基于GPS和INS组合定位导航算法技术综述

基于GPS和INS组合定位导航算法技术综述导航是引导载体从出发点按照一定的路径或者轨迹行进到目标点的技术或方法，实现上述引导功能的硬件设备及相应的配套软件统称为导航系统。

随着文明的发展、科技的进步，导航技术的发展也经历了由开始时的无线电导航、天文导航到如今的惯性导航、卫星导航以及多种导航技术有机结合而成的组合导航，其中惯性导航和卫星导航技术被广泛的应用在制导武器、战斗机、舰艇等国防武器装备上，在载人航天、深海潜行等高精尖技术领域，导航系统更是必不可少的重要设备，载体的即时位置、速度和姿态信息是导航所需的最基本信息[1][2]。

1.1 捷联惯性导航系统
依据牛顿经典力学中的惯性原理，惯性导航系统(INS，Inertial Navigation System)在20世纪50年代研制成功，它利用陀螺和加速度计这两个惯性敏感器件测量运动载体的角速度信息和加速度信息，然后通过积分计算得到载体的位置、速度和姿态角等导航参数[3]。

在工作过程中，INS不与外界发生任何联系，依靠载体自身设备即可完成导航工作，具有很强的工作自主性和隐蔽性，在军事上得到了一种绝对保密且不受外界干扰的导航系统，广泛应用于航天、航空、航海等重点国防领域[4]。

按照惯性器件在载体上安装方式的不同，INS可分为平台惯导系统、捷联惯导系统两类。

平台惯导系统因其工作精度高、体积大、成本高的特点主要应用于航海、大型运载火箭等军事领域。

捷联惯导是随着计算机技术的发展而出现的新型导航系统，现代控制理论尤其是最优估计理论的发展为其提供了理论依据。

捷联惯导系统去掉了平台惯导标志性的机电式平台，将陀螺和加速度计直接固连在载体上，随着载体的运动获得相应的惯性敏感信息，通过计算机软件建立一个“数学导航平台”，将陀螺和加速度计量测到的载体相对于惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度投影在载体坐标系上的分
量传输给弹载计算机，通过坐标转换、积分等一系列的计算之后，得到载体相应的导航信息。

相比于平台惯导，捷联惯导具有结构简单，安装、维护方便，体积小、重量轻、成本低、导航信息丰富、有较强的系统综合能力等特点，因此捷联惯导系统未来发展前景十分的广阔。

但是，惯性导航是一种推算式的导航，依据其原理，导航参数误差随着工作时间的增长也在逐渐增大，导航精度得不到保障，这对于需要长时间保持高精度导航输出的导航系统来说是个致命缺陷。

综上所述，很多情况下特别是在军事领域惯性导航不能单独使用，必须在其他系统的辅助下进行工作[5][6][7][8]。

1.2 卫星定位导航系统
全球定位系统GPS(Global Positionning System)是天文导航和无线电导航的结合体，是继惯性导航后导航技术领域的又一重大进展，被称为“第四代导航系统’’，卫星星座、
地面监控、地面接收设备是它的三大组成部分，卫星导航系统利用绕地运行的多颗导航卫星，为地面上的用户提供连续、实时的导航服务与高精度的授时服务，用户可以随时获取当前时刻的位置信息与速度信息，卫星导航具有定位精度高、系统成本低的特点[9]。

GPS导航的基本原理决定了良好的收星是保证高精度导航的前提，由于高动态环境会削弱GPS接收机对卫星信号的捕获与跟踪能力，甚至短时间内丢失卫星信号，影响正常导航；山脉、高楼、树木的遮挡也会致使GPS接收机接收卫星信号变差，无法达到定位要求；或者由于遮挡产生多路径效应，造成很大的定位偏差；而且导航信息输出的频率比较低，一般只有1Hz，不能满足某些特定任务的导航需求。

鉴于以上原因，很多情况下，GPS需要与其它导航系统配合使用，特别是对军用设备，这种互补性更为重要。

2.1 研究组合导航的背景及意义
从上面的介绍可以看出，虽然惯性导航与GPS导航是当前主流的导航系统，但二者仍然各有优缺点，已经不能满足现代导航系统的要求。

随着航空航天技术的发展，急需一种精度高、可靠性强、全球、全天候的新型导航系统，而卫星定位与捷联惯性(GPS\SINS)组合导航系统能在发挥各自系统优势的同时，取长补短弥补单一系统的不足。

利用GPS 稳定的导航精度为捷联惯性导航提供连续不断的位置修正，减小其误差随着时间的累积，利用SINS导航动态性能好、数据更新快、短时精度高的特点增强GPS在强干扰和高动态等环境中的定位能力。

