GPS/INS超紧组合系统综述

摘 要：介绍了GPS/INS超紧组合系统的概念，按照结构与信息处理方式的不同将超紧组合系统分为INS辅助GPS超紧组合、相关深组合和非相关深组合三种模式，在给出不同模式超紧组合系统结构的基础上对比分析了各自的特点，综述了GPS/INS超紧组合系统的国内外发展现状，指出超紧组合系统的关键技术与未来的发展方向。

关键词：组合导航；GPS/INS；超紧组合

中图分类号：V249.32+8 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）04-0025-06

SurveyofGPS/INSUltraTightIntegratedNavigationSystem

WANGJunshuai，WANGXinlong

（SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China）

Abstract：TheconceptionofultratightintegratedGPS/INSnavigationsystemisintroduced.Accordingtothevariationofarchitecturesandinformationprocessingmethods，theultratightGPS/INSintegratednavigationsystemcanbeclassifiedintothreemodes，whichareINSaidedultratightintegration，coherentdeepintegrationandnoncoherentdeepintegration.Onthebasisofprovidingarchitecturesofdifferentultratightintegrationmodes，theirfeaturesarecomparedandanalyzedrespectively.ThedevelopmentsofGPS/INSultratightintegrationathomeandabroadarereviewed，andthekeytechnologiesand futuredirectionsofultratightintegrationarepointed.

Keywords：integratednavigation；GPS/INS；ultratightintegration

0 引 言

在导航系统中，全球卫星导航系统（GPS）和惯性导航系统（INS）具有优势互补的特点，二者组合的GPS/INS组合导航系统能够克服各子系统的明显缺点，保证导航的连续性，提高导航性能。GPS/INS组合导航系统相对单一子系统的优势主要表现为：对于GPS接收机，INS的辅助可以增强其捕获和跟踪卫星信号的能力，提高接收机的动态性能和抗干扰能力；对于INS，GPS可以抑制INS误差积累，提高INS的导航精度。目前，根据组合深度的不同，GPS和INS组合方式可以分为松组合、紧组合和超紧组合方式[1]。

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[4]。

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[1]，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[5]。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，本文为了叙述的方便，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[6]。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。

2 不同GPS/INS超紧组合模式结构

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[7]。

INS辅助GPS超紧组合系统的一般结构如图1所示。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。

2.2.1 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。图3给出了采用集中Kalman滤波器的相关深组合系统中GPS接收机到组合导航卡尔曼滤波器的数据流动图。其中，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[6]。

图4为级联滤波相关深组合模式中接收机到滤波器的数据流。从图中可以看到，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[9]。

2.2.2 GPS/INS非相关深组合模式

图5中给出了非相关深组合模式中GPS接收机与组合导航滤波器之间的数据流。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[6]。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。

3.2 GPS/INS深组合模式

3.2.1 GPS/INS深组合模式与INS辅助GPS超紧组合模式对比

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[12]。

（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[13]。

（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[13]。

（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[11]。

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[14]。

3.2.2 GPS/INS相关深组合模式与非相关深组合模式的对比

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[15]。

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[13]。

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[6]。

3.3 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。

5 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[2]。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[23]。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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