慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜述

王國棟

【摘 要】慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具備不依賴外部信息，不易受干擾的優(yōu)勢，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則具備精度不隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，兩者組合所得的系統(tǒng)顯示出廣闊應(yīng)用前景。本文首先分別介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，總結(jié)并對比了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，簡述了發(fā)展歷程，綜述了國內(nèi)外慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航的組合方式和研究進(jìn)展，指出了國內(nèi)研究存在的不足之處。

【關(guān)鍵詞】慣性導(dǎo)航;衛(wèi)星導(dǎo)航;組合模式

中圖分類號： TN96-2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0115-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.052

Research Progress of Inertial/Satellite Integrated Navigation System

WANG Guo-dong

（Unit 91550，Dalian Liaoning 116023，China）

【Abstract】Inertial navigation system （INS） has the advantages of independent of external information， while global navigation satellite system （GNSS） has the characteristics of the degree of accuracy not changing with time. The combination of the two systems shows broad application prospects. Firstly， this paper introduces the basic principles of INS and GNSS， summarizes and compares their advantages and disadvantages， briefly describes the development process， summarizes the combination mode and research progress of INS/GNSS integrated navigation at home and abroad， and points out the shortcomings of domestic research.

【Key words】Inertial navigation system;Global navigation satellite system;Integrated mode

0 引言

隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭逐漸表現(xiàn)出非接觸、非對稱的特征，該現(xiàn)象在近年來美國發(fā)動(dòng)多次局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)得尤為突出。美國的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈在歷次局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)出了精確制導(dǎo)、遠(yuǎn)程打擊、可靠性高、威力大等顯著特點(diǎn)[1]。精確制導(dǎo)是達(dá)到上述效果的基本要求，而導(dǎo)航系統(tǒng)是提高導(dǎo)彈命中精度的主要部件[2]。目前較為常見的導(dǎo)航方法有無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等。各導(dǎo)航技術(shù)可單獨(dú)使用，但單一導(dǎo)航系統(tǒng)在精確制導(dǎo)方面的表現(xiàn)已經(jīng)難以滿足需求，組合導(dǎo)航顯示出了巨大的精度優(yōu)勢，成為研究和發(fā)展的主要方向[3-4]。

慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation System，INS）具備不依賴外部信息，不易受干擾的優(yōu)勢，在精確制導(dǎo)武器上應(yīng)用廣泛[5]。而無線電導(dǎo)航中的衛(wèi)星導(dǎo)航（Global Navigation Satellite System，GNSS）則具備精度不隨時(shí)間變化，但易受干擾的特點(diǎn)[6-7]。兩者各有特點(diǎn)，功能互補(bǔ)，兩者組合的導(dǎo)航系統(tǒng)成為導(dǎo)彈廣泛采用的重要技術(shù)之一，應(yīng)用廣泛[8-9]。

1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是上世紀(jì)中葉發(fā)展出的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，是載體分辨自身位置，達(dá)成使命的關(guān)鍵技術(shù)之一。慣導(dǎo)通過載體內(nèi)的傳感器組合（主要為加速度計(jì)和陀螺儀）進(jìn)行測量得到旋轉(zhuǎn)速度和加速度信息，結(jié)合初始信息，依據(jù)力學(xué)定律計(jì)算得出載體方位信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)按照采用的平臺形式分為平臺慣導(dǎo)（Gimbaled Inertial Navigation System，GINS）和捷聯(lián)慣導(dǎo)（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）[5]。

1.1 平臺慣性導(dǎo)航

GINS具有機(jī)械陀螺穩(wěn)定平臺，慣性傳感器組合通過平衡環(huán)或浮臺系統(tǒng)隔離于載體的轉(zhuǎn)動(dòng)。慣性傳感器組合中的陀螺儀可測量姿態(tài)角變化，并使力矩馬達(dá)帶動(dòng)平臺進(jìn)行反方向同角度移動(dòng)，從而使平臺在空間中保持穩(wěn)定的方位角[10]。傳感器隔離于角速度是GINS的優(yōu)點(diǎn)，可以消除許多角速度引起的誤差，允許使用高精度的慣性傳感器組合。其缺點(diǎn)在于平臺體積較大，工藝繁瑣，成本高。

1.2 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航[5]

