摘 要：介紹了GPS/INS超緊組合系統(tǒng)的概念，按照結(jié)構(gòu)與信息處理方式的不同將超緊組合系統(tǒng)分為INS輔助GPS超緊組合、相關(guān)深組合和非相關(guān)深組合三種模式，在給出不同模式超緊組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)比分析了各自的特點(diǎn)，綜述了GPS/INS超緊組合系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出超緊組合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：組合導(dǎo)航；GPS/INS；超緊組合

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.32+8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

在導(dǎo)航系統(tǒng)中，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，二者組合的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠克服各子系統(tǒng)的明顯缺點(diǎn)，保證導(dǎo)航的連續(xù)性，提高導(dǎo)航性能。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)單一子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：對(duì)于GPS接收機(jī)，INS的輔助可以增強(qiáng)其捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的能力，提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力；對(duì)于INS，GPS可以抑制INS誤差積累，提高INS的導(dǎo)航精度。目前，根據(jù)組合深度的不同，GPS和INS組合方式可以分為松組合、緊組合和超緊組合方式[1]。

1 GPS/INS超緊組合系統(tǒng)概念與分類(lèi)

超緊組合是一種在硬件級(jí)進(jìn)行一體化的組合方式，除了通過(guò)估計(jì)INS誤差對(duì)INS進(jìn)行反饋校正外，還使用校正后INS信息對(duì)GPS接收機(jī)的載波環(huán)、碼環(huán)進(jìn)行輔助或直接用INS信息閉合載波環(huán)和碼環(huán)跟蹤環(huán)路[4]。

超緊組合一體化在實(shí)現(xiàn)方式上分為兩種：一種是，在傳統(tǒng)標(biāo)量接收機(jī)的內(nèi)部，INS輔助接收機(jī)碼環(huán)或載波跟蹤環(huán)路，輔助后的接收機(jī)再與INS采用緊組合方式組合；另一種是，用矢量跟蹤環(huán)路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路，并用組合濾波器代替矢量跟蹤接收機(jī)中的導(dǎo)航濾波器。第一種超緊組合方式通常稱(chēng)為INS輔助GPS超緊組合[1]，但在實(shí)際應(yīng)用中普遍認(rèn)為，只要INS能夠輔助衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和跟蹤，就可以將兩者之間的組合方式稱(chēng)為超緊組合[5]。第二種超緊組合方式稱(chēng)為基于矢量跟蹤環(huán)路的GPS/INS超緊組合，本文為了敘述的方便，將這種矢量跟蹤超緊組合稱(chēng)為深組合。

GPS/INS深組合算法又可以根據(jù)接收機(jī)與卡爾曼濾波器之間信息流動(dòng)方式的不同分為兩類(lèi)：相關(guān)算法和非相關(guān)算法。相關(guān)算法是把GPS相關(guān)累加器輸出的I，Q信號(hào)直接作為卡爾曼濾波器的量測(cè)信息；而非相關(guān)算法是先將I，Q信號(hào)經(jīng)傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路中的碼相位和載波鑒頻器處理，然后再作為卡爾曼濾波器的量測(cè)信息[6]。下面將對(duì)INS輔助GPS超緊組合、相關(guān)深組合和非相關(guān)深組合的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)分別進(jìn)行對(duì)比分析。

2 不同GPS/INS超緊組合模式結(jié)構(gòu)

2.1 INS輔助GPS超緊組合模式

INS輔助GPS超緊組合是最簡(jiǎn)單的超緊組合模式，只需在緊組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用組合導(dǎo)航濾波器對(duì)載體多普勒頻率進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)結(jié)果輸送到接收機(jī)內(nèi)部對(duì)跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助[7]。

INS輔助GPS超緊組合系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體工作流程為：衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)捕獲與跟蹤后，可以得到偽距、多普勒頻率、載波相位和導(dǎo)航電文等信息，同時(shí)可以輔助INS解算模塊初始化；結(jié)合星歷信息，INS測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)導(dǎo)航解算后，求解得到相應(yīng)的偽距、偽距率信息；在導(dǎo)航濾波器中采用偽距、偽距率作為量測(cè)信息，以INS線性化誤差方程為系統(tǒng)方程，利用濾波算法對(duì)系統(tǒng)的位置、速度、姿態(tài)和傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，進(jìn)而給出組合系統(tǒng)的導(dǎo)航定位解，同時(shí)根據(jù)估計(jì)結(jié)果一方面對(duì)慣導(dǎo)器件誤差進(jìn)行校正，另一方面將校正后的慣導(dǎo)速度信息經(jīng)多普勒等效轉(zhuǎn)換后對(duì)接收機(jī)環(huán)路進(jìn)行輔助。

