导航大作业GPS/INS 组合导航（仪器科学与工程学院）摘要：GPS/INS 组合导航是用 GPS 和 INS 各自的优点进行组合得到的组合导航系统它能够拥有 GPS 的长距离同误差和 INS 的短距离精确导航的优点，本文是关于 GPS/INS 组合导航的综述关键词：组合导航；惯性导航系统；GPS；INSGPS 可以提供全球性的、全天候的、高精度的无源式三维导航定位服务，定位误差不随时间增长，但是 GPS 的自主性差，需要依靠运营商，受地形建筑的遮蔽信号物的影响，很难做到高精度实时动态控制和导航而 INS 的短期精度高、自主性强、抗干扰能力强，但是长期精度低，导航误差随着时间会逐渐积累所以二者的优缺点结合互补，可以实现实时精度高，动态性强，数据更新率高等优点1 背景1.1 GPS 简介GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统）的简称GPS 起始于 1958 年美国军方的一个项目，1964 年投入使用20 世纪 70 年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 GPS 主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994年，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。
它有以下的优点[1][4][5]：1、 定位精度高，GPS 定位精度可以达到0.1～0.0lppm定点定位 GPS 有着这么高的精度可以满足不同情况下，不同需求下的精度需求2、 范围广， 全球定位3、 适应性强，可在各种恶劣环境中工作，可以 24 小时工作而且无论是高山，深谷，GPS 都能够工作同样的 GPS 也有弊端：1、 抗干扰能力弱，GPS 利用电磁波传递信号，容易受到地形，天气，磁场，电磁波等干扰也会受到大气层中对流层和电离层的影响2、 由于电磁波传播途径被影响，会导致定位时产生误差影响精度3、 自主性差GPS 是现在人们生活工作中重要的工具，能够满足人们一定的生活工作需求，但是它明显的缺点也是制约其进一步发展的因素1.2 INS 简介INS 全称 Inertial Navigation System，即惯性导航系统，有时也简称为惯性系统或惯性导航惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的牛顿定律告诉人们：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动；而且，物体的加速度正比于作用在物体上的外力如果能够测量得到加速度，那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位置的变化[2]。
惯性导航系统是用搭载在载体上的陀螺仪等仪器来根据载体的运动状态计算出载体实时的运动状态，位置等数据搭载在载体上实现了惯导系统的小型化，也降低了惯导的使用条件惯性导航是完全自主的，但是必须要知道起始位置的精确数据总结起来惯导有以下优点[3]：1. 隐蔽性好，因为该系统不依赖外界的信息，而且不受电磁干扰2. 可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3. 能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4. 数据更新率高、短期精度和稳定性好导航大作业惯性导航系统也有局限性：1. 由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2. 每次使用之前需要较长的初始对准时间；3. 设备的价格较昂贵；4. 