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
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的陀螺和加速度计技术，GPS 组件采用双频SAASM(Selective Availability/Anti-Spoofing Module)模块，其中惯导信息对GPS 跟踪环进行辅助跟踪，在跟踪时具有89dB 的抗干扰能力。

IGS-202 直径约7cm，高约6cm，重量小于0.5kg，定位精度优于5m。

导航组件背面抗冲击15750g，正面抗冲击7875g。

2.2研究难题（算法问题）
现在遇到的问题主要是在数据融合和算法上
的优化。

我国在数据融合方面的研究要远远落后于国外。

上世纪80年代，人们对多目标跟踪技术进行研究，才开始接触数据融合技术，经过了几年的研究，国内出现了一些有关对数据融合技术的研究报告[13]。

在20世纪末，我国对数据融合的研究出现了高潮，促进了相关技术的飞快发展。

但是，我国的目前研究水平和国外仍有较大的差距。

数据融合方面典型的算法是卡尔曼滤波算法，具体有：扩展卡尔曼滤波(EKF：Extended Kalman Filter)以及无迹卡尔曼滤波(UKF：Unscented Kalman Filter)。

但是这些算法在组合导航的实际应用中出现了很多问题，无法做到让GPS/INS组合导航系统模型实现非线性，非高斯的精确程度。

卡尔曼滤波算法是直接将组合的导航系统当作线性的，高斯的去进行进一步的数据处理，但是这远远脱离实际情况，会造成很大的误差，这对组合导航系统的精确性产生巨大影响。

作为改进方法的扩展卡尔曼滤波算法以及UKF算法，虽然对系统的性能有一定的提高，可以提高组合导航系统的精度。

但EKF 算法是将非线性问题线性化，具体原理为将系统的非线性函数进行Taylor 级数展开，并取Taylor 展开式的一阶项，而忽略非线性函数Taylor 级数展开式的其他高阶项，这样如果当系统函数为强非线性时，EKF 算法在滤波过程中可能会造成滤波发散而无法收敛。

此外，EKF算法对非线性问题进行线性化处理时要计算雅克比矩阵，这会导致计算过程变的复杂。

UKF 算法适合于非线性、高斯模型问题，在系统模型非高斯情况时，该算法的滤波还是存在较大的误差，影响系统性能[14]。

粒子滤波是从上世纪90年代中后期发展起来的一种新的滤波算法，适用于各种非线性，非高斯系统。

但由于粒子滤波的计算量较大，受到当时计算机性能的限制，发展比较缓慢。

然而伴随着计算机处理能力的不断增强，早期限制粒子滤
波应用的硬件运算能力等障碍正逐渐被克服。

粒子滤波又逐渐成为近年来的研究热点，获得了很大的发展，并在许多领域得到成功应用。

而该算法最主要的问题是需要用大量的样本数量才能很好地近似系统的后验概率密度。

机器人面临的环境越复杂，描述后验概率分布所需要的样本数量就越多，算法的复杂度就越高。

因此，能够有效地减少样本数量的自适应采样策略是该算法的重点。

另外，重采样阶段会造成样本有效性和多样性的损失，导致样本贫化现象。

如何保持粒子的有效性和多样性，克服样本贫化，也是该算法研究重点[15]。

在组合导航领域，相关的应用研究还比较少，大都处于尝试阶段。

3总结
组合导航还在发展中，主要是在军事方面上应用比较多。

组合导航的优势逐渐的体现出来，这将会是导航研究的一个重点。

尽管军事上对这种优性能的导航系统需求很高，可能会使以后的战争变得更加的可怕，我们依然要发展，不仅为了我们国家的军事安全，也为了造福人类。

GPS/INS 组合导航是对GPS的一种优化，我相信未来的时间组合导航系统的优势会越来越大，会给人们的生活工作带来极大的方便
参考文献：
[1][2] [3] [15] 百度百科
[4] 蔡春杰，GPS（RTK）技术原理及精度影响因素[J]，
科技资讯，2011（11）
[5] 隋海燕，GPS gTK的测量原理及应用[J]北方交通，
2009（04）
[6] 刘帅，GPS_INS组合导航算法研究与实现，2012（4）
[7] 苗岳旺，SINS_GPS组合导航数据处理方法研究，
2013（4）
[8] 杨元喜, 自适应动态导航定位[M]．北京：测绘出版
社，2006
[9] 王鹏辉, 高动态GPSINS组合导航系统研究
论文编号：1028703
[10] 李倩，战兴群，王立端，翟传润.GPS/INS 组合导航
系统时间同步系统设计
传感技术学报,2009年第22卷第12期：1752-1756 [11] 张雨楠，INS/GPS组合导航系统滤波器设计，2007
（1）
[12] 艾伦,金玲,黄晓瑞,GPS/INS 组合导航技术的综述
和展望北京遥测技术研究所2011（2）
[13] 胡世明，GPSIINS组合导航数据融合算法研究2012
[14] 黄铭媛. 高超巡航飞行器组合导航系统研究与算法验证上海交通大学, 2008。