GPS,INS组合导航

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；INS

GPS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。

1.2INS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。

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。

1.3GPS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的在线标定。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。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

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