卫星定位与捷联惯性组合导航增强了导航系统的可靠性，提高了导航的精度，同时也降低了系统的成本，得到一种高性价比、高精度的导航系统，在军事和民用领域拥有巨大的市场价值。

现代计算机技术、信息融合技术等方面的发展，进一步的增强了组合系统的导航性能，组合导航技术是未来导航技术发展的主要趋势，拥有广阔的应用前景，相对于单一系统，组合导航的优势体现在以下几个方面：
(1)协作互补功能：综合各子系统的导航信息，取长补短，形成单个子系统不具备的功能和精度，提升导航信息输出频率，扩大系统的使用范围。

(2)余度功能：各个系统观测同一信息源，测量值冗余度大，增强了导航系统的可靠性与稳定性[10]。

2.2 导航系统的组合方式介绍
过去的二十多年，大多数GPS/INS组合系统都采用松组合或紧组合方式。

这两种组合方式都是利用数据融合算法综合GPS接收机和INS提供的量测数据给出最优的估计结果，并反馈给INS进行误差修正。

两者的区别在于：在松组合中，GPS提供的量测信息是位置和速度等最终导航结果，由于GPS的位置和速度通常是相关的（在GPS接收机内部采用卡尔曼滤波器的情况下尤为严重），使组合滤波器的估计精度受到影响，并
且当导航星少于4颗而无法定位解算时，系统的组合将被完全破环，整个导航系统性能就会迅速恶化；而紧组合中，GPS提供的量测信息是伪距、伪距率和多普勒频率等接收机用于定位的原始信息，克服了松组合方式中量测信息的相关性问题，提高了组合系统的导航精度，且当可用星数目不足4颗时，也可以进行导航。

松组合与紧组合方式的实质都是GPS对INS的辅助，缺少对GPS接收机的辅助，当组合系统中GPS接收机跟踪性能下降时，会影响组合系统的导航性能。

超紧组合方式则是对INS、GPS进行更深层次的信息融合，一方面为INS提供误差校正信息以提高导航精度，另一方面利用校正后的INS量测信息为GPS跟踪环路提供辅助信息[11][12]。

随着航空、航天、军事等应用对导航系统的高动态、抗干扰等性能要求的提升，超紧组合导航技术逐步成为国内外研究的重点。

3.1 GPS／INS超紧组合系统概念与分类
超紧组合是一种在硬件级进行一体化的组合方式，除了通过估计INS误差对INS进行反馈校正外，还使用校正后INS信息对GPS接收机的载波环、码环进行辅助或直接用INS信息闭合载波环和码环跟踪环路[13]。

超紧组合一体化在实现方式上分为两种：一种是在传统标量接收机的内部，INS辅助接收机码环或载波跟踪环路，辅助后的接收机再与INS采用紧组合方式组合；另一种是，用矢量跟踪环路代替传统的GPS接收机跟踪环路，并用组合滤波器代替矢量跟踪接收机中的导航滤波器。

第一种超紧组合方式通常称为INS辅助GPS超紧组合[14]，但在实际应用中普遍认为，只要INS能够辅助卫星信号的捕获和跟踪，就可以将两者之间的组合方式称为超紧组合[15]。

第二种超紧组合方式称为基于矢量跟踪环路的GPS/INS
超紧组合，我们将这种矢量跟踪超紧组合称为深组合。

GPS/INS深组合算法又可以根据接收机与卡尔曼滤波器之间信息流动方式的不同分为两类：相关算法和非相关算法。

相关算法是把GPS相关累加器输出的I，Q信号直接作为卡尔曼滤波器的量测信息；而非相关算法是先将I，Q信号经传统跟踪环路中的码相位和载波鉴频器处理，然后再作为卡尔曼滤波器的量测信息[16]。

下面将对INS 辅助GPS超紧组合、相关深组合和非相关深组合的结构、特点以及国内外研究动态分别进行对比分析。

3.2 不同GPS／INS超紧组合模式结构
3.2.1 INS辅助GPS超紧组合模式
INS辅助GPS超紧组合是最简单的超紧组合模式，只需在紧组合系统结构的基础上，利用组合导航滤波器对载体多普勒频率进行估计，并将估计结果输送到接收机内部对跟踪环路进行辅助[17]。

INS辅助GPS超紧组合系统的一般结构具体工作流程为：卫星信号经捕获与跟踪后，可以得到伪距、多普勒频率、载波相位和导航电文等信息，同时可以辅助INS解算模块初始化；结合星历信息，INS测量数据经导航解算后，求解得到相应的伪距、伪距率信息；在导航滤波器中采用伪距、伪距率作为量测信息，以INS线性化误差方程为系统方程，利用滤波算法对系统的位置、速度、姿态和传感器误差进行最优估计，进而给出组合系统的导航定位解，同时根据估计结果一方面对惯导器件误差进行校正，另一方面将校正后的惯导速度信息经多普勒等效转换后对接收机环路进行辅助。

