛(wèi)星定位以及INS解算過程都存在非線性環(huán)節(jié)，因此需要選擇一個(gè)最優(yōu)的在線非線性信息融合策略將慣性傳感器和衛(wèi)星信息進(jìn)行有效融合。現(xiàn)實(shí)世界中，幾乎所有的系統(tǒng)都具有非線性、非高斯的特性。對(duì)于這些非線性模型，如果利用線性Kalman濾波方法進(jìn)行信息融合將會(huì)導(dǎo)致濾波器的不穩(wěn)定，精度及可靠性均不能滿足組合導(dǎo)航系統(tǒng)需要。采用線性化的擴(kuò)展Kalman(EKF)方法進(jìn)行信息融合雖然具有較高的計(jì)算效率，但是以精度上的損失及對(duì)模型的約束為代價(jià)，在一定程度上影響了系統(tǒng)的性能，特別是對(duì)于非線性較強(qiáng)的跟蹤環(huán)路濾波器和組合導(dǎo)航濾波器如采用EKF會(huì)造成狀態(tài)估計(jì)的失真。因此，需要以GNSS/INS組合為對(duì)象，開展多種非線性濾波器的應(yīng)用研究，遵循從繁到簡(jiǎn)的原則，選擇、設(shè)計(jì)和測(cè)試慣性信息和衛(wèi)星信息的最優(yōu)融合策略[11-12]。

3 GNSS/INS組合導(dǎo)航應(yīng)用前景分析

美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，特別伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，使用了各種精確制導(dǎo)武器攻擊敵方地面目標(biāo)。這些精確制導(dǎo)武器的一個(gè)共同點(diǎn)是采用GNSS/INS組合制導(dǎo)作為它們的中程制導(dǎo)，并在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得了良好的攻擊效果。

GNSS/INS組合導(dǎo)航能極大地提高導(dǎo)彈、飛船、火箭、飛機(jī)、艦船、車輛、單兵等的高精度定位和導(dǎo)航能力，具有重大的戰(zhàn)略意義和廣闊的軍民應(yīng)用前景。

3.1 精確導(dǎo)航、制導(dǎo)應(yīng)用

GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)為各類用戶實(shí)時(shí)提供高精度位置信息和時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)全天候的精確導(dǎo)航和制導(dǎo)，在軍事上可廣泛應(yīng)用于各類機(jī)動(dòng)武器平臺(tái)精確導(dǎo)航和精確制導(dǎo)武器的精確打擊等，可有效提高導(dǎo)彈或炸彈的打擊精度。

3.2 精確定位、測(cè)速應(yīng)用

GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)在軍事上可廣泛用于各種有人飛機(jī)、無人機(jī)、艦艇、裝甲車輛等各種武器平臺(tái)和系統(tǒng)的精確定位和測(cè)速，可有效提高作戰(zhàn)部隊(duì)快速反應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)能力，贏得戰(zhàn)爭(zhēng)先機(jī)[13]。

3.3 嵌入、融合應(yīng)用

GNSS/INS組合導(dǎo)航接收機(jī)能嵌入其它系統(tǒng)。如與通信系統(tǒng)結(jié)合可報(bào)告用戶位置，使看得見的指揮成為可能，與偵察系統(tǒng)結(jié)合可用于緊急救援，對(duì)飛行員遇險(xiǎn)救生和無人飛機(jī)、深海潛艇位置等意義很大，與偵察衛(wèi)星結(jié)合可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視等[14]。

嵌入、融合將使組合導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極大擴(kuò)展，發(fā)揮了衛(wèi)星導(dǎo)航無所不在的能力，尤其是融合在天基網(wǎng)中，使數(shù)字化部隊(duì)和數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)成為可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于其巨大的優(yōu)越性和潛力，GNSS/INS組合，尤其是深組合導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)將成為未來組合導(dǎo)航應(yīng)用的必然發(fā)展方向。該技術(shù)受到包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)航空航天部門以及軍方的大力支持，正在快速發(fā)展之中。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的日益成熟，以及GNSS接收機(jī)逐步實(shí)現(xiàn)芯片化，通過深組合技術(shù)將MEMS-慣性測(cè)量單元(IMU)與GNSS進(jìn)行組合，研制微型一體化的高性能深組合導(dǎo)航接收機(jī)，將在航空航天、國(guó)防甚至民用市場(chǎng)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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GNSS/INS Integrated Navigation Receiver Technology

LIU Guo-liang1,WU Shi-ye2

(1.Military Representative Bureau of Naval Equipment in Chongqing Region，Chongqing 400042，China；2.The 29th Research Institute of CSIC，Chengdu 610036，China)

One of the most important applications of global navigation satellite system (GNSS) is the integrated navigation with inertial navigation system (INS).This article introduces the operation principle of GNSS/INS integrated navigation receiver,analyzes the key technologies of receiver,and prospects the future of application.

global navigation satellite system;inertial navigation system;integrated navigation;loose integration;tight integration;deep integration

2015-11-02

TN965.5

A

CN32-1413(2016)03-0074-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.019