超緊耦合濾波技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

彭歡+段國棟+劉碧瑜+李文龍

【摘要】 MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的研究雖然在上世紀(jì)末被提出，但是其研究的可能性直到本世紀(jì)初隨著軟件接收機(jī)的研究取得巨大進(jìn)步后才開始逐漸被發(fā)掘，近幾年更是有了飛速的發(fā)展，但是目前全球的研究者們對MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的具體模型和算法還未統(tǒng)一觀點(diǎn)和思路，研究的水平和程度也各不相同。

【關(guān)鍵字】 超緊耦合 卡爾曼濾波 抗干擾

一、引言

現(xiàn)代軍用武器大多工作在弱信號、高動(dòng)態(tài)和電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下，要保證武器裝備在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮準(zhǔn)確打擊效能，對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度、動(dòng)態(tài)性、定位精度和抗干擾性能等方面都提出了更高的要求，對此，國內(nèi)外研究人員有針對性的開展了高靈敏度接收技術(shù)、高動(dòng)態(tài)接收技術(shù)、高精度接收技術(shù)和抗干擾接收技術(shù)等研究工作。然而目前的導(dǎo)航定位接收機(jī)往往只能夠面向一種應(yīng)用環(huán)境實(shí)現(xiàn)其中一種技術(shù)，無法解決其通用性和自適應(yīng)性，所以單純的GNSS接收機(jī)不可能完全滿足現(xiàn)代軍事導(dǎo)航要求。因此，組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為當(dāng)前重要的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，是武器導(dǎo)航系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互補(bǔ)特點(diǎn)，使得它易于與GNSS接收機(jī)進(jìn)行組合。GNSS的長期高精度和MINS的短期高精度特性有機(jī)結(jié)合，可以充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)使組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供連續(xù)、高帶寬、長時(shí)和短時(shí)精度均較高的完整導(dǎo)航參數(shù)，同時(shí)對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、空中對準(zhǔn)以及高度通道的穩(wěn)定等，從而有效提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，同時(shí)利用MINS提供的輔助信息，改善GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路捕獲和鎖定信號的能力。MINS與GNSS構(gòu)成的超緊耦合系統(tǒng)可大大提高武器裝備在高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境下的命中精度和攻擊效率，成為了今后MINS/GNSS組合導(dǎo)航的必然發(fā)展方向。

二、國外研究現(xiàn)狀分析

盡管美國具有完善的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，其研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度很高，但其仍一直在努力發(fā)展MINS和GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)。目前，以美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的對地攻擊導(dǎo)彈中制導(dǎo)方式仍然是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)+全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

國外許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了對基于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)的研究工作。2005年美國的NAVSYS公司交付了世界上第一臺(tái)超緊耦合MINS/GNSS接收機(jī)。該接收機(jī)具備了在高動(dòng)態(tài)、弱信號下接收GNSS信號的能力?，F(xiàn)在美國海軍已經(jīng)開始從NAVSYS定購接收機(jī)。2006年Honeywell公司與Rockwell Collins公司聯(lián)合研制了抗沖擊、抗干擾的深組合INS/GNSS飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制管理模塊，該模塊將GNSS接收機(jī)與MIMU進(jìn)行組合，采用深組合導(dǎo)航算法，定位為精度5m（CEP），可抗擊2000g的沖擊，仿真表明可承受58dB的干擾。2007-2008年，卡爾加里大學(xué)PLAN小組（Position，Location And Navigation group）的Petovello等人對MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)在微弱環(huán)境下應(yīng)用于載波相位定位進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證。數(shù)據(jù)采集在無遮擋的多徑環(huán)境，射頻前端增加了0-60dB的衰減器，采用戰(zhàn)術(shù)級的IMU和外部OCXO晶振，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得到，在保證厘米級的定位精度下，超緊耦合的接收機(jī)比普通接收機(jī)靈敏度提高了7dB。2010年，卡爾加里大學(xué)Sun Debo的博士論文中提出了降維的IMU（Reduced IMU，RIMU）和GNSS超緊耦合系統(tǒng)用于陸地車輛導(dǎo)航。

