GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢

張校華+張卓彤

（1、河北科宇地質(zhì)勘查有限公司，2、中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院）

【摘要】GPS/INS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)是用GPS和INS各自的優(yōu)點進行組合得到的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。它具有定位精度高、抗干擾能力強、高動態(tài)定位準(zhǔn)等特點，應(yīng)用廣泛，是目前導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究的重要方向。本文簡要介紹了GPS/INS組合系統(tǒng)的組成及其發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】GPS INS 組合系統(tǒng) 發(fā)展趨勢

導(dǎo)航的概念首先起源于航海事業(yè)，其最初的含義是引導(dǎo)運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。隨著時代的變遷、近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、運載工具的種類增多，“導(dǎo)航”的概念也大大擴展。導(dǎo)航，就是引導(dǎo)航行，確定航行提運動到什么地方和向何方向運動的意思。于是，多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，且已成為倍受人們關(guān)注的熱門領(lǐng)域，并在軍事領(lǐng)域、空間技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛就是GPS/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（也稱為GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)）。

一、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

1958年美國軍方研制子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS），于1958年投入使用。但是該系統(tǒng)定位時觀測時間長、定位精度低，無法實時、連續(xù)的進行定位，限制性很大。為了實現(xiàn)高精度、高效率、全天候、多功能的連續(xù)導(dǎo)航與定位，于是 20世紀(jì)70年代，由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS應(yīng)運而生。

GPS全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1.定位精度高。利用GPS系統(tǒng)可以獲得動態(tài)目標(biāo)的高精度坐標(biāo)、速度和時間信息，在較大空間尺度上對靜態(tài)目標(biāo)可以獲得10-6～10-7的相對定位精度。隨著技術(shù)水平的提高，定位精度還將進一步提高。

2.觀測時間短，可以實現(xiàn)實時定位。

3.全球范圍內(nèi)連續(xù)覆蓋。隨著衛(wèi)星數(shù)目的增多，可以保證地球上（包括水面和空中）任何地點在任何時間都能觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保證全球范圍內(nèi)的全天候連續(xù)三維定位。

4. 適應(yīng)性強?？稍诟鞣N惡劣環(huán)境中工作，可以24小時工作。而且無論是高山，深谷，GPS都能夠工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是美國取消SA限制以后，其定位精度和可靠性有了很大的提高。盡管GPS具有較高的精度和較低的成本，且具有很好的長期穩(wěn)定性。但也存在下述缺點：

1.GPS衛(wèi)星星座對地球覆蓋還不完善，尤其是中緯度地區(qū)，存在著所謂的“間隔區(qū)”；

2.GPS高動態(tài)性能較差。GPS接收機的工作受飛行器機動的影響，當(dāng)飛行器的機動超過GPS接收機的動態(tài)范圍時，接收機會失鎖，從而不能工作，或者動態(tài)誤差太大，超過允許值就不能使用。

3.GPS接收機必須接收到衛(wèi)星信號才能夠進行定位、導(dǎo)航，在有遮擋的情況下不能使用（如室內(nèi)、水下、地下等）。

由于上述不足，因此目前的GPS系統(tǒng)在高可靠性的領(lǐng)域，還只能作為一種輔助導(dǎo)航設(shè)備，而不能作為唯一的導(dǎo)航設(shè)備使用，制約了其進一步的發(fā)展。

二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）簡介

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上的，它是一種自助式的導(dǎo)航方法。它完全依靠機載設(shè)備自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，不需要外界任何電磁信號，也不向外部輻射能量，可以獨立給出載體的姿態(tài)、速度和位置信息，抗外界干擾能力很強，因此具有很好的隱蔽性。其工作環(huán)境不僅包括空中、地球表面，還可以在水下，在航空、航海、火箭、導(dǎo)彈、宇宙航行等方面都有廣泛應(yīng)用。目前純粹的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足中近程導(dǎo)航精度的要求，但是還不能滿足遠程導(dǎo)航以及武器投擲、偵察、反潛等更高精度的導(dǎo)航要求。主要是由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在誤差積累、漂移大的特點，定位誤差會隨時間的延續(xù)不斷增大。因此，長時間的導(dǎo)航時需要提供校正用的外部信息。這些局限性決定了慣導(dǎo)不能夠長時間準(zhǔn)確的工作，而這恰好是GPS具備的。

三、GPS/INS組合系統(tǒng)的組成

將GPS與慣性導(dǎo)航組合成一個系統(tǒng)的主要目的就是為了提高導(dǎo)航的精度和可靠性能。這種組合的方式，克服了各自的缺點，取長補短，使綜合后的導(dǎo)航精度高于兩個系統(tǒng)單獨工作的精度，實現(xiàn)了在高動態(tài)和強干擾的復(fù)雜環(huán)境下實時、高精度的導(dǎo)航定位，是一種比較完善的導(dǎo)航系統(tǒng)。

主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1.改善系統(tǒng)精度。對于慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)、高度通道的穩(wěn)定等，從而有效的提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度；

2.加強系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力。對于GPS全球定位系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機的動態(tài)性能和抗干擾性，提高可靠性。同時提高了GPS接收機開機時信號的快速捕獲能力和由于姿態(tài)機動（遮擋）所引起信號丟失之后的在捕獲性能。

3.實現(xiàn)一體化，減小非同步誤差。GPS/INS組合系統(tǒng)可以實現(xiàn)一體化，把GPS接收機放入慣導(dǎo)部件中，可以使系統(tǒng)的體積、重量和成本進一步減小，且便于實現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS的同步，減小非同步誤差。

總之，GPS/INS組合系統(tǒng)可以構(gòu)成一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向。

四、GPS/INS組合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

GPS/INS組合系統(tǒng)作為導(dǎo)航系統(tǒng)的一個重要組成部分，已經(jīng)成為國際上的一個研究熱點，尤其是低成本的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。國際上對智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究始于七十年代。八十年代開始，美、英、法等國的軍方和一些民用部門開始對組合系統(tǒng)表示出興趣，一些主要的慣導(dǎo)制造廠家紛紛投入力量研制GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中來。目前研究水平較為先進的是美國的國家航宇局和加拿大的渥太華國防研究中心。國外一些著名大學(xué)如麻省理工學(xué)院、加利福尼亞大學(xué)、斯坦福大學(xué)等，也都將組合導(dǎo)航作為了一項重要的研究領(lǐng)域。

國內(nèi)的一些高等院校、研究所和企業(yè)公司也開展了組合導(dǎo)航的多項技術(shù)的研究。例如北京航空航天大學(xué)研究設(shè)計了一種“GPS/INS/MM（地圖匹配）車輛定位系統(tǒng)”，其組合定位誤差達到±40m。

目前GPS/INS組合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為：1.提高GPS系統(tǒng)的抗干擾性能，提高GPS/INS組合制導(dǎo)的可靠性；2.研制新型INS系統(tǒng)，從而提高GPS/INS組合制導(dǎo)的精度；3.研究數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進一步提高GPS/INS組合制導(dǎo)的性能。

五、結(jié)論

雖然GPS/INS組合系統(tǒng)還在研究發(fā)展中，但是GPS/INS組合系統(tǒng)中的GPS與INS是互補的、互相提高的一種組合集成系統(tǒng)，其定位精度高、可靠性好、性能強，系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，應(yīng)用領(lǐng)域更寬廣，將會是導(dǎo)航研究的一個重點方向。