SINS的最大特征是采用數(shù)字平臺取代機(jī)械平臺，將慣性傳感器組合直接安裝于彈體上，利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算完成導(dǎo)航平臺的功能。SINS的優(yōu)點(diǎn)是成本較低且占用空間小，缺點(diǎn)在于在安裝捷聯(lián)慣組時(shí)存在誤差角，該誤差角一直參與隨飛行時(shí)間的積分，導(dǎo)致誤差積累，因此需要高精度的對準(zhǔn)[11]。

1.3 慣性導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀

從GINS和SINS的介紹可知，慣性導(dǎo)航的精度嚴(yán)重依賴于陀螺儀，但由于軸承之間的摩擦、陀螺儀的框架存在細(xì)微不對稱和不平衡等原因，平臺臺體會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即陀螺儀的漂移，且該誤差隨著時(shí)間的延長逐漸發(fā)散，造成長時(shí)間導(dǎo)航的精度逐漸降低。

為減少陀螺漂移，研究人員對陀螺儀進(jìn)行了大量研究[12]。目前陀螺儀可分為機(jī)械式和光電式兩種。機(jī)械陀螺漂移率最低達(dá)到0.000015°/h，搭載該設(shè)備的和平保衛(wèi)者導(dǎo)彈在完全無外界信息的情況下，飛行14000km的誤差小于100m[13]，但造價(jià)過高，應(yīng)用較少。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光得以發(fā)展，具有精度高，結(jié)構(gòu)簡單，工作壽命長，無加熱啟動(dòng)時(shí)間，可靠性高等優(yōu)勢，美國三叉戟導(dǎo)彈即采用的此類陀螺儀為元器件的GINS[13]。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GNSS以衛(wèi)星信息為基礎(chǔ)，可提供位置、速度、時(shí)間信息。其基本過程[7]為：

（1）GNSS衛(wèi)星向地面發(fā)送信號;

（2）地面監(jiān)控設(shè)備接收、處理各個(gè)GNSS衛(wèi)星發(fā)送的信息，得到衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)，并發(fā)送回衛(wèi)星;

（3）衛(wèi)星發(fā)送帶有運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的信號;

（4）終端設(shè)備接收多顆衛(wèi)星（至少四顆）的信號，得到軌跡參數(shù)，通過這些參數(shù)計(jì)算出終端的位置信息和參數(shù)。

目前已有四個(gè)投入運(yùn)行的GNSS，分別為美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、俄羅斯的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GLONASS）、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System， Galileo）以及我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。

（1）GPS

GPS具有全球化、精度高等優(yōu)點(diǎn)，由24顆衛(wèi)星及地面監(jiān)控站、主控站組成，衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道，距地面約2萬公里，地面用戶在任何情況下均可接收到多顆衛(wèi)星所發(fā)送的信息，從而使得GPS具備了高精度、全球化的顯著優(yōu)勢[14]。

（2）GLONASS

GLONASS的建設(shè)歷時(shí)13年，于1996年實(shí)現(xiàn)24顆衛(wèi)星在軌，實(shí)現(xiàn)全球、全天候、實(shí)時(shí)提供位置、速度、時(shí)間信息。與GPC衛(wèi)星軌道傾角為55°不同，GLONASS采用的三條衛(wèi)星軌道傾角為64.8°[15]，該布局使得在緯度較高的國家上空有較多GLONASS衛(wèi)星，對俄羅斯較為有利。

（3）GALILEO

GALILEO是首個(gè)民間開發(fā)、民間控制、民間運(yùn)營的面向民用的多模式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2018年建設(shè)完成，衛(wèi)星數(shù)為30顆，分布于三個(gè)圓形軌道，傾角為56°[16]。GALILEO導(dǎo)航系統(tǒng)針對民用，目前民用領(lǐng)域精度最高的導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球提供定位精度在1-2m的免費(fèi)服務(wù)和1m的付費(fèi)服務(wù)。

（4）BDS

北斗是我國獨(dú)立建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，共包括35顆衛(wèi)星。在滿衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，開放服務(wù)可達(dá)10m定位精度、0.2m/s測速精度、10ns授時(shí)精度。與GPS相比，北斗具備短報(bào)文通信服務(wù)這一特有功能[17]。

3 慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)

GNSS的測量精度不隨時(shí)間變化，但是GNSS接收信號過程易受干擾。INS不需要接收外界信號，但是導(dǎo)航精度隨時(shí)間逐漸變差。INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)集兩者優(yōu)點(diǎn)于一身，規(guī)避兩者缺陷，與單模式相比，在精度、可靠性等方面有顯著優(yōu)勢。