Sun Debo的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于標(biāo)量跟蹤的超緊耦合在采用自適應(yīng)帶寬后的算法使3D RMS速度誤差降到19%，俯仰角和橫滾角誤差稍微降低，方位角均方根誤差降低17%。在強(qiáng)GNSS信號環(huán)境下，基于標(biāo)量跟蹤的超緊耦合系統(tǒng)和基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)二者性能類似，而在弱信號環(huán)境下則矢量跟蹤性能高于標(biāo)量跟蹤性能，但是測量精度有所下降。

MINS/GNSS超緊耦合導(dǎo)航系統(tǒng)中主要采用卡爾曼濾波方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息融合及導(dǎo)航定位。在大部分組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，考慮到各種內(nèi)外因素，其狀態(tài)方程及量測方程都是非線性的，在高動(dòng)態(tài)下系統(tǒng)的非線性特性會(huì)更強(qiáng)。針對系統(tǒng)非線性問題，組合濾波器主要通過采用EKF、UKF和方根積分卡爾曼方法等處理非線性系統(tǒng)的算法來解決。

2006年，美國海上戰(zhàn)爭中心Ernest J. Ohlmey等人研究了MINS/GNSS超緊耦合算法在干擾環(huán)境的應(yīng)用。接收機(jī)相關(guān)處理后的I、Q支路信號直接送入EKF跟蹤濾波器，最后經(jīng)組合濾波器用于定位解算。與緊耦合相比，該結(jié)構(gòu)采用了濾波器算法比傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路在跟蹤上更具有魯棒性，并且具有更高的抗干擾性能和高動(dòng)態(tài)特性。最后通過仿真精密武器的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，信號跟蹤能力很強(qiáng)，J/S接近75dB。

2008年，新南威爾大學(xué)Chris Rizos，Wang J等人研究了在MINS與GNSS超緊耦合中使用UKF濾波，它是采用一系列 sigma點(diǎn)來捕獲先驗(yàn)隨機(jī)變量的一階和二階瞬時(shí)值，直接利用系統(tǒng)的非線性功能將sigma點(diǎn)映射到狀態(tài)空間和量測空間，而不是通過線性化求解雅克比矩陣。在此基礎(chǔ)上，2009年，新南威爾大學(xué)的Ravindra Babu等人研究了綜合卡爾曼濾波器的平滑功能對超緊耦合系統(tǒng)性能的關(guān)鍵作用，其中卡爾曼濾波性能由建模方法的精度來決定并驗(yàn)證載體在不同動(dòng)態(tài)軌跡時(shí)的效果。

2010年，法國格勒諾布爾綜合理工大學(xué)GIPSA實(shí)驗(yàn)室Carles Fernandez-Prades等人提出用三邊測量法計(jì)算接收機(jī)的位置，以獲得IMU測量值和同步參數(shù)的直接關(guān)系，然后把它代入狀態(tài)方程里，來計(jì)算IMU的最終偏移誤差。研究中采用自由高斯非線性濾波方法去解決這個(gè)估值問題，例如使用方根積分卡爾曼濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的跟蹤環(huán)。

美國雷神公司（Raytheon Company）的超緊耦合算法，在采用導(dǎo)航電文剝離和導(dǎo)航電文不剝離兩種方法對GNSS P（Y）碼進(jìn)行跟蹤。由于采用導(dǎo)航電文剝離技術(shù)能有效地預(yù)測導(dǎo)航數(shù)據(jù)位并且相干積分時(shí)間能超過20ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用導(dǎo)航電文剝離技術(shù)的載波和碼跟蹤抗干擾性能比傳統(tǒng)跟蹤大約有15dB的改進(jìn)，導(dǎo)航電文不剝離技術(shù)有6dB的改進(jìn)。當(dāng)采用低精度的激光陀螺時(shí)，載波頻率和載波相位跟蹤有效的情況下，超緊耦合系統(tǒng)的J/S可以達(dá)到70-75dB。在相同情況下，相比于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合，其抗干擾性能有6-8dB的改進(jìn)。美國海軍水面作戰(zhàn)中心（Naval Surface Warfare Center） ，加拿大遙感中心（Canada Center for Remote Sensing）以及英國奎奈蒂克（QinetiQ）等研究機(jī)構(gòu)的算法也得到類似的結(jié)論。