2.2.1 GPS/INS相關(guān)深組合模式

根據(jù)組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器結(jié)構(gòu)的不同，相關(guān)深組合可以分為集中濾波相關(guān)深組合和級(jí)聯(lián)濾波相關(guān)深組合。圖3給出了采用集中Kalman濾波器的相關(guān)深組合系統(tǒng)中GPS接收機(jī)到組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器的數(shù)據(jù)流動(dòng)圖。其中，來(lái)自GPS接收機(jī)的I，Q信號(hào)直接作為組合導(dǎo)航Kalman濾波器的量測(cè)信息。

由于集中濾波相關(guān)深組合模式存在計(jì)算負(fù)擔(dān)重、狀態(tài)方程可觀測(cè)性差、數(shù)據(jù)跳變等缺點(diǎn)，因此，對(duì)于所有實(shí)際實(shí)現(xiàn)的相關(guān)深組合系統(tǒng)都采用了級(jí)聯(lián)Kalman濾波結(jié)構(gòu)[6]。

圖4為級(jí)聯(lián)濾波相關(guān)深組合模式中接收機(jī)到濾波器的數(shù)據(jù)流。從圖中可以看到，預(yù)處理濾波器（跟蹤Kalman濾波器）的輸入為頻率至少為50Hz的I，Q信號(hào)。一般每個(gè)預(yù)濾波器對(duì)應(yīng)一個(gè)跟蹤環(huán)路，各個(gè)預(yù)濾波器的輸入是6路量測(cè)量，而它們的狀態(tài)量至少包括3個(gè)：碼相位跟蹤誤差、載波頻率跟蹤誤差和本地信號(hào)載波相位偏差。這些預(yù)濾波器輸出分別對(duì)應(yīng)碼相位跟蹤誤差和載波頻率跟蹤誤差的偽距和偽距量測(cè)更新值，隨后將這些更新值輸入到組合導(dǎo)航Kalman濾波器中作為量測(cè)信息。同時(shí)，為了消除跟蹤預(yù)濾波器與組合濾波的級(jí)聯(lián)問(wèn)題，每當(dāng)量測(cè)信息輸送給組合濾波器后就將預(yù)濾波器中的碼相位和載波頻率狀態(tài)估計(jì)值清零[9]。

2.2.2 GPS/INS非相關(guān)深組合模式

圖5中給出了非相關(guān)深組合模式中GPS接收機(jī)與組合導(dǎo)航濾波器之間的數(shù)據(jù)流。非相關(guān)深組合中，I，Q信息不需要數(shù)據(jù)清除（DWF），而是直接通過(guò)與傳統(tǒng)跟蹤環(huán)中鑒別器相似的鑒別器模塊計(jì)算碼相位和載波頻率偏差[6]。隨后這些偏差經(jīng)求和與比例運(yùn)算得到頻率為1～2Hz的偽距、偽距率信息，這些信息直接作為組合導(dǎo)航濾波器的量測(cè)量。為了估計(jì)碼相位偏差，相關(guān)深組合算法中必須估計(jì)出載波相位偏差，而非相關(guān)深組合由于碼相位鑒別功能獨(dú)立于載波相位鑒別器，因此不需要估計(jì)載波相位偏差。

3.2 GPS/INS深組合模式

3.2.1 GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式對(duì)比

GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式相比，其優(yōu)點(diǎn)為：

（1）深組合導(dǎo)航系統(tǒng)基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)，提高了GPS接收機(jī)在較低信噪比環(huán)境（信號(hào)衰減、受到偶然或故意干擾等）中的信號(hào)跟蹤性能[12]。

（2）一般INS輔助GPS超緊組合的跟蹤環(huán)路帶寬不能隨著載噪比水平的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，而優(yōu)化的深組合算法會(huì)根據(jù)載噪比水平調(diào)節(jié)跟蹤環(huán)路帶寬，這樣就增強(qiáng)了系統(tǒng)在受干擾情況下的導(dǎo)

航性能[13]。

（3）在GPS信號(hào)出現(xiàn)短暫中斷后，深組合系統(tǒng)可以不需要重捕獲而保持連續(xù)跟蹤；INS輔助GPS超緊組合系統(tǒng)則仍需要進(jìn)行信號(hào)的重捕獲[13]。

（4）INS輔助GPS超緊組合系統(tǒng)中存在濾波器串聯(lián)，為了避免組合導(dǎo)航不穩(wěn)定，實(shí)際使用中，需要對(duì)組合導(dǎo)航濾波器的噪聲帶寬進(jìn)行限制，以保證其小于跟蹤環(huán)路帶寬。而深組合系統(tǒng)去除了這種串聯(lián)，使其有了更好的導(dǎo)航性能[11]。

