gpsins组合导航技术综述

gpsins组合导航技术综述

一、gps与in的组合全球定位系统（gps）和全球跟踪系统（ins）在导航领域发挥着重要作用。GPS能够为全球提供全天时、全天候的位置、速度和时间信息,精度不随时间变化。INS是一种完全自主的导航系统,它具有不易受到外界电磁干扰、高数据率、姿态信息等优点。然而,在实际应用中,GPS和INS各自的缺点也限制了它们的应用:单天线GPS提供位置、速度信息但不能提供载体的姿态信息;并且GPS较低的数据更新率不能满足动态变化范围较大的应用;此外,虽然GPS在全球范围内可用,但当信号受到干扰或可见卫星被遮挡时,会造成GPS的失效。另一方面,INS作为自主导航系统,在短期内有很高的定位精度,但由于惯性器件误差的影响,其定位精度随时间的增长而急剧恶化,因此无法长时间单独工作。高性能的惯性器件能大大提高INS的定位精度,但政策法规的限制和昂贵的价格阻碍了INS的发展。由于GPS和INS具有互补性,二者组合能达到性能的超越。组合后的优点表现为:对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等,从而可以有效提高惯导系统的性能和精度;而对GPS接收机,惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力.提高接收机的动态特性和抗干扰性。因此,GPS/INS可以构成一种比较理想的导航系统,其精度、完好性、可用性及连续性等导航性能均优于单一系统。二、组合方式组合GPS与INS的组合导航主要有三种模式:松耦合、紧耦合、超紧耦合。由于紧耦合是一个相对较宽的概念,因而在部分文献中将超紧耦合结构和紧耦合结构统一称为紧耦合。由于超紧耦合是一个较新的概念,在实际应用中,普遍认为只要INS能够辅助卫星信号的跟踪和捕获,就将两者之间的组合方式认为是超紧耦合。松耦合是最简单的组合模式,在此模式下,INS和GPS接收机各自独立工作,将二者的位置、速度差作为组合滤波器输入,组合滤波器一般采用Kalman滤波器或其扩展形式,对INS的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计,并反馈给INS进行修正,如图1所示。该组合方式结构简单,易于实现,使定位连续性和可靠性大大提高,并使INS具有动基座对准能力。其缺点在于至少要存在4颗卫星才能得到GPS的导航信息来对滤波器进行更新。此外,如果GPS接收机采用自己的Kalman滤波器求解其位置和速度,这种组合导致滤波器的串联,使组合导航观测噪声时间相关(有色噪声).不满足Kalman滤波器观测噪声为白噪声的基本要求,严重时可能使滤波器不稳定。紧耦合是一种相对复杂的组合模式,其原理为根据GPS接收机收到的星历信息和INS输出的位置和速度信息,计算相应于INS位置的伪距和伪距率,与GPS接收机测量得到的伪距和伪距速率的差值作为组合滤波器的输入,估计出INS系统误差并进行校正,如图2所示。与松耦合相比,紧耦合除能获得更高的精度外,最大的好处是在可见星的个数少于4颗时也可以使用。然而紧耦合计算量大并且需要建立复杂的系统模型和观测模型,越大的状态量维数会增加滤波器收敛的时间。超紧耦合方式相对于松耦合和紧耦合是更复杂的组合方式,超紧耦合除了需要完成松耦合或紧耦合方式的处理工作以外,同时使用校正后的INS速度信息对接收机的载波环、码环进行辅助跟踪,使接收机不仅从信道中,还可从INS信息中校正多普勒频移导致的误差,从而减小环路的等效带宽,增加GPS接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力,如图3所示。与松、紧耦合方式比较,INS信息辅助信道相关器捕获,信号失锁后具有更好的再捕能力;INS信息辅助抑制噪声和误差检测,具有更优的定位精度;此外,超紧耦合方式不仅在高动态和强干扰条件下性能优异,而且对多径效应有较好的抑制能力和校正作用。然而,超紧耦合需要深入到接收机内部,甚至涉及到内部码环载波环电路的重新编排,在结构或算法方面与松、紧耦合相比都更加复杂,也成为今后耦合导航的研究热点。三、超紧耦合导航模式国外研究人员对惯性导航与GPS不同的组合导航方案有着大量的研究,自20世纪80年代起,美、英、法等国的军方和一些民用部门开始对组合系统GPS/INS表现出兴趣,一些主要的惯导制造厂家,纷纷投入力量研制GPS/INS组合导航系统;一些无线电设备制造公司,也与惯导生产厂家合作,向这种组合系统提供GPS接收机。1985年,Honeywell公司与Stanford公司合作,开始研制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,组合导航达到了很好的效果,这段时间的GPS与INS组合导航的研究与应用集中于简单而易于实现的松耦合中。