不能给出时间信息这些局限性决定了惯导不能够长时间准确的工作，而这恰好是 GPS 具备的1.3 GPS 与 INS 互补性表 1.1[6]我们从此表中可以看出 GPS 和 INS 之间的互补性，GPS/INS 组合导航系统就是将二者优点结合来实现更完美的功能一方面，使用 GPS 的误差不随时间积累的导航结果或观测数据来修正 INS 的导航结果，可以控制其误差随时间的迅速积累；另一方面，短时间内高精度、高稳定的 INS 导航结果又可以很好地解决 GPS 信号受到遮挡条件下的导航定位问题，而且更有利于发现 GPS 观测值中的粗差，提高整个导航系统的鲁棒性；此外，组合导航还可以将 INS 的加速度计零偏、陀螺零偏等常值误差项估计出来并反馈校正 INS 的加速度计、陀螺输出，实现对 INS 的标定。
因此，将 GPS 与 INS 进行组合可以获得稳定可靠的、精度好、数据更新率高的三维位置、速度、姿态信息[7] 惯性导航系统和卫星导航系统组合后的优势主要体现在以下几个方面[8]： （1）惯性导航系统短时精度高的特点可以弥补卫星信号失锁时的导航，确保导航的连续性； （2）卫星导航系统高精度的测量值能够控制惯性导航系统误差随时间的积累，同时估计出惯性元器件误差，提高导航系统的精确性； （3）两者的组合可以增加系统的冗余度，增强导航系统的可靠性； （4）两者的组合能够提高系统的抗干扰能力，改善系统的完好性2 研究现状及问题2.1 研究现状国内外的研究都取得了一定的成果，但是由于起步不同，也有一定的差异GPS/INS 组合导航目前有两种组合模式，即松散组合和紧密组合松散组合是直接利用 GPS 接收机输出的位置和速度与惯导系统进行组合，对惯导的导航积累误差进行滤波修正紧密组合有两种，一种是伪距、伪距率组合，通过观测卫星的星历算法，将惯导的积累误差映射成用户至卫星的视距误差，并根据伪距和伪距率残差观测方程进行滤波，对惯导的误差进行估计、修正另一种是 INS 速度辅助 GPS 接收机环路，也称为超紧组合或深组合。
超紧组合除了需要完成松组合或紧组合方式的处理工作以外，还可将 INS 的量测信息反馈给接收机，或直接利用 INS 量测信息辅助 GPS 接收机的码跟踪环和载波跟踪环，从 INS 输出的信息和卫星星历可以得到载体相对于卫星的多普勒频移，减小了接收机沿信号传播方向的动态性，增强接收机对信号的跟踪锁定能力，从而提高组合导航整体的鲁棒性、跟踪能力和导航精度，是今后组合导航领域发展的重要方向[9]2.1.1 国内研究现状MINS/GPS 组合导航系统在我国仍处于研制试验阶段，主要的研究力量集中在高校和科研院所，而且多采用浅组合方式西北工业大学提出了 MIMU 和 Beeline 接收机的组合方案，其中 MIMU 尺寸仅为 8.3cm×7.6cm×8.2cm ，重量0.47Kg，功率为 6W，仿真结果表明该组合系统的位置和速度精度主要取决于 GPS 的精度，但是提高了单独 GPS 接收机的动态特性和抗干扰能力GPS INS抗干扰能力弱 完全自主能独立工作定位误差不随时间变化 定位精度随时间变差瞬态数据不能提供 可以提供瞬态的速度、位置、角度等要素给出时间 无法给出时间范围广 载体导航大作业上海交通大学研制的组合系统在 MIMU 单独工作 20 秒内纬度误差小于 1.6598 104( )−× ，但是长期工作时误差呈发散特性，而组合系统正常工作时，位置误差曲线不发散，最大位置误差不超过 4.4422 105( )−× 。
清华大学利用美国 B El 公司的微型谐振陀螺仪和 IC Sensors 公司微硅加速度计自行设计组成 MIMU，系统的车载实验说明组合系统定位误差（CEP<4m）小于 GPS 本身的定位误差（CEP=15m)，可以认为组合系统和 GPS 的定位精度相当，而当 GPS 短时间失锁时，组合系统输出没有发生突跳，并在恒速行驶时仍能保持较高的定位精度（CEP=1.61m )东南大学自 1999 年开始，先后进行了 MINS/GPS 组合导航系统研究，设计了微型组合导航系统硬件平台，编制了系统软件，建立了 MINS 系统的误差模型、开展了MINS/GPS 组合系统数据融合方法及故障处理等研究，同时完成了系统的初步实验，取得了可喜的成果[10]国内对于 GPS/INS 组合导航起步较晚由于国内对松、紧耦合的研究仅限于以研制生产惯性器件为主的大学、研究所或企业，所以在惯性导航组合产品上我国大多停留在松耦合或常规紧耦合组合模式在紧耦合算法方面孙道省等采用了 GPS/ INS 紧耦合导航系统的联合滤波方法; 赵伟等根据H}鲁棒滤波理论提出基于 H}滤波技术的 GPS/INS紧耦合滤波算法;Jan Wendel 等比较了扩展 Kalman滤波和 Sigma-Point Kalman 滤波结果表明后者更适合于紧耦合系统。
