惯性/卫星组合导航系统综述

王国栋

【摘 要】惯性导航系统具备不依赖外部信息，不易受干扰的优势，卫星导航系统则具备精度不随时间变化的特点，两者组合所得的系统显示出广阔应用前景。本文首先分别介绍了惯性导航系统和卫星导航系统的基本原理，总结并对比了两者的优缺点，简述了发展历程，综述了国内外惯性/卫星组合导航的组合方式和研究进展，指出了国内研究存在的不足之处。

【关键词】惯性导航;卫星导航;组合模式

中图分类号： TN96-2 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）21-0115-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.052

Research Progress of Inertial/Satellite Integrated Navigation System

WANG Guo-dong

（Unit 91550，Dalian Liaoning 116023，China）

【Abstract】Inertial navigation system （INS） has the advantages of independent of external information， while global navigation satellite system （GNSS） has the characteristics of the degree of accuracy not changing with time. The combination of the two systems shows broad application prospects. Firstly， this paper introduces the basic principles of INS and GNSS， summarizes and compares their advantages and disadvantages， briefly describes the development process， summarizes the combination mode and research progress of INS/GNSS integrated navigation at home and abroad， and points out the shortcomings of domestic research.

【Key words】Inertial navigation system;Global navigation satellite system;Integrated mode

0 引言

隨着导弹武器系统相关技术的发展，战争逐渐表现出非接触、非对称的特征，该现象在近年来美国发动多次局部战争中表现得尤为突出。美国的“战斧”巡航导弹在历次局部战争中表现出了精确制导、远程打击、可靠性高、威力大等显著特点[1]。精确制导是达到上述效果的基本要求，而导航系统是提高导弹命中精度的主要部件[2]。目前较为常见的导航方法有无线电导航、惯性导航、天文导航等。各导航技术可单独使用，但单一导航系统在精确制导方面的表现已经难以满足需求，组合导航显示出了巨大的精度优势，成为研究和发展的主要方向[3-4]。

惯性导航（Inertial Navigation System，INS）具备不依赖外部信息，不易受干扰的优势，在精确制导武器上应用广泛[5]。而无线电导航中的卫星导航（Global Navigation Satellite System，GNSS）则具备精度不随时间变化，但易受干扰的特点[6-7]。两者各有特点，功能互补，两者组合的导航系统成为导弹广泛采用的重要技术之一，应用广泛[8-9]。

1 惯性导航系统

惯性导航系统是上世纪中叶发展出的自主导航系统，是载体分辨自身位置，达成使命的关键技术之一。惯导通过载体内的传感器组合（主要为加速度计和陀螺仪）进行测量得到旋转速度和加速度信息，结合初始信息，依据力学定律计算得出载体方位信息。惯性导航系统按照采用的平台形式分为平台惯导（Gimbaled Inertial Navigation System，GINS）和捷联惯导（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）[5]。

1.1 平台惯性导航

GINS具有机械陀螺稳定平台，惯性传感器组合通过平衡环或浮台系统隔离于载体的转动。惯性传感器组合中的陀螺仪可测量姿态角变化，并使力矩马达带动平台进行反方向同角度移动，从而使平台在空间中保持稳定的方位角[10]。传感器隔离于角速度是GINS的优点，可以消除许多角速度引起的误差，允许使用高精度的惯性传感器组合。其缺点在于平台体积较大，工艺繁琐，成本高。

1.2 捷联惯性导航[5]

SINS的最大特征是采用数字平台取代机械平台，将惯性传感器组合直接安装于弹体上，利用计算机运算完成导航平台的功能。SINS的优点是成本较低且占用空间小，缺点在于在安装捷联惯组时存在误差角，该误差角一直参与随飞行时间的积分，导致误差积累，因此需要高精度的对准[11]。

1.3 惯性导航的研究现状

从GINS和SINS的介绍可知，惯性导航的精度严重依赖于陀螺仪，但由于轴承之间的摩擦、陀螺仪的框架存在细微不对称和不平衡等原因，平台台体会发生偏转，即陀螺仪的漂移，且该误差随着时间的延长逐渐发散，造成长时间导航的精度逐渐降低。

为减少陀螺漂移，研究人员对陀螺仪进行了大量研究[12]。目前陀螺仪可分为机械式和光电式两种。机械陀螺漂移率最低达到0.000015°/h，搭载该设备的和平保卫者导弹在完全无外界信息的情况下，飞行14000km的误差小于100m[13]，但造价过高，应用较少。随着光电技术的发展，激光得以发展，具有精度高，结构简单，工作寿命长，无加热启动时间，可靠性高等优势，美国三叉戟导弹即采用的此类陀螺仪为元器件的GINS[13]。

2 卫星导航系统

GNSS以卫星信息为基础，可提供位置、速度、时间信息。其基本过程[7]为：

（1）GNSS卫星向地面发送信号;

（2）地面监控设备接收、处理各个GNSS卫星发送的信息，得到卫星的运动轨迹参数，并发送回卫星;

（3）卫星发送带有运动轨迹参数的信号;

（4）终端设备接收多颗卫星（至少四颗）的信号，得到轨迹参数，通过这些参数计算出终端的位置信息和参数。

目前已有四个投入运行的GNSS，分别为美国的全球定位系统（Global Positioning System， GPS）、俄罗斯的全球轨道导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GLONASS）、欧盟的伽利略定位系统（Galileo Satellite Navigation System， Galileo）以及我国的北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。

