7INSGPS组合导航系统设计解析

2 紧密耦合方式


紧密耦合的主要特点是GPS接收机和惯导系统相互辅助。属于这种方 式的主要有： 方式一：伪距、伪距率组合的广义卡尔曼滤波方式 这种组合是上述组合方式的改进，它直接采用GPS接收机的原始测量 数据——伪距、伪距率作为组合滤波器的观测量。这种情况下，滤波 器的状态方程是线性的，而量测方程是非线性的。 与上述组合方式相比，其优点有：由于使用的是GPS接收机原始的伪 距、伪距率观测量，而不是GPS接收机内部卡尔曼滤波器输出的位置、 速度，不仅提高了系统的导航精度，而且克服了上述组合方式中的相 关量测问题；卫星的几何配置效应直接反映在组合卡尔曼滤波器中， 减轻了不良几何配置所带来的系统精度下降；在可见星少于4颗的情 况下，也能在较短的时间内正常工作。组合卡尔曼滤波器不仅对INS 误差建模，而且能对GPS接收机时钟误差建模，从而可获得对GPS接 收计时钟误差的校正能力。

与其他组合方式相比，这种组合的特点是 GPS接收机的码环及载波环和惯性器件在 原理结构上都局限于敏感元件的功能，它 们分别被当作GPS码及载波的测量信息源 和惯性加速度及角速率的信息源，这些敏 感元件的输出有一个高阶组合滤波器构成 的导航处理器进行处理。导航处理器把速 度或加速度辅助信息反馈给GPS跟踪环， 对它进行带宽控制和惯性辅助。

INS/GPS组合导航系统，克服了各自的缺 点，取长补短，使综合后的导航精度高于 两个系统单独工作的精度。GPS接收机和 惯导导航系统的综合，根据不同的应用要 求，可以有不同的组合深度。按照组合深 度，可以把组合系统大体分为两类:
1 松散综合方式

松散综合(Loose Coupling)是一种简单 的组合，其特点是GPS和惯导系统仍独立 工作，综合仅表现在GPS辅助惯导。这种 组合方式又分两种：GPS重调惯导和位置、 速度信息综合。下面简要说明这两种组合 方式

开环校正的优点是工程上容易实现，稳定 性高，滤波器的故障不会影响惯性导航系 统的工作；缺点是INS的误差是随时间积累 的，而卡尔曼滤波器的数学模型是建立在 误差是小量、取一阶近似的基础上的，因 此，在长时间的工作条件下，INS的误差不 再是小量，从而使滤波方程出现模型误差， 导致精度下降。

闭环校正的优点是INS的输出就是组合系统的输 出，其误差始终是小量，不会产生滤波方程的模 型误差，同时反馈校正减小了INS误差，从而使 INS误差动态模型简单化。另外，这种方法既修 正INS导航定位解，又高频校正INS误差参数， 因此，反过来又提高了INS对GPS的辅助能力， 特别是提高了周跳修复的精度；缺点是工程上实 现比开环校正复杂，且滤波器的故障会“污染 INS”的输出，可靠性降低。实际应用中，可根据 具体要求选择不同的校正方法，也可两种方法混 合使用

方式一：GPS重调惯导 它可以有两种工作方式：一种是用GPS给出的位 置、速度信息直接重调惯导系统的输出。实际上， 就是在GPS工作期间，惯导显示的是GPS的位置 和速度，GPS停止工作时，惯导在原显示的基础 上工作，并选用GPS停止工作瞬间的位置、速度 作为惯导系统的初值；另一种是把惯导和GPS输 出的位置和速度信息进行加权平均。在短时工作 时，第二种工作方式精度较高，但惯导误差随时 间增长，因此惯导输出的加权随时间增长而减小， 精度降低。


方式二：具有GPS接收机带宽控制及其惯性辅助的组合方 式 在INS/GPS组合系统中，设GPS接收机带宽控制及其惯 性辅助，最主要的好处是可提高GPS接收机的抗干扰和高 动态性能，他被认为是深组合的一个最重要的标志。在接 受机对输入噪信比J/S的估计和INS提供的载体动态指示 的基础上，控制信号跟踪环路带宽，可提高接收机对噪声 或干扰的容限，抑制载体动态所引入的跟踪误差。另一方 面，当跟踪环路在窄带方式下工作时，加入惯性辅助，可 基本上除去由载体动态所引入的跟踪误差，这样便克服了 环路抗干扰性能和高动态性能对环路带宽的矛盾要求。
7.1 INS/GPS组合导航系统的 设计方式

组合导航技术是指使用两种或两种以上的不同导 航系统对同一信息源作测量，从这些测量值的比 较值中提取出各系统的误差并校正之。采用组合 导航技术的系统称组合导航系统，参与组合的各 导航系统称子系统。由于惯导系统具有自主性、 隐蔽性、信息的全面性和宽频带等特有优点，所 以一般都以惯导系统作为组合导航系统的关键子 系统。又由于惯导系统和GPS导航系统性能互补， 故而以这两子系统构造出的组合导航是航空导航 的最佳方案

从卡尔曼滤波器得到的导航参数估计值有 两种利用方式：一种是将其作为组合导航 系统的输出，或者作为惯导系统输出的校 正量，这种方法称为开环法;另一种是将估 计反馈到惯导系统中，估计得到的导航参 数估计就作为惯导系统力学编排中相应的 参数，估计获得的误差估计就作为校正量， 将惯导系统中的相应误差校正掉，这种方 法称为闭环法


方式二：位置、速度信息综合 组合卡尔曼滤波器以INS的线性误差方程作为状 态方程，以GPS接收机和INS各自输出的位置、 速度之差作为观测量。滤波器的状态方程和量测 方程都是线性的。 组合滤波器直接使用标准离散卡尔曼滤波算法， 对INS的位置误差、速度误差、平台姿态误差以 及惯性器件误差作为最优估计。从而对INS进行 反馈校正。这种组合方式的优点是实现容易，可 大幅度提高系统的导航精度。这种综合方式的优 点是综合工作比较简单，便于工程实现，而且两 个系统仍独立工作，使导航信息有一定余度。


实现组合导航有两种基本方法： （1）回路反馈法，即采用经典的控制方法，抑制 系统误差，并使子系统间性能互补。 （2）最优估计法，即采用现代控制理论中的最优 估计法（常采用卡尔曼滤波或维纳滤波），从概 率统计最优的角度估算出系统误差并消除这些误 差。 这两种方法都使各个子系统间的信息互相渗透， 起到性能互补的功效。但由于各个子系统的误差 源和量测中引入的误差都是随机的，所以第二种 方法远优于第一种方法。