gpsins組合導(dǎo)航技術(shù)綜述

gpsins組合導(dǎo)航技術(shù)綜述

一、gps與in的組合全球定位系統(tǒng)（gps）和全球跟蹤系統(tǒng)（ins）在導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。GPS能夠?yàn)槿蛱峁┤鞎r(shí)、全天候的位置、速度和時(shí)間信息,精度不隨時(shí)間變化。INS是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng),它具有不易受到外界電磁干擾、高數(shù)據(jù)率、姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,GPS和INS各自的缺點(diǎn)也限制了它們的應(yīng)用:單天線GPS提供位置、速度信息但不能提供載體的姿態(tài)信息;并且GPS較低的數(shù)據(jù)更新率不能滿足動(dòng)態(tài)變化范圍較大的應(yīng)用;此外,雖然GPS在全球范圍內(nèi)可用,但當(dāng)信號受到干擾或可見衛(wèi)星被遮擋時(shí),會(huì)造成GPS的失效。另一方面,INS作為自主導(dǎo)航系統(tǒng),在短期內(nèi)有很高的定位精度,但由于慣性器件誤差的影響,其定位精度隨時(shí)間的增長而急劇惡化,因此無法長時(shí)間單獨(dú)工作。高性能的慣性器件能大大提高INS的定位精度,但政策法規(guī)的限制和昂貴的價(jià)格阻礙了INS的發(fā)展。由于GPS和INS具有互補(bǔ)性,二者組合能達(dá)到性能的超越。組合后的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等,從而可以有效提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度;而對GPS接收機(jī),慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力.提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。因此,GPS/INS可以構(gòu)成一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng),其精度、完好性、可用性及連續(xù)性等導(dǎo)航性能均優(yōu)于單一系統(tǒng)。二、組合方式組合GPS與INS的組合導(dǎo)航主要有三種模式:松耦合、緊耦合、超緊耦合。由于緊耦合是一個(gè)相對較寬的概念,因而在部分文獻(xiàn)中將超緊耦合結(jié)構(gòu)和緊耦合結(jié)構(gòu)統(tǒng)一稱為緊耦合。由于超緊耦合是一個(gè)較新的概念,在實(shí)際應(yīng)用中,普遍認(rèn)為只要INS能夠輔助衛(wèi)星信號的跟蹤和捕獲,就將兩者之間的組合方式認(rèn)為是超緊耦合。松耦合是最簡單的組合模式,在此模式下,INS和GPS接收機(jī)各自獨(dú)立工作,將二者的位置、速度差作為組合濾波器輸入,組合濾波器一般采用Kalman濾波器或其擴(kuò)展形式,對INS的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),并反饋給INS進(jìn)行修正,如圖1所示。該組合方式結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn),使定位連續(xù)性和可靠性大大提高,并使INS具有動(dòng)基座對準(zhǔn)能力。其缺點(diǎn)在于至少要存在4顆衛(wèi)星才能得到GPS的導(dǎo)航信息來對濾波器進(jìn)行更新。此外,如果GPS接收機(jī)采用自己的Kalman濾波器求解其位置和速度,這種組合導(dǎo)致濾波器的串聯(lián),使組合導(dǎo)航觀測噪聲時(shí)間相關(guān)(有色噪聲).不滿足Kalman濾波器觀測噪聲為白噪聲的基本要求,嚴(yán)重時(shí)可能使濾波器不穩(wěn)定。緊耦合是一種相對復(fù)雜的組合模式,其原理為根據(jù)GPS接收機(jī)收到的星歷信息和INS輸出的位置和速度信息,計(jì)算相應(yīng)于INS位置的偽距和偽距率,與GPS接收機(jī)測量得到的偽距和偽距速率的差值作為組合濾波器的輸入,估計(jì)出INS系統(tǒng)誤差并進(jìn)行校正,如圖2所示。與松耦合相比,緊耦合除能獲得更高的精度外,最大的好處是在可見星的個(gè)數(shù)少于4顆時(shí)也可以使用。然而緊耦合計(jì)算量大并且需要建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型和觀測模型,越大的狀態(tài)量維數(shù)會(huì)增加濾波器收斂的時(shí)間。超緊耦合方式相對于松耦合和緊耦合是更復(fù)雜的組合方式,超緊耦合除了需要完成松耦合或緊耦合方式的處理工作以外,同時(shí)使用校正后的INS速度信息對接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助跟蹤,使接收機(jī)不僅從信道中,還可從INS信息中校正多普勒頻移導(dǎo)致的誤差,從而減小環(huán)路的等效帶寬,增加GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)或強(qiáng)干擾環(huán)境下的跟蹤能力,如圖3所示。