3.1 INS/GNSS組合模式

GNSS和INS具有不同層次的組合。根據(jù)兩者耦合水平，一般把兩者的組合分為3種：松組合（loosely coupled），緊組合（tightly coupled），深組合或超緊組合（ultra tightly coupled）。

3.1.1 松組合

松組合提出較早，該模式下，系統(tǒng)同時(shí)具備獨(dú)立的GNSS和INS，各自解算載體方位和運(yùn)動(dòng)情況信息，所得結(jié)果導(dǎo)入濾波器進(jìn)行進(jìn)一步解算，估算INS的誤差情況，從而提高導(dǎo)航精度[17]。

該組合方式系統(tǒng)便于工程實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于濾波器算法要求誤差為穩(wěn)定不變的白噪聲[10]，而INS的誤差與時(shí)間相關(guān)，因此濾波器輸出的結(jié)果存在一定誤差;而且GNSS易受干擾的問題依然存在。

3.1.2 緊組合

該組合方式的改進(jìn)在于不要求完整的GNSS結(jié)果，根據(jù)GNSS提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)即可計(jì)算INS的誤差，因此在GNSS收到一定干擾，探測到的衛(wèi)星數(shù)量少于4時(shí)，所得的信息經(jīng)解算后依然可以作為濾波器的依據(jù)進(jìn)行計(jì)算[10]，估計(jì)出INS誤差值并進(jìn)行校正。該方法的缺陷在于算法的計(jì)算量較大。

3.1.3 超緊組合（深組合）

在上述組合模式中，GNSS在惡劣環(huán)境中可能出現(xiàn)不能給出任何信息的情況。鑒于此，研究人員提出超緊組合，將組合的思想應(yīng)用到接收機(jī)內(nèi)部。在緊組合的基礎(chǔ)上，濾波器以INS數(shù)據(jù)輔助GNSS跟蹤衛(wèi)星信號，提高了GNSS信號接收機(jī)在苛刻條件下的信號接收能力[18]。該方法提高了導(dǎo)航系統(tǒng)在苛刻條件下的精度，有效提高了抗干擾能力，得到廣泛的關(guān)注，其缺點(diǎn)該模式將改變現(xiàn)有的INS和GNSS的元器件，而且數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。

3.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

3.2.1 國外研究進(jìn)展

松組合提出于1988年，并得到較為充分的研究[17]。緊組合提出于1996年[18]。采用緊組合，美國的JDAM使用GPS/INS緊組合系統(tǒng)，命中范圍在13米之內(nèi);俄羅斯的KAB-500系列采用GLONASS/GPS/INS緊組合系統(tǒng)，命中范圍在10米以內(nèi)[19]。

在超緊組合方面，Draper等人在2000年驗(yàn)證了超緊組合系統(tǒng)可以增強(qiáng)GNSS在惡劣環(huán)境下接收信號的能力。Gautier等人研究了超緊組合在信號較弱的情況下的抗干擾能力，驗(yàn)證了超緊組合的優(yōu)越性能。同時(shí)，美國的L3IEC、Honeywell等公司也都建立了各自基于GPS/INS的超緊組合系統(tǒng)和相關(guān)測試設(shè)施。

3.2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)對INS/GNSS組合導(dǎo)航進(jìn)行研究開始較晚，且僅限于研究機(jī)構(gòu)，研究成果基本停留在松、緊兩種組合方法上[20-21]，對于超緊組合尚處于理論研究階段，距離工程應(yīng)用還存在巨大差距。目前，唐康華[22]等人對以微慣性測量單元所得信息為輔助，增強(qiáng)GPS信號接受能力的算法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上研究了超緊組合導(dǎo)航算法;黃新生[23]等人通過仿真驗(yàn)證了以微慣性測量單位提高GPC信號接收能力的可行性。王新龍[24]等人提出了一種基于載波相位差分的GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過SINS對GPS跟蹤環(huán)路的輔助，提高GPC信號跟蹤精度。

4 結(jié)論

綜上所述，INS/GNSS組合系統(tǒng)是在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前我國與國外在理論和應(yīng)用水平上存在顯著差距，而且現(xiàn)有工作主要在將GPS與INS進(jìn)行組合上。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的技術(shù)更為成熟和我國BDS完成組網(wǎng)運(yùn)行，針對INS和BDS進(jìn)行組合的研究必然成為今后的研究重點(diǎn)，該方面的研究具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，對我國的國防事業(yè)發(fā)展進(jìn)步有重大影響。

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