深組合模式的主要缺點(diǎn)是必須對(duì)傳統(tǒng)GPS接收機(jī)進(jìn)行大量改動(dòng)；由于其基于矢量跟蹤方式，如果環(huán)路的某一通道出現(xiàn)故障，將會(huì)影響其他所有通道的正常工作，并且可能導(dǎo)致接收機(jī)不穩(wěn)定或全部衛(wèi)星失鎖[14]。

3.2.2 GPS/INS相關(guān)深組合模式與非相關(guān)深組合模式的對(duì)比

相關(guān)深組合模式最大的優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有使用鑒別器，可避免將未建模的非線性測(cè)量誤差引入卡爾曼濾波器中。因而，在設(shè)定量測(cè)噪聲方差陣時(shí)不需考慮鑒別器的非線性，最終使相關(guān)跟蹤模式具有比非相關(guān)模式更高的導(dǎo)航精度[15]。

相關(guān)深組合模式的主要缺點(diǎn)是為了能夠從I，Q中提取碼跟蹤信息，必須知道本地信號(hào)載波相位偏差，這樣就要求預(yù)濾波器必須跟蹤載波相位。而對(duì)于非相關(guān)深組合模式，由于碼鑒別器功能是獨(dú)立于載波相位的，所以計(jì)算碼相位時(shí)不需要考慮載噪比是否足以保持載波跟蹤。也就是說(shuō)，非相關(guān)深組合模式跟蹤弱信號(hào)的能力比相關(guān)深組合模式要強(qiáng)[13]。

相關(guān)深組合模式更適合載波相位跟蹤和高精度的導(dǎo)航應(yīng)用，而非相關(guān)深組合模式更適用于對(duì)載波相位跟蹤精度沒(méi)有要求的弱信號(hào)和強(qiáng)干擾環(huán)境中[6]。

3.3 各種GPS/INS組合方式性能對(duì)比

綜合以上對(duì)各種組合方式的分析對(duì)比，表1從捕獲能力、信號(hào)再捕獲能力、弱信號(hào)或強(qiáng)干擾下導(dǎo)航性能等方面對(duì)松組合、緊組合以及三種超緊組合模式進(jìn)行了定性的比較。

5 GPS/INS超緊組合技術(shù)展望

綜合目前GPS/INS超緊組合技術(shù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展水平，還需要對(duì)以下幾個(gè)方面問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（1）超緊組合方案的深入研究

超緊組合中采用不同濾波器結(jié)構(gòu)和組合方式，實(shí)現(xiàn)的難度和效果是不同的，特別是在系統(tǒng)各個(gè)傳感器性能確定的情況下，這成為決定整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)航性能的關(guān)鍵[2]。國(guó)外針對(duì)GPS/INS超緊組合實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的耦合方案，但缺乏詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)，難以進(jìn)行具體的參考。因此有必要對(duì)此進(jìn)行深入的研究。

（2）超緊組合系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

超緊組合系統(tǒng)中，無(wú)論采用哪種一體化形式和濾波器結(jié)構(gòu)，都需要深入到接收機(jī)內(nèi)部，甚至涉及到跟蹤環(huán)電路的重新編排。目前，有一些廠商生產(chǎn)的GPS芯片可以直接為用戶(hù)提供I，Q輸出和NCO信號(hào)的輸入端口，這為超緊組合系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)提供了便利。

（3）提高超緊組合系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力

對(duì)于深組合系統(tǒng)的載波跟蹤問(wèn)題，由于信號(hào)的載波跟蹤很容易受到干擾的影響，而對(duì)于深組合而言，各個(gè)通道是耦合在一起的，對(duì)某一路載波相位的干擾可能會(huì)影響對(duì)其他衛(wèi)星載波相位的估計(jì)。因此，在矢量跟蹤結(jié)構(gòu)中，未來(lái)一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容是完好性檢測(cè)的問(wèn)題，解決好這個(gè)問(wèn)題就可以盡量避免故障通道對(duì)其他通道的影響[23]。矢量跟蹤對(duì)多徑干擾的抑制能力也是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]GebreE.WhatistheDifferenceBetween‘Loose’，‘Tight’，‘Ultra-Tight’and‘Deep’IntegrationStrategiesforINSandGNSS[J].InsideGNSS，2007，2（1）：28-33.

[2]黃汛，高啟孝，李安，等.INS/GPS超緊耦合技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].飛航導(dǎo)彈，2009（4）：42-47.

