GPS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)

劉志　謝焱鑫　張宏宏　黃旭

摘要：全球定位系統(tǒng)（GPS）與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是目前研究的較多的導(dǎo)航方式，在諸多方面具有互補(bǔ)性。兩者結(jié)合，能克服缺點(diǎn)，提高導(dǎo)航精度。本文主要介紹了GPS/INS的幾種組合方式，對(duì)其前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 組合導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是利用陀螺儀、加速度計(jì)等慣性器件，通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的加速度來(lái)得到速度和運(yùn)動(dòng)距離，從而給出目標(biāo)的瞬時(shí)速度和位置數(shù)據(jù)。INS不依賴(lài)外界信息，輸出信號(hào)連續(xù)、頻帶寬、噪聲相對(duì)較低，但導(dǎo)航參數(shù)會(huì)隨時(shí)間飄移。全球定位系統(tǒng)（GPS）是全球、全天候、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用廣。但是也有以下的缺點(diǎn)。一方面，GPS得到的導(dǎo)航參量噪聲相對(duì)較大，信號(hào)易受干擾，受到干擾的情況下，會(huì)導(dǎo)致定位精度下降，更嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致GPS不工作。另一方面，當(dāng)載體處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如果超出GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，信號(hào)接收會(huì)失鎖。此外，相比于慣導(dǎo)而言，GPS數(shù)據(jù)更新頻率低，信號(hào)噪聲大，實(shí)時(shí)性較差，不能對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的載體提供連續(xù)的導(dǎo)航參量。所以，基于GPS的導(dǎo)航方法的系統(tǒng)都是比較脆弱的。GPS與INS組合，既能保證實(shí)時(shí)性的要求，又能提高準(zhǔn)確性和可靠性，是目前常用的組合方法。

目前，對(duì)于GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究主要集中在組合方式和數(shù)據(jù)融合兩方面。根據(jù)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，信息融合的方式以及融合的程度，它可以分為松組合、緊組合，超緊組合（深組合）三種模式。

圖1是典型的松組合模式結(jié)構(gòu)圖，是最基本的組合方式。該組合方式將GPS輸出的位置、速度和INS得到的位置、速度做差，并將差值作為濾波器的輸入，濾波器的輸出對(duì)INS進(jìn)行反饋校正或輸出校正。該組合方式的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算量較小，工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；兩子系統(tǒng)均可以獨(dú)立工作，獨(dú)立性較強(qiáng)，某一系統(tǒng)故障時(shí)，仍然有一個(gè)系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航信息。其缺點(diǎn)是GPS工作時(shí)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量至少四顆，GPS的導(dǎo)航輸出與時(shí)間相關(guān)，導(dǎo)致卡爾曼濾波器穩(wěn)定性差。

緊組合方式使用GPS接收機(jī)和INS的偽距、偽距率的差值作為組合濾波器的觀測(cè)量，因此又稱(chēng)為偽距，偽距率組合。在此組合方式中，GPS利用INS信息輔助衛(wèi)星捕獲及加快選星過(guò)程，也可以利用修正的INS數(shù)據(jù)和原始的INS信息輔助GPS的跟蹤回路。因此一般情況下，緊組合導(dǎo)航精度更高。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于緊組合犧牲子系統(tǒng)的獨(dú)立性來(lái)提高導(dǎo)航精度，需要進(jìn)行星歷計(jì)算與延遲誤差補(bǔ)償，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)導(dǎo)航能力有所下降，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。其優(yōu)點(diǎn)在于可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目小于四顆時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)可以保持較高精度，同時(shí)也沒(méi)有量測(cè)輸入相關(guān)問(wèn)題。

在高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)等惡劣環(huán)境中，無(wú)論松組合還是緊組合，GPS接收機(jī)無(wú)法穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，致使組合導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法工作。因此提出了深組合，也稱(chēng)為超緊組合，這是耦合程度最深的一種組合方式，其主要標(biāo)志是用慣導(dǎo)信息輔助GPS接收機(jī)跟蹤回路。深組合的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：組合濾波器把GPS/INS的數(shù)據(jù)融合和GPS信號(hào)跟蹤集成與一體，這樣就使得GPS在弱信號(hào)、高動(dòng)態(tài)情況下的性能有所提高；此外，利用INS導(dǎo)航輸出輔助GPS，提高了GPS的等效帶寬。基于以上優(yōu)點(diǎn)，深組合成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但是深組合模式將改變現(xiàn)有的GPS接收機(jī)和INS系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，工程實(shí)現(xiàn)將比其他組合方式復(fù)雜。

GPS/INS組合導(dǎo)航具有很多優(yōu)點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說(shuō)，高精度慣導(dǎo)價(jià)格昂貴，采用低精度的慣導(dǎo)就可以達(dá)到較高的導(dǎo)航定位精度，能夠減少成本，又能提高定位精度，軍事、民用應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)，GPS/INS組合導(dǎo)航可以廣泛應(yīng)用于武器平臺(tái)和運(yùn)行體精確定位、測(cè)速和導(dǎo)航；也可以應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器，提高打擊精度。目前無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，GPS/INS組合導(dǎo)航與無(wú)人機(jī)上契合度較高，對(duì)于提高精度降低成本來(lái)說(shuō)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

GPS/INS組合導(dǎo)航不僅實(shí)用性很高，目前也有不少此方面的研究；而且發(fā)展?jié)摿薮?，使該技術(shù)在各國(guó)備受支持。該組合導(dǎo)航方式精度的提高主要與INS的精度有關(guān)。目前，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和干涉型光纖陀螺（IFOG）技術(shù)不斷進(jìn)步，制作工藝日益成熟，使INS精度不斷提高。長(zhǎng)遠(yuǎn)的看，MEMS將在未來(lái)應(yīng)用中占有很大的比重。GPS/INS將在航空航天、國(guó)防及民用市場(chǎng)發(fā)揮更大的作用。