與松、緊耦合方式比較,INS信息輔助信道相關(guān)器捕獲,信號失鎖后具有更好的再捕能力;INS信息輔助抑制噪聲和誤差檢測,具有更優(yōu)的定位精度;此外,超緊耦合方式不僅在高動(dòng)態(tài)和強(qiáng)干擾條件下性能優(yōu)異,而且對多徑效應(yīng)有較好的抑制能力和校正作用。然而,超緊耦合需要深入到接收機(jī)內(nèi)部,甚至涉及到內(nèi)部碼環(huán)載波環(huán)電路的重新編排,在結(jié)構(gòu)或算法方面與松、緊耦合相比都更加復(fù)雜,也成為今后耦合導(dǎo)航的研究熱點(diǎn)。三、超緊耦合導(dǎo)航模式國外研究人員對慣性導(dǎo)航與GPS不同的組合導(dǎo)航方案有著大量的研究,自20世紀(jì)80年代起,美、英、法等國的軍方和一些民用部門開始對組合系統(tǒng)GPS/INS表現(xiàn)出興趣,一些主要的慣導(dǎo)制造廠家,紛紛投入力量研制GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng);一些無線電設(shè)備制造公司,也與慣導(dǎo)生產(chǎn)廠家合作,向這種組合系統(tǒng)提供GPS接收機(jī)。1985年,Honeywell公司與Stanford公司合作,開始研制商業(yè)領(lǐng)域的組合系統(tǒng)。1986年至1987年,在Honeywell公司、波音公司、Aerospatial公司的聯(lián)合飛行試驗(yàn)中,組合導(dǎo)航達(dá)到了很好的效果,這段時(shí)間的GPS與INS組合導(dǎo)航的研究與應(yīng)用集中于簡單而易于實(shí)現(xiàn)的松耦合中。針對GPS/INS緊耦合模式,國外早在1990年左右就進(jìn)行了系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn),并在1997年開始應(yīng)用,多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。超緊耦合導(dǎo)航模式直到20世紀(jì)末才受到極大的關(guān)注,其中Draper實(shí)驗(yàn)室Gustafson等人早在2000年明確了超緊耦合方式,提出了擴(kuò)展范圍碼跟蹤環(huán)的GPS/INS超緊耦合方法,以提高接收機(jī)的抗干擾能力,并采用仿真的GPS射頻和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一方法。美國的斯坦福大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)對于INS輔助GPS接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路研究工作比較深入,如美國的斯坦福大學(xué)的SantiagoAlban和Minnesota大學(xué)的DemozGebre等人對超緊耦合下的MEMS-IMU(微機(jī)電系統(tǒng)-慣性測量器件)輔助GPS的跟蹤捕獲回路進(jìn)行了分析和研究,認(rèn)為在低成本的IMU(慣性測量器件)輔助下,接收機(jī)的搜索帶寬可由傳統(tǒng)的15Hz減小到3Hz,增強(qiáng)了抑制噪聲的能力。同時(shí),從事導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的幾大公司,如美國L3IEC公司、雷神公司等,也都建立了各自基于GPS/INS的超緊耦合耦合導(dǎo)航測試平臺和系統(tǒng)。國內(nèi)對于GPS/INS組合導(dǎo)航起步較晚。由于國內(nèi)對松、緊耦合的研究僅限于以研制生產(chǎn)慣性器件為主的大學(xué)、研究所或企業(yè),他們對接收機(jī)內(nèi)部了解程度不夠,客觀上限制了在超緊耦合方面的研究和應(yīng)用,所以在慣性導(dǎo)航組合產(chǎn)品上我國大多停留在松耦合或常規(guī)緊耦合組合模式。此外受限于試驗(yàn)及研究條件,對GPS/INS超緊耦合的研究基本上都處于理論介紹以及仿真分析階段,并沒有得到具體物理工程試驗(yàn)驗(yàn)證,距離實(shí)際工程應(yīng)用的差距較大。就筆者看來,緊耦合和超緊耦合的研究應(yīng)該結(jié)合起來,緊耦合可認(rèn)為是GPS的偽距、多普勒測量來輔助慣導(dǎo),超緊耦合則是在緊耦合(或是松耦合)下利用慣導(dǎo)信息輔助GPS的捕獲和跟蹤,兩者相輔相成,達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)性能的提升。在緊耦合算法方面,孫道省等采用了GPS/INS緊耦合導(dǎo)航系統(tǒng)的聯(lián)合濾波方法;趙偉等根據(jù)H∞魯棒濾波理論,提出基于H∞濾波技術(shù)的GPS/INS緊耦合濾波算法;JanWendel等比較了擴(kuò)展Kalman濾波和Sigma-PointKalman濾波,結(jié)果表明后者更適合于緊耦合系統(tǒng)。在超緊耦合方面,空軍工程大學(xué)的高翔等對GPS/INS超緊耦合的跟蹤回路結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析,國防科技大學(xué)的狄曼珉等對GPS與慣性緊耦合技術(shù)的抗干擾性能進(jìn)行了介紹,唐康華、黃新生等則討論利用MIMU輔助的時(shí)域非相干搜索算法來提高對GPS信號的捕獲能力,并進(jìn)行了性能仿真分析。