河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 王彥朋 靳曉棟 滑 海 郭 月

SINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)研究與分析

河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 王彥朋 靳曉棟 滑 海 郭 月

導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性是衡量一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)，在當(dāng)代導(dǎo)航領(lǐng)域中，各種導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速，同時(shí)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求也隨之越來越高，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足用戶的需求。為了提高衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度以及增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航的適應(yīng)能力。本設(shè)計(jì)提出了一種提出了采用SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短期高精度的特點(diǎn)以及衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，改善了定位精度，形成了自身適應(yīng)性強(qiáng)，使用靈活，長(zhǎng)時(shí)間高精度定位的特點(diǎn)。

SINS；GPS；組合定位

1.引言

目前世界上的導(dǎo)航系統(tǒng)種類有很多，比如GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、Loran C導(dǎo)航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、磁航向儀導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)等。這些導(dǎo)航系統(tǒng)都有自身的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，在某些特殊領(lǐng)域有它們獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也不可避免的帶有一定的局限性，不能夠形成廣泛的應(yīng)用。所以根據(jù)各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以相結(jié)合構(gòu)成多種組合導(dǎo)航系統(tǒng)。但相比于其它組合系統(tǒng)而言，SINS/GPS組合導(dǎo)航目前在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛，同時(shí)性能也更加優(yōu)越。

2.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的差異

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)與衛(wèi)星的可視性無關(guān)，可以工作在多種特殊環(huán)境下，不受時(shí)間和空間的限制。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種利用傳感器和牛頓力學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)參數(shù)計(jì)算的獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以計(jì)算出載體的速度、位置以及姿態(tài)角等導(dǎo)航參數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)具有很高的定位精度。但是，由于系統(tǒng)是由傳感器組成的，所以傳感器本身的精度容易受溫度影響，以及長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生誤差的特性也隨之帶入了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)致定位精度逐漸下降。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上面可以劃分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)兩種系統(tǒng)。兩者在穩(wěn)定性和精度上都有差別，具體來說：

平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)固定在一個(gè)實(shí)體的穩(wěn)定平臺(tái)上，以平臺(tái)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，由陀螺儀和加速度計(jì)傳感器來測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)。捷聯(lián)式系統(tǒng)的傳感器則是直接安裝在載機(jī)上，平臺(tái)坐標(biāo)系也由原來的硬件平臺(tái)換成了計(jì)算機(jī)軟件生成的基準(zhǔn)平臺(tái)。所以捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的物理構(gòu)成更為簡(jiǎn)單，大大的縮減了體積，增強(qiáng)了靈活性，價(jià)格也隨之降低了。導(dǎo)航參數(shù)的測(cè)定依然是利用陀螺儀以及加速度模塊，在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算之前，必須通過矩陣坐標(biāo)變換，完成坐標(biāo)系的統(tǒng)一，以便能在慣性坐標(biāo)系中完成導(dǎo)航運(yùn)算。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)體積大、質(zhì)量重，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和維護(hù)性差，系統(tǒng)性能收到較大制約，成分昂貴，對(duì)放置空間有較高的要求。如果能用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)代替平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以節(jié)約到許多不必要的設(shè)備，大大的增強(qiáng)導(dǎo)航平臺(tái)的靈活性。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖1所示，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖2所示。

3.SINS/GPS組合系統(tǒng)組合方式

SINS和GPS組合構(gòu)成的SINS/GPS組合系統(tǒng)能夠在這個(gè)接受機(jī)定位解算的過程中起到很到的輔助作用，包括：信號(hào)的捕獲過程和環(huán)路的跟蹤過程。

首先，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主要的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)加以輔助，在載體的運(yùn)動(dòng)過程中用GPS信號(hào)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以很好的解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始誤差和溫度漂移帶來的誤差，有效的減少了信號(hào)失鎖和周跳問題。

其次，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在提高GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)穩(wěn)定性上有很大的作用。在一些特殊環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)容易受到影響，會(huì)出現(xiàn)無法導(dǎo)航的情況。此時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以完成導(dǎo)航功能。當(dāng)GPS信號(hào)恢復(fù)正常后，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)又能向衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供接收機(jī)的相關(guān)初始信息，包括接收機(jī)的位置坐標(biāo)、速度等參數(shù)，這樣就可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成GPS接收機(jī)的啟動(dòng)，從而減少了干擾對(duì)系統(tǒng)工作的影響。