（1）GPS

GPS具有全球化、精度高等优点，由24颗卫星及地面监控站、主控站组成，卫星分布在6个轨道，距地面约2万公里，地面用户在任何情况下均可接收到多颗卫星所发送的信息，从而使得GPS具备了高精度、全球化的显著优势[14]。

（2）GLONASS

GLONASS的建设历时13年，于1996年实现24颗卫星在轨，实现全球、全天候、实时提供位置、速度、时间信息。与GPC卫星轨道倾角为55°不同，GLONASS采用的三条卫星轨道倾角为64.8°[15]，该布局使得在纬度较高的国家上空有较多GLONASS卫星，对俄罗斯较为有利。

（3）GALILEO

GALILEO是首个民间开发、民间控制、民间运营的面向民用的多模式卫星导航系统，于2018年建设完成，卫星数为30颗，分布于三个圆形轨道，倾角为56°[16]。GALILEO导航系统针对民用，目前民用领域精度最高的导航系统，向全球提供定位精度在1-2m的免费服务和1m的付费服务。

（4）BDS

北斗是我国独立建设的全球卫星导航系统，共包括35颗卫星。在满卫星运行时，开放服务可达10m定位精度、0.2m/s测速精度、10ns授时精度。与GPS相比，北斗具备短报文通信服务这一特有功能[17]。

3 惯性/卫星组合导航系统

GNSS的测量精度不随时间变化，但是GNSS接收信号过程易受干扰。INS不需要接收外界信号，但是導航精度随时间逐渐变差。INS/GNSS组合导航系统集两者优点于一身，规避两者缺陷，与单模式相比，在精度、可靠性等方面有显著优势。

3.1 INS/GNSS组合模式

GNSS和INS具有不同层次的组合。根据两者耦合水平，一般把两者的组合分为3种：松组合（loosely coupled），紧组合（tightly coupled），深组合或超紧组合（ultra tightly coupled）。

3.1.1 松组合

松组合提出较早，该模式下，系统同时具备独立的GNSS和INS，各自解算载体方位和运动情况信息，所得结果导入滤波器进行进一步解算，估算INS的误差情况，从而提高导航精度[17]。

该组合方式系统便于工程实现。缺点在于滤波器算法要求误差为稳定不变的白噪声[10]，而INS的误差与时间相关，因此滤波器输出的结果存在一定误差;而且GNSS易受干扰的问题依然存在。

3.1.2 紧组合

该组合方式的改进在于不要求完整的GNSS结果，根据GNSS提供的部分数据即可计算INS的误差，因此在GNSS收到一定干扰，探测到的卫星数量少于4时，所得的信息经解算后依然可以作为滤波器的依据进行计算[10]，估计出INS误差值并进行校正。该方法的缺陷在于算法的计算量较大。

3.1.3 超紧组合（深组合）

在上述组合模式中，GNSS在恶劣环境中可能出现不能给出任何信息的情况。鉴于此，研究人员提出超紧组合，将组合的思想应用到接收机内部。在紧组合的基础上，滤波器以INS数据辅助GNSS跟踪卫星信号，提高了GNSS信号接收机在苛刻条件下的信号接收能力[18]。该方法提高了导航系统在苛刻条件下的精度，有效提高了抗干扰能力，得到广泛的关注，其缺点该模式将改变现有的INS和GNSS的元器件，而且数学模型复杂，较难实现。

3.2 国内外研究进展

3.2.1 国外研究进展

松组合提出于1988年，并得到较为充分的研究[17]。紧组合提出于1996年[18]。采用紧组合，美国的JDAM使用GPS/INS紧组合系统，命中范围在13米之内;俄罗斯的KAB-500系列采用GLONASS/GPS/INS紧组合系统，命中范围在10米以内[19]。

在超紧组合方面，Draper等人在2000年验证了超紧组合系统可以增强GNSS在恶劣环境下接收信号的能力。Gautier等人研究了超紧组合在信号较弱的情况下的抗干扰能力，验证了超紧组合的优越性能。同时，美国的L3IEC、Honeywell等公司也都建立了各自基于GPS/INS的超紧组合系统和相关测试设施。

3.2.2 国内研究进展

国内对INS/GNSS组合导航进行研究开始较晚，且仅限于研究机构，研究成果基本停留在松、紧两种组合方法上[20-21]，对于超紧组合尚处于理论研究阶段，距离工程应用还存在巨大差距。目前，唐康华[22]等人对以微惯性测量单元所得信息为辅助，增强GPS信号接受能力的算法进行了研究，在此基础上研究了超紧组合导航算法;黄新生[23]等人通过仿真验证了以微惯性测量单位提高GPC信号接收能力的可行性。王新龙[24]等人提出了一种基于载波相位差分的GPS/SINS超紧组合导航系统，通过SINS对GPS跟踪环路的辅助，提高GPC信号跟踪精度。

4 结论

综上所述，INS/GNSS组合系统是在导弹武器系统中普遍应用的一项关键技术，目前我国与国外在理论和应用水平上存在显著差距，而且现有工作主要在将GPS与INS进行组合上。随着卫星导航的技术更为成熟和我国BDS完成组网运行，针对INS和BDS进行组合的研究必然成为今后的研究重点，该方面的研究具有深刻的现实意义和战略价值，对我国的国防事业发展进步有重大影响。

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