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DemozGebre等人对超紧耦合下的MEMS-IMU(微机电系统-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。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,他们对接收机内部了解程度不够,客观上限制了在超紧耦合方面的研究和应用,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。此外受限于试验及研究条件,对GPS/INS超紧耦合的研究基本上都处于理论介绍以及仿真分析阶段,并没有得到具体物理工程试验验证,距离实际工程应用的差距较大。就笔者看来,紧耦合和超紧耦合的研究应该结合起来,紧耦合可认为是GPS的伪距、多普勒测量来辅助惯导,超紧耦合则是在紧耦合(或是松耦合)下利用惯导信息辅助GPS的捕获和跟踪,两者相辅相成,达到整个系统性能的提升。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;JanWendel等比较了扩展Kalman滤波和Sigma-PointKalman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珉等对GPS与惯性紧耦合技术的抗干扰性能进行了介绍,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,并进行了性能仿真分析。四、gps/in组合智能系统结合目前GPS/INS组合导航的研究现状和我国的技术特点,自主研制GPS/INS组合导航系统可从以下几个方面突破:国内对于紧耦合和超紧耦合的研究大多处于仿真和半物理仿真验证阶段,目前还没有紧耦合和超紧耦合相结合方面较成熟的软件系统及硬件实现。超紧耦合的结构较为复杂,整个组合系统无论采用那种具体关联形式和滤波器设计,都要深入到接收机内部,涉及到内部码环载波环电路的重新编排,需要进一步提高接收机研制能力,以实现GPS接收机和INS导航计算的一体化。GPS差分定位能达到厘米级甚至是毫米级的精度,将载波相位观测量引入惯性组合导航,能满足航空、航天、铁路、航海等载体的高精度导航定位和姿态测量的需要,也是GPS/INS紧耦合甚至超紧耦合的发展方向。在这种新的INS/GPS组合导航系统中,至少需要两个GPS天线,用两者的载波相位测量信息得到的双差量作为新的观测量,可以用于估计INS的平台角误差,从而提高INS的测姿精度。与此同时,INS信息又能辅助GPS加快整周模糊度的确定:整周模糊度的求解一般采用搜索方法,而搜索空间取决于模糊度浮点解的置信区间,INS信息的辅助会缩短浮点解的置信区间,从而减少搜索的空间与时间。为达到GPS/INS组合导航系统精度上的要求,需要研究两个方面的问题:建模和估计。建模问题涉及到如何选择合适的误差模型来精确描述GPS/INS系统;估计问题主要解决如何合理地使用状态信息和观测信息去估计误差,实现精度上的提升。随机误差模型建立有多种方法,各有优缺点,其中包括时域方法中的相关函数法,频域中使用功率谱密度的方法,还有方差技术等。系统的状态方程是时变的且非线性的,且很难精确地估计或测定系统噪声与观测噪声。为此,研究人员正在研究新的数据融合技术,例如对于解决非线性非高斯的问题,引入Unscented卡尔曼滤波器、粒子滤波等;对于模型参数变化问题,可采用采用自适应滤波技术,以提高滤波精度,得到状态参数的最优估计值。随着建模、滤波等相关技术的发展,GPS/INS的组合导航也将更好地发挥其优越性。目前,对GPS/INS组合导航的很多研究都是利用高性能IMU作为INS的传感器。高性能IMU无疑提供更好的性能,保证更高的精度,但由于昂贵的价格和国外政策法规的限制阻碍了它被广泛应用。随着惯性技术的发展,现在已有多种惯性器件应用于GPS/INS组合导航系统中。其中微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)为一种比较新的技术,目前就有很多基于MEMS的INS/GPS研究;发展低成本GPS/INS组合导航系统也成为组合导航的另一研究热点。从目前来看,笔者认为我国今后还是应该走靠系统集成提高精度的路子,即单个INS的精度可以不是很高,但是依靠其他信息组合后系统的精度就能达到很高的标准。五、松耦合、紧耦合的研究现状GPS/INS通常分为松耦合、紧耦合和超紧耦合三种模式,其中松耦合最易实现,紧耦合次之,超紧耦合由于要涉及到接收机内部编排机制,其技术更为复杂最难实现,但超紧耦合的捕获能力及灵敏度、定位精度、动态性能和抗干扰能力均优于前两者模式。国外的松耦合、紧耦合技术已比较成熟并得到广泛应用,目前集中于超紧耦合的研究与试验。我国紧耦合和