[3]葉萍.MIMSIMU/GNSS超緊組合導(dǎo)航技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[4]AlbanS，AkosDM，RockSM.PerformanceAnalysis andArchitecturesforINS-AidedGPSTrackingLoops[C]∥Proceedingsofthe2003NationalTechnicalMeetingoftheInstituteofNavigation，Anaheim，California，January22-24，2003：611-622.

[5]GautierJD.ParkinsonBW，Gebre-EgziabherD.Using theGPS/INSGeneralizedEvaluationTool（GIGET）for theComparisonofLooselyCoupled，TightlyCoupledand Ultra-TightlyCoupledIntegratedNavigationSystems[C]∥ProceedingsofION59thAnnualMeeting，2003.

[6]GrovesPD，PetovelloM，LachapelleG.Whatarethe DifferencesBetweentheCoherentandNon-Coherent VersionsofDeepIntegrationofCombinedInertialNavigationandGNSSSystems[J].InsideGNSS，2008，January/February：26-28.

[7]YuJie，WangXinlong，JiJiaxing.DesignandAnalysis foranInnovativeSchemeofSINS/GPSUltra-TightIntegration[J].AircraftEngineeringandAerospaceTechnology：AninternationalJournal，2010，82（1）：4-14.

[8]LashleyM.ModelingandPerformanceAnalysisofGPS VectorTrackingAlgorithms[D].USA：AuburnUniversity，2009.

[9]AbbottAS，LilloWE.GlobalPositioningSystemsandInertialMeasuringUnitUltratightCouplingMethod：U.S，6516021[P].2003.

[10]WangXL，LiYF.AnInnovativeSchemeforSINS/GPS Ultra-TightIntegrationSystemwithLow-GradeIMU[J].AerospaceScienceandTechnology，2012，23（1）：452-460.

[11]KaplanED，HegartyCJ.UnderstandingGPSPrinciples andApplications[M].SecondEdition.Washington，DC，2006.

[12]PetovelloMG，LachapelleG.CompatisonofVector-BasedSoftwareReceiverImplementationswithApplicationtoUltra-TightGPS/INSIntegration[C]∥ProceedingsofIONGNSS.FairfaxVA：U.S.InstituteofNavigation，Inc.，2006.

[13]GrovesPD，MatherCJ，MacaulayAA.Demonstration ofNon-CoherentDeepINS/GPSIntegrationforOptimizedSignal-to-NoisePerformance[C]∥IONGNSS 20thInternationalTechnicalMeetingoftheSatelliteDivision（IONGNSS2007）：2627-2638.

[14]唐康華.GPS/MIMU嵌入式組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖南：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[15]SivananthanS，WeitzenJ.ImprovingOptimalityofDeeplyCoupledIntegrationofGPSandINS[C]∥Proceedings ofIONITM，Anaheim，CA，January26-28，2009：426-433.

[16]Gebre-EgziabherD，RazaveDA，EngeP，etal.SensitivityandPerformanceAnalysisofDoppler-AidedGPS Carrier-TrackingLoops[J].Navigation：Instituteof Navigation，F(xiàn)airfaxVA，2007，52（2）：49-60.

[17]GaoGuojiang.INS-AssistedHighSensitivityGPSReceiversforDegradedSignalNavigation[D].AlbertaUniversityofCalgary，2007.

[18]OhlmeyerJE.AnalysisofanUltra-TightlyCoupled GPS/INSSysteminJamming[C]∥IEEE/IONPosition，LocationandNavigationSumposium，SanDiego，CA，2006：44-53.

[19]SolovievA，GunawardenaS，vanGraasF.DeeplyIntegratedGPS/Low-CostIMUforLowCNRSignalProcessing：ConceptDescriptionandIn-FlightDemonstration[J].Navigation，2008，55（1）：1-13.

[20]LashleyM，BevlyDM，HungJY.AnalysisofDeeply IntegratedandTightlyCoupledArchitectures[J].IEEE，2010：382-396.

[21]GustafsonDE，DowdleJR，ElwellJM，Jr.Deeply-IntegratedAdaptiveGPS-BasedNavigatorwithExtended-RangeCodeTracking：US，6331835[P].2001-12-18.

[22]BuckTM，WilmotJ，CookMJ.AHighG，MEMS Based，DeeplyIntegrated，INS/GPS，Guidance，NavigationandControlFlightManagementUnit[J].IEEE，2006：772-794.

[23]SunD.Ultra-TightGPS/ReducedIMUforLandVehicleNavigation[D].Alberta：UniversityofCalgary，2010.