3.2.2 GPS／INS深组合模式
GPS/INS深组合模式是基于GPS矢量跟踪结构提出的，它将GPS信号的跟踪与GPS/INS信息组合功能集中在一个单独的估计算法中；而INS 辅助GPS超紧组合是以传统标量跟踪结构为基础的[18]。

GPS/INS深组合系统的典型结构。

GPS接收机前端设备采集生成GPS中频信号，随后经相关器与本地产生的信号相关，再通过积分累加器得到I，Q信号。

随后，I，Q信号将作为输入送到组合导航Kalman滤波器中。

GPS数控振荡器控制算法利用校正后的INS 导航结果、卫星位置、电离层与对流层校正估计值以及组合导航滤波器输出的GPS 估计值，综合计算出数控振荡器(NCO)指令，数控振荡器指令调节本地信号使其与接收到的GPS信号相一致。

最后组合导航滤波器对INS 进行校正，并输出最终GPS/INS组合导航系统结果。

3.2.3 GPS/INS相关深组合模式
根据组合导航卡尔曼滤波器结构的不同，相关深组合可以分为集中滤波相关深组合和级联滤波相关深组合。

来自GPS接收机的I，Q信号直接作为组合导航Kalman滤波器的量测信息。

由于集中滤波相关深组合模式存在计算负担重、状态方程可观测性差、数据跳变等缺点，因此，对于所有实际实现的相关深组合系统都采用了级联Kalman滤波结构[16]。

预处理滤波器（跟踪Kalman滤波器）的输入为频率至少为50Hz的I，Q信号。

一般每个预滤波器对应一个跟踪环路，各个预滤波器的输入是6路量测量，而它们的状态量至少包括3个：码相位跟踪误差、载波频率跟踪误差和本地信号载波相位偏差。

这些预滤波器输出分别对应码相位跟踪误差和载波频率跟踪误差的伪距和伪距量测更新值，随后将这些更新值输入到组合导航Kalman滤波器中作为量测信息。

同时，为了消除跟踪预滤波器与组合滤波的级联问题，每当量测信息输送给组合滤波器后就将预滤波器中的码相位和载波频率状态估计值清零[18]。

3.2.4 GPS/INS非相关深组合模式
非相关深组合中，I，Q信息不需要数据清除(DWF)，而是直接通过与传统跟踪环中鉴别器相似的鉴别器模块计算码相位和载波频率偏差[16]。

随后这些偏差经求和与比例运算得到频率为1-2Hz的伪距、伪距率信息，这些信息直接作为组合导航滤波器的量测量。

为了估计码相位偏差，相关深组合算法中必须估计出载波相位偏差，而非相关深组合由于码相位鉴别功能独立于载波相位鉴别器，因此不需要估计载波相位偏差。

3.3 不同超紧组合模式特点
3.3.1 INS辅助GPS超紧组合模式
从INS 辅助GPS超紧组合模式的结构中，可以看到，INS的辅助反馈中包含的载体动态信息，不仅可以减小GPS接收机码环和载波所跟踪载体的动态，从而减小码环和载波环的等效带宽，提高整个系统在高动态环境下的抗干扰能力，还可以降低环路滤波器的带宽，达到抑制热噪声的目的，这就有效解决了传统跟踪环设计中存在的动态跟踪性能与抗干扰能力之间的矛盾[14]。

因此，与紧组合导航方式相比，接收机动态性能和抗干扰性能有了很大的改善；在硬件实现上，对传统GPS接收机的结构改造小，可操作性强[13]。

但是对于这种结构，如果采用低水平的INS，如MEMS-IMU，当载体高动态运动或受到强干扰时，可能会造成跟踪环路不能有效跟踪多普勒频率误差的快速变化，进而使跟踪环路失锁、组合滤波器变得不稳定[19]。

另外，由于辅助跟踪环的结构中存在滤波器级联，当环路滤波器带宽小于Kalman滤波器的有效带宽时，辅助构型会变得不稳定[20]。

其次，每个卫星信号都采用独立的跟踪环进行跟踪，因此对跟踪环路数控震荡器(NCO)的控制不能充分利用已有的导航信息进行辅助，这会影响跟踪环路在强噪声和超高动态环境中的跟踪能力[21]。

