SINS/GPS组合导航技术研究与分析

2016-12-16河北科技大学信息科学与工程学院王彦朋靳晓栋

电子世界 2016年22期

河北科技大学信息科学与工程学院王彦朋靳晓栋滑海郭月

SINS/GPS组合导航技术研究与分析

河北科技大学信息科学与工程学院王彦朋靳晓栋滑海郭月

导航系统的精度和稳定性是衡量一个导航系统好坏的重要指标，在当代导航领域中，各种导航系统发展迅速，同时对导航系统的要求也随之越来越高，单一的导航系统已经难以满足用户的需求。为了提高卫星导航的定位精度以及增强卫星导航的适应能力。本设计提出了一种提出了采用SINS/GPS组合导航系统。该组合导航系统结合了惯性导航系统短期高精度的特点以及卫星导航实时性好的优点，改善了定位精度，形成了自身适应性强，使用灵活，长时间高精度定位的特点。

SINS；GPS；组合定位

1.引言

目前世界上的导航系统种类有很多，比如GPS系统、GLONASS系统、Loran C导航系统、大气数据系统、磁航向仪导航系统、惯性导航系统、多普勒导航系统等。这些导航系统都有自身的优点以及缺点，在某些特殊领域有它们独特的优势，但也不可避免的带有一定的局限性，不能够形成广泛的应用。所以根据各个导航系统的优势取长补短，可以相结合构成多种组合导航系统。但相比于其它组合系统而言，SINS/GPS组合导航目前在全世界范围内应用最广泛，同时性能也更加优越。

2.惯性导航系统的差异

惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)与卫星的可视性无关，可以工作在多种特殊环境下，不受时间和空间的限制。惯性导航系统是一种利用传感器和牛顿力学原理来实现参数计算的独立导航系统。惯性导航系统可以计算出载体的速度、位置以及姿态角等导航参数，在短时间内具有很高的定位精度。但是，由于系统是由传感器组成的，所以传感器本身的精度容易受温度影响，以及长时间工作会产生误差的特性也随之带入了惯性导航系统中，导致定位精度逐渐下降。

惯性导航系统在物理结构上面可以划分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两种系统。两者在稳定性和精度上都有差别，具体来说：

平台式惯性导航系统固定在一个实体的稳定平台上，以平台坐标系为基准，由陀螺仪和加速度计传感器来测量载体运动参数。捷联式系统的传感器则是直接安装在载机上，平台坐标系也由原来的硬件平台换成了计算机软件生成的基准平台。所以捷联式惯性导航系统的物理构成更为简单，大大的缩减了体积，增强了灵活性，价格也随之降低了。导航参数的测定依然是利用陀螺仪以及加速度模块，在进行参数计算之前，必须通过矩阵坐标变换，完成坐标系的统一，以便能在惯性坐标系中完成导航运算。平台式惯性导航系统体积大、质量重，机械结构复杂，可靠性和维护性差，系统性能收到较大制约，成分昂贵，对放置空间有较高的要求。如果能用捷联惯性导航系统代替平台式惯性导航系统，就可以节约到许多不必要的设备，大大的增强导航平台的灵活性。平台式惯性导航系统如图1所示，捷联式惯性导航系统如图2所示。

3.SINS/GPS组合系统组合方式

SINS和GPS组合构成的SINS/GPS组合系统能够在这个接受机定位解算的过程中起到很到的辅助作用，包括：信号的捕获过程和环路的跟踪过程。

首先，利用惯性导航系统作为主要的导航系统，GPS导航系统加以辅助，在载体的运动过程中用GPS信号修正惯性导航系统，可以很好的解决惯性导航系统的初始误差和温度漂移带来的误差，有效的减少了信号失锁和周跳问题。

其次，惯性导航系统在提高GPS卫星导航系统的抗干扰能力，增强稳定性上有很大的作用。在一些特殊环境下，卫星信号容易受到影响，会出现无法导航的情况。此时惯性导航系统可以完成导航功能。当GPS信号恢复正常后，惯性导航系统又能向卫星导航系统提供接收机的相关初始信息，包括接收机的位置坐标、速度等参数，这样就可以在较短的时间内完成GPS接收机的启动，从而减少了干扰对系统工作的影响。

另外，惯性导航系统输出的位置、速度和载体姿态角等导航信息，可以很好的反映载体的动态行为，进而在环路跟踪的时候增强了跟踪效果，减小回路带宽，从而进一步减弱噪声引起的跟踪误差。

图1　平台式惯性导航系统

图2　捷联式惯性导航系统

根据组合结构、信息交换及组合程度的不同，SINS和GPS的组合可分为松组合、紧组合、超紧组合和深组合四种组合模式。

3.1SINS/GPS松组合模式

该组合系统中，SINS和GPS独立工作，通过卡尔曼滤波器利用GPS得到的导航信息估计并校正SINS误差，这样能够使SINS一直能够保持较高的导航精度。这种组合模式因具有简单、工程易实现而得到广泛的应用。SINS/GPS松组合模式原理图如图3所示：

图3　SINS/GPS松组合模式原理图

3.2SINS/GPS紧组合模式

该组合模式利用伪距和伪距率导航参数，将这些观测到的原始测量值直接送入组合滤波器。这种组合方式在理论和工程应用上进行了实验，实际效果比采取位置、速度组合的松组合要好一些，有效的提高了组合系统的可观测性。SINS/GPS紧组合模式原理图如图4所示：

图4　SINS/GPS紧组合模式原理图

3.3SINS/GPS超紧组合模式

该组合模式不仅将观测到伪距、伪距率参数进行组合，还在跟踪环路的过程中将SINS输出的速率信息反馈到跟踪环路。这样不仅增强了组合系统对于环路信号跟踪性能，也能降低失锁情况的发生。SINS/GPS超紧组合模式原理图如图5所示：

图5　SINS/GPS超紧组合模式原理图

3.4SINS/GPS深组合模式

该组合模式接收机内部不需要进行信号的跟踪，采用相关器将SINS与GPS接收机输出的导航数据进行融合，这样保证了信号跟踪过程和数据融合是实时同步的，得到的数据每个时刻都是最准确的，所以在理论上讲深组合方式是一种最优的组合方式。SINS/ GPS深组合模式原理图如图6所示。

在实际应用过程中可以根据对项目和工程的需求，从抗干扰能力、动态性和准确性方面对SINS/GPS各个组合模式进行分析和选择。

图6　SINS/GPS深组合模式原理图

4.SINS/GPS组合定位的发展

SINS/GPS组合导航定位技术成为今后导航领域的主要方法是一种趋势。一方面得益于SINS/GPS组合导航的各种优越的性能，比如：稳定性，精确度高，使用灵活，易于安装。另一方面由于各个国家对国家安全的考虑以及对高科技的追求，使得惯性导航系统在高动态的军事领域备受关注。在高动态环境下常以高精度的卫星辅助惯导器件实现精确导航，比如：巡航导弹，运载火箭等。SINS/GPS组合导航在民用领域也有很大的前景，主要可以应用在车载导航，移动地图等方向以及高精度的航拍领域。