美國德雷珀（Draper）公司的算法與雷神基本相似，兩者的主要區(qū)別是導(dǎo)航濾波器的結(jié)構(gòu)，狀態(tài)量和協(xié)方差傳播步驟是按照EKF流程進(jìn)行的，但是導(dǎo)航濾波器的GNSS觀測更新是與EKF的更新不同。同時(shí)德雷珀采用擴(kuò)展多個(gè)碼相關(guān)（extended bank of range code correlators）相關(guān)，其實(shí)驗(yàn)表明，在保持碼跟蹤的寬帶干擾下，基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)比基于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的抗干擾性能可以提高15-20dB。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

目前，MINS/GNSS超緊耦合高性能導(dǎo)航技術(shù)在我國仍處于仿真試驗(yàn)階段，主要的研究力量集中在高校和科研院所。國內(nèi)針對慣性和GNSS深層次耦合的研究較早出現(xiàn)的文獻(xiàn)是在1995年西北工業(yè)大學(xué)的安東等人對超緊耦合進(jìn)行了性能仿真研究，并對GNSS碼跟蹤誤差檢測器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此后十多年的時(shí)間，由于GNSS接收機(jī)研制能力的限制，MINS與GNSS的組合幾乎全部都是以松耦合和緊耦合的組合方式出現(xiàn)，慣性器件對GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的問題偶有提及，但不受重視。直至近幾年，由于國外研究機(jī)構(gòu)對MINS輔助GNSS跟蹤環(huán)的研究升溫，國內(nèi)才開始逐漸研究。2000年李方鎖、孫道省等人研究了具有開環(huán)和閉環(huán)反饋修正的耦合方案，卡爾曼濾波器的觀測量是MINS和GNSS的偽距和偽距率之差，濾波結(jié)果可直接對MINS和GNSS系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)校正。西北工業(yè)大學(xué)的栗瑞江等人則采用卡爾曼濾波器完成了對MINS誤差和GNSS接收機(jī)鐘差的最優(yōu)估計(jì)。

對國內(nèi)關(guān)于MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)近幾年的研究現(xiàn)狀總結(jié)如下：

2008年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了低成本MIMU/GNSS超緊耦合系統(tǒng)，文章提出了一種基于最大似然估計(jì)的自適應(yīng)濾波算法。通過靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的位置精度優(yōu)于5m，速度精度優(yōu)于0.1m/s，俯仰角和滾動(dòng)角精度優(yōu)于0.2°，航向角精度優(yōu)于0.2°，多普勒頻率估計(jì)精度在0.2Hz以內(nèi)；在動(dòng)態(tài)車載條件下，水平位置誤差優(yōu)于3米，高度誤差優(yōu)于10米。

2009年，北京航空航天大學(xué)研究了戰(zhàn)術(shù)級MINS/GNSS的超緊耦合系統(tǒng)，其中組合導(dǎo)航濾波器采用UKF濾波算法，結(jié)果表明超緊耦合系統(tǒng)的多普勒頻率誤差在3Hz范圍內(nèi)。同年，北京航空航天大學(xué)提出了一種基于矢量的跟蹤方法實(shí)現(xiàn)MINS/GNSS的深組合導(dǎo)航方案，在載噪比較低的環(huán)境中能夠維持較好的偽碼相位和載波頻率跟蹤性能。

2013年，南京航空航天大學(xué)在對不同GNSS/INS超緊耦合模型特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了超緊耦合中慣性與衛(wèi)星環(huán)路信息耦合模型，提出了環(huán)路復(fù)制信號參量的外部控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超緊耦合系統(tǒng)環(huán)路信號參量偏差與慣性狀態(tài)誤差間有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系與深層次的耦合機(jī)理。

四、結(jié)論

國外在MINS/GNSS技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)發(fā)展到了實(shí)用階段，并且己經(jīng)部分應(yīng)用于武器裝備和眾多的民用應(yīng)用領(lǐng)域；而當(dāng)前國內(nèi)對MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)的研究仍處于理論仿真探索階段，還沒有成熟的MINS與GNSS超緊耦合的產(chǎn)品，并且大都是針對某一性能的算法設(shè)計(jì)為主，結(jié)果也都是以仿真形式給出。許多研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)只側(cè)重于超緊耦合研究的基礎(chǔ)性技術(shù)，包括GNSS軟件接收機(jī)技術(shù)、基于矢量跟蹤算法以及MINS輔助GNSS理論性能分析等。

參 考 文 獻(xiàn)

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