3.3.2 GPS/INS深组合模式
GPS/INS深组合模式与INS 辅助GPS超紧组合模式相比，其优点为：
(1)深组合导航系统基于矢量跟踪结构，提高了GPS接收机在较低信噪比环境（信号衰减、受到偶然或故意干扰等）中的信号跟踪性能[21]。

(2)一般INS 辅助GPS超紧组合的跟踪环路带宽不能随着载噪比水平的变化而进行调节，而优化的深组合算法会根据载噪比水平调节跟踪环路带宽，这样就增强了系统在受干扰情况下的导航性能[22]。

(3)在GPS信号出现短暂中断后，深组合系统可以不需要重捕获而保持连续跟踪；INS 辅助GPS超紧组合系统则仍需要进行信号的重捕获[22]。

(4)INS辅助GPS超紧组合系统中存在滤波器串联，为了避免组合导航不稳定，实际使用中，需要对组合导航滤波器的噪声带宽进行限制，以保证其小于跟踪环路带宽。

而深组合系统去除了这种串联，使其有了更好的导航性能[20]。

深组合模式的主要缺点是必须对传统GPS接收机进行大量改动；由于其基于矢量跟踪方式，如果环路的某一通道出现故障，将会影响其他所有通道的正常工作，并且可能导致接收机不稳定或全部卫星失锁[23]。

相关深组合模式最大的优势是没有使用鉴别器，可避免将未建模的非线性测量误差引入卡尔曼滤波器中。

因而，在设定量测噪声方差阵时不需考虑鉴别器的非线性，最终使相关跟踪模式具有比非相关模式更高的导航精度[24]。

相关深组合模式的主要缺点是为了能够从I，Q中提取码跟踪信息，必须知道本地信号载波相位偏差，这样就要求预滤波器必须跟踪载波相位。

而对于非相关深组合模式，由于码鉴别器功能是独立于载波相位的，所以计算码相位时不需要考虑载噪比是否足以保持载波跟踪。

也就是说，非相关深组合模式跟踪弱信号的能力比相关深组合模式要强[22]。

相关深组合模式更适合载波相位跟踪和高精度的导航应用，而非相关深组合模式更适用于对载波相位跟踪精度没有要求的弱信号和强干扰环境中[16]。

4.1 各种GPS／INS组合方式性能对比
综合以上对各种组合方式的分析对比，表１从捕获能力、信号再捕获能力、弱信号或强干扰下导航性能等方面对松组合、紧组合以及三种超紧组合模式进行了定性的比较。

表1 不同组合方式性能比较
量的名称松组合紧组合INS辅助GPS超紧
组合
相关深组合非相关深组合
捕获能力一般一般好好好再捕获能力一般一般良好好好定位精度一般良好好很好好弱信号或强干扰差一般良好好很好实现难度很小小一般稍大稍大
系统成本较高，必须使用高
精度IMU
较高，必须使用高
精度IMU
较低，可以采用低
质量MEMS IMU
较低，可以采用低
质量MEMS IMU
较低，可以采用低
质量MEMS IMU
其他INS,GPS相互独
立
INS,GPS独立性
减小
INS,GPS超紧耦合，
跟踪环相互独立
INS,GPS超紧耦合，
根治环相互影响
INS,GPS超紧耦合，
根治环相互影响
4.2 GPS／INS超紧组合技术展望
综合目前GPS/INS超紧组合技术国内外相关研究现状和发展水平，还需要对以下几个方面问题进行进一步研究。

(1)超紧组合方案的深入研究超紧组合中采用不同滤波器结构和组合方式，实现的难度和效果是不同的，特别是在系统各个传感器性能确定的情况下，这成为决定整个系统导航性能的关键[12]。

国外针对GPS/INS 超紧组合实现了相应的耦合方案，但缺乏详细的技术细节，难以进行具体的参考。

因此有必要对此进行深入的研究。

(2)超紧组合系统的硬件实现超紧组合系统中，无论采用哪种一体化形式和滤波器结构，都需要深入到接收机内部，甚至涉及到跟踪环电路的重新编排。

目前，有一些厂商生产的GPS芯片可以直接为用户提供I，Q输出和NCO信号的输入端口，这为超紧组合系统的硬件实现提供了便利。

(3)提高超紧组合系统的可靠性和抗干扰能力,对于深组合系统的载波跟踪问题，由于信号的载波跟踪很容易受到干扰的影响，而对于深组合而言，各个通道是耦合在一起的，对某一路载波相位的干扰可能会影响对其他卫星载波相位的估计。

因此，在矢量跟踪结构中，未来一个重要的研究内容是完好性检测的问题，解决好这个问题就可以尽量避免故障通道对其他通道的影响[26]。

矢量跟踪对多径干扰的抑制能力也是一项重要的研究内容。

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