另外，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置、速度和載體姿態(tài)角等導(dǎo)航信息，可以很好的反映載體的動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而在環(huán)路跟蹤的時(shí)候增強(qiáng)了跟蹤效果，減小回路帶寬，從而進(jìn)一步減弱噪聲引起的跟蹤誤差。

圖1　平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

圖2　捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

根據(jù)組合結(jié)構(gòu)、信息交換及組合程度的不同，SINS和GPS的組合可分為松組合、緊組合、超緊組合和深組合四種組合模式。

3.1SINS/GPS松組合模式

該組合系統(tǒng)中，SINS和GPS獨(dú)立工作，通過卡爾曼濾波器利用GPS得到的導(dǎo)航信息估計(jì)并校正SINS誤差，這樣能夠使SINS一直能夠保持較高的導(dǎo)航精度。這種組合模式因具有簡(jiǎn)單、工程易實(shí)現(xiàn)而得到廣泛的應(yīng)用。SINS/GPS松組合模式原理圖如圖3所示：

圖3　SINS/GPS松組合模式原理圖

3.2SINS/GPS緊組合模式

該組合模式利用偽距和偽距率導(dǎo)航參數(shù)，將這些觀測(cè)到的原始測(cè)量值直接送入組合濾波器。這種組合方式在理論和工程應(yīng)用上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)際效果比采取位置、速度組合的松組合要好一些，有效的提高了組合系統(tǒng)的可觀測(cè)性。SINS/GPS緊組合模式原理圖如圖4所示：

圖4　SINS/GPS緊組合模式原理圖

3.3SINS/GPS超緊組合模式

該組合模式不僅將觀測(cè)到偽距、偽距率參數(shù)進(jìn)行組合，還在跟蹤環(huán)路的過程中將SINS輸出的速率信息反饋到跟蹤環(huán)路。這樣不僅增強(qiáng)了組合系統(tǒng)對(duì)于環(huán)路信號(hào)跟蹤性能，也能降低失鎖情況的發(fā)生。SINS/GPS超緊組合模式原理圖如圖5所示：

圖5　SINS/GPS超緊組合模式原理圖

3.4SINS/GPS深組合模式

該組合模式接收機(jī)內(nèi)部不需要進(jìn)行信號(hào)的跟蹤，采用相關(guān)器將SINS與GPS接收機(jī)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這樣保證了信號(hào)跟蹤過程和數(shù)據(jù)融合是實(shí)時(shí)同步的，得到的數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)刻都是最準(zhǔn)確的，所以在理論上講深組合方式是一種最優(yōu)的組合方式。SINS/ GPS深組合模式原理圖如圖6所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中可以根據(jù)對(duì)項(xiàng)目和工程的需求，從抗干擾能力、動(dòng)態(tài)性和準(zhǔn)確性方面對(duì)SINS/GPS各個(gè)組合模式進(jìn)行分析和選擇。

圖6　SINS/GPS深組合模式原理圖

4.SINS/GPS組合定位的發(fā)展

SINS/GPS組合導(dǎo)航定位技術(shù)成為今后導(dǎo)航領(lǐng)域的主要方法是一種趨勢(shì)。一方面得益于SINS/GPS組合導(dǎo)航的各種優(yōu)越的性能，比如：穩(wěn)定性，精確度高，使用靈活，易于安裝。另一方面由于各個(gè)國(guó)家對(duì)國(guó)家安全的考慮以及對(duì)高科技的追求，使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)的軍事領(lǐng)域備受關(guān)注。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下常以高精度的衛(wèi)星輔助慣導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，比如：巡航導(dǎo)彈，運(yùn)載火箭等。SINS/GPS組合導(dǎo)航在民用領(lǐng)域也有很大的前景，主要可以應(yīng)用在車載導(dǎo)航，移動(dòng)地圖等方向以及高精度的航拍領(lǐng)域。

5.結(jié)論

通過對(duì)SINS和GPS各自的特點(diǎn)對(duì)比研究與分析，可以得知兩者結(jié)合的組合定位算法無論是在靈活性，精確度還是穩(wěn)定性上相對(duì)于單系統(tǒng)而言都更有優(yōu)勢(shì)，在未來導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域具有更廣闊的前期和巨大的潛力。

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王彥朋（1969—），男，河北石家莊人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⑻幚怼?/p>

靳曉棟（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于河北科技大學(xué)，主要研究方向：實(shí)時(shí)信號(hào)處理與工程實(shí)現(xiàn)。

滑海（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于河北科技大學(xué)，主要研究方向：衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)。

郭月（1993—），女，河北唐山人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于河北科技大學(xué)，主要研究方向：高分圖像處理技術(shù)。