BDS/INS組合導航技術研究進展

李　紅，蔡成林

（1.桂林電子科技大學計算機科學與工程學院，桂林541004；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，桂林541004）

BDS/INS組合導航技術研究進展

李紅1，蔡成林2

（1.桂林電子科技大學計算機科學與工程學院，桂林541004；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，桂林541004）

隨著北斗衛星導航系統（BDS）建設逐漸完善，BDS與慣性（INS）組合導航研究已成為導航技術最具應用前景的研究熱點。對BDS/INS組合導航關鍵技術的發展及應用現狀進行論述。重點分析組合導航方式的實現原理及優缺點，歸納總結BDS/INS組合導航技術及研究現狀，并介紹其應用研究進展，總結BDS/INS組合導航技術研究趨勢，對進一步深入研究BDS/INS組合導航技術具有借鑒意義。

北斗二代；慣性導航；組合導航；濾波算法

0　引言

北斗二代衛星導航系統（BDS）是目前我國自主研制并計劃在2020年完成整體系統構建的全球衛星導航系統。北斗二號致力于為所有用戶提供持續可靠的授時、導航定位及短信報文服務[1]。但是在實際應用中還存在易受干擾、數據輸出頻率低及動態環境下精度低可靠性差等不足。尤其在高動態環境下導航系統的輸出滯后、信號不易捕獲等情況下會進一步降低北斗導航系統的定位精度，因此單純依賴北斗導航系統進行導航是不夠的。

慣性導航系統(INS)是一種完全自主的導航系統，具有純自主，可提供連續實時的全參數導航信息，具有短時精度高、抗干擾能力強等特點，但同時也存在導航誤差隨時間積累呈發散趨勢的局限性，通常將其與其他導航系統提供的信息源進行組合導航。在組合導航方式中，慣導與衛星組合導航是目前最常見的組合形式，以修正慣導隨時間累積誤差，提高衛星導航抗干擾及重捕獲等性能，從而達到提高導航系統的總體性能[2]。本文主要對BDS/INS組合導航技術研究及發展現狀進行歸納論述。

1　BDS/INS組合方式分析

在BDS/INS組合導航研究中，可將BDS/INS進行多種不同方式的組合，按照不同深度導航組合方法可大致分為松組合、緊組合和深組合三類[3]。BDS/INS不同的組合方式會帶來不同的實現難度及導航性能。

如圖1所示，在松組合方式中將BDS及INS的位置、速度輸出量差值作為組合濾波器的輸入值，通過濾波估計，對INS的導航信息輸出量進行最優估計，并將估計值反饋給INS進行誤差修正。松組合方式不僅結構簡單，工程實現難度低，還能有效提高導航系統的可靠性、連續性及定位精度。

圖1　松組合方式原理圖

如圖2所示，緊組合方式的實現原理與松組合類似，都是將濾波估計值反饋給INS進行誤差修正。不同于松組合的是，緊組合是將INS導航結果推算得到的偽距及偽距率與BDS接收機觀測到的偽距與偽距率的差值作為組合濾波器的輸入值，因此其工程實現要相對復雜一些。其優點是能更有效地修正INS器件誤差及對準誤差，較松組合方式能獲得更高的精度。

圖2　緊組合方式原理圖

松組合和緊組合方式主要是利用BDS輔助INS進行組合導航，兩種導航系統工作在相對獨立的狀態，無法充分利用已有的導航信息[4]。如圖3所示，深組合方式不僅會將估計值反饋給INS進行誤差修正，同時還會利用INS修正后的速度信息對BDS接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤修正[5]。深組合的這種相互修正的實現方式使得BDS接收機可以充分利用INS提供的導航信息，達到無量測輸入誤差。

盡管在結構、濾波算法及工程實現等方面深組合會更加復雜，但其在高動態或強干擾環境下所表現的優異性能及對多路徑效應有較好的抑制和修正作用等顯著優點，使其成為備受研究者關注的組合方式。深組合與松組合及緊組合主要有以下幾方面的區別：（1）松、緊組合導航中由GNSS單向輔助INS，而無法充分利用所有的導航信息，深組合中GNSS與INS相互輔助，通過進一步充分利用導航信息，而得到更高質量的導航性能。（2）松、緊組合導航中采用標量跟蹤方式，跟蹤與導航解算分為兩步進行，而深組合采用矢量跟蹤形式，跟蹤和解算一步到位，在弱信號、低信噪比環境中，這種跟蹤形式性能良好。

圖3　深組合方式原理圖

2　BDS/INS組合導航研究現狀

目前用于提高組合導航系統定位精度及系統性能的方法通常會采用先進的硬件或軟件方法來提高系統定位精度。在常見的衛星/慣性組合導航系統中主要利用慣導系統純自主導航帶來的短期高精度性能來彌補衛星導航接收機在干擾環境下信號捕獲能力下降致使誤差增大或發散的局限性，以提高衛星導航的重新捕獲能力和抗干擾能力，同時慣導利用衛星導航系統的適中精度及可靠性來修正自身因時間累積而造成誤差發散的缺陷，彼此取長補短，以構成滿足實際需求的導航系統。

在確定硬件性能的情況下，濾波理論及融合算法對組合導航系統性能起著決定性作用[6]。傳統卡爾曼濾波在理論上只適用噪聲為高斯分布的線性系統，但組合導航系統本質上是非線性系統且為非高斯噪聲[7]。為解決非線性系統的最優估計問題，A.H.J等人提出了擴展卡爾曼濾波（EKF）方法。粒子濾波算法(PF)算法不受限于高斯分布的假設，使得其善于處理組合導航系統中非線性非高斯情況下的濾波問題。但PF算法隨機采樣，需大量的粒子點來近似非線性函數的概率分布，因增大計算量而濾波實時性不能得到保證。為提高非線性系統濾波實時性和精度，S.J.Juliear和J.K.Uhlman提出了Unscented卡爾曼