在超紧耦合方面空军工程大学的高翔等对 GPS/INS 超紧耦合的跟踪回路结构和性能进行了分析国防科技大学的狄曼眠等对GPS 与惯性紧耦合技术的抗千扰性能进行了介绍唐康华、黄新生等则讨论利用 MIMU 辅助的时域非相干搜索算法来提高对 GPS 信号的捕获能力2.1.2 国外研究现状从 20 世纪 80 年代开始，美国、英国、法国等国家的开始对 GPS/INS 组合系统展开研究主要是军方、民用部门、惯导制作公司还有无线电设备公司都参与了 GPS 和 INS 结合的研究中1980 年美国的 HoneyWell 公司、波音公司、得克萨斯仪器公司(TI)合作，用 TI 公司的 GPS 接收机和HoneyWell 公司的叶 700 捷联系统组成的INS／GPS 组合导航系统，在波音公司的 C141 飞机上进行了试验．同年，TI 公司朐 GPS 接收机与民兵 3 号惯性系统又成功的进行了飞行试验1985 年，Honeywell 公司与 Stanford 电信公司合作，开始研制商业领域的组合系统1985 年，Honeywell 公司和 Stanford 公司合作，开始研究商业领域的组合系统1986 年至 1987 年，在Honeywell 公司，波音公司，Aerospatial 公司的联合飞行试验中，组合导航取得了良好的成绩[11]。
这个时候的研究主要集中在简单易于实现的松耦合中在 1980 年 Copps EM 关于 GPS 信号最优化处理的文献中，最先认识到 GPS/INS 超紧组合结构的优势直到 20 世纪末，超紧组合导航才受到比较大的关注，其中 Draper 实验室 Donald Gustafson 等人在 2000 年明确了超紧组合方式，提出了扩展码跟踪环的 GPS/INS 超紧组合方法，以提高接收机的抗干扰能力，并采用仿真的 GPS 射频信号和惯性数据验证了这一方法针对GPS/INS 紧耦合模式，国外早在 1990 年左右就进行了系统的研究实验，并在 1997 年开始应用多应用于军事领域超紧耦合导航模式直到 20 世纪末才受到极大的关注，其中 Draper 实验室 Gustafson等人早在 2000 年明确了超紧耦合方式提出了扩展范围码跟踪环的 GPS/INS 超紧耦合方法以提高接收机的抗干扰能力并采用仿真的 GPS 射频和惯导数据验证了这一方法美国的斯坦福大学和明尼苏达大学对于 INS 辅助 GPS 接收机载波跟踪环路研究工作比较深入如美国的斯坦福大学的SantiagoAlban 和 Minnesota 大学的 Demoz Gebre等人对超紧耦合下的 MEMS-IMU(微机电系统一惯性测量器件)辅助 GPS 的跟踪捕获回路进行了分析和研究，认为在低成本的 IMU 惯性测量器件)辅助下接收机的搜索带宽可由传统的 15Hz 减小到3Hz，增强了抑制噪声的能力。
同时从事导航产业的几大公司，如美国 L3IEC 公司、雷神公司等也都建立了各自基于 GPS/INS 的超紧耦合耦合导航测试平台和系统[12]目前国外的 GPS/INS 超紧组合技术进一步向小型化发展Integrated Guidance Systems LLC 公司研制的 IGS-202 组合导航设备是其中典型的代表，IGS-202 采用基于 MEMS 的陀螺和加速度计导航大作业技术，GPS 组件采用双频 SAASM(Selective Availability/Anti-Spoofing Module)模块，其中惯导信息对 。