四、gps/in組合智能系統(tǒng)結(jié)合目前GPS/INS組合導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀和我國的技術(shù)特點(diǎn),自主研制GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可從以下幾個(gè)方面突破:國內(nèi)對于緊耦合和超緊耦合的研究大多處于仿真和半物理仿真驗(yàn)證階段,目前還沒有緊耦合和超緊耦合相結(jié)合方面較成熟的軟件系統(tǒng)及硬件實(shí)現(xiàn)。超緊耦合的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,整個(gè)組合系統(tǒng)無論采用那種具體關(guān)聯(lián)形式和濾波器設(shè)計(jì),都要深入到接收機(jī)內(nèi)部,涉及到內(nèi)部碼環(huán)載波環(huán)電路的重新編排,需要進(jìn)一步提高接收機(jī)研制能力,以實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)和INS導(dǎo)航計(jì)算的一體化。GPS差分定位能達(dá)到厘米級甚至是毫米級的精度,將載波相位觀測量引入慣性組合導(dǎo)航,能滿足航空、航天、鐵路、航海等載體的高精度導(dǎo)航定位和姿態(tài)測量的需要,也是GPS/INS緊耦合甚至超緊耦合的發(fā)展方向。在這種新的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,至少需要兩個(gè)GPS天線,用兩者的載波相位測量信息得到的雙差量作為新的觀測量,可以用于估計(jì)INS的平臺角誤差,從而提高INS的測姿精度。與此同時(shí),INS信息又能輔助GPS加快整周模糊度的確定:整周模糊度的求解一般采用搜索方法,而搜索空間取決于模糊度浮點(diǎn)解的置信區(qū)間,INS信息的輔助會(huì)縮短浮點(diǎn)解的置信區(qū)間,從而減少搜索的空間與時(shí)間。為達(dá)到GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度上的要求,需要研究兩個(gè)方面的問題:建模和估計(jì)。建模問題涉及到如何選擇合適的誤差模型來精確描述GPS/INS系統(tǒng);估計(jì)問題主要解決如何合理地使用狀態(tài)信息和觀測信息去估計(jì)誤差,實(shí)現(xiàn)精度上的提升。隨機(jī)誤差模型建立有多種方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),其中包括時(shí)域方法中的相關(guān)函數(shù)法,頻域中使用功率譜密度的方法,還有方差技術(shù)等。系統(tǒng)的狀態(tài)方程是時(shí)變的且非線性的,且很難精確地估計(jì)或測定系統(tǒng)噪聲與觀測噪聲。為此,研究人員正在研究新的數(shù)據(jù)融合技術(shù),例如對于解決非線性非高斯的問題,引入U(xiǎn)nscented卡爾曼濾波器、粒子濾波等;對于模型參數(shù)變化問題,可采用采用自適應(yīng)濾波技術(shù),以提高濾波精度,得到狀態(tài)參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)值。隨著建模、濾波等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,GPS/INS的組合導(dǎo)航也將更好地發(fā)揮其優(yōu)越性。目前,對GPS/INS組合導(dǎo)航的很多研究都是利用高性能IMU作為INS的傳感器。高性能IMU無疑提供更好的性能,保證更高的精度,但由于昂貴的價(jià)格和國外政策法規(guī)的限制阻礙了它被廣泛應(yīng)用。隨著慣性技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已有多種慣性器件應(yīng)用于GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。其中微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)為一種比較新的技術(shù),目前就有很多基于MEMS的INS/GPS研究;發(fā)展低成本GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)也成為組合導(dǎo)航的另一研究熱點(diǎn)。從目前來看,筆者認(rèn)為我國今后還是應(yīng)該走靠系統(tǒng)集成提高精度的路子,即單個(gè)INS的精度可以不是很高,但是依靠其他信息組合后系統(tǒng)的精度就能達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。五、松耦合、緊耦合的研究現(xiàn)狀GPS/INS通常分為松耦合、緊耦合和超緊耦合三種模式,其中松耦合最易實(shí)現(xiàn),緊耦合次之,超緊耦合由于要涉及到接收機(jī)內(nèi)部編排機(jī)制,其技術(shù)更為復(fù)雜最難實(shí)現(xiàn),但超緊耦合的捕獲能力及靈敏度、定位精度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力均優(yōu)于前兩者模式。國外的松耦合、緊耦合技術(shù)已比較成熟并得到廣泛應(yīng)用,目前集中于超緊耦合的研究與試驗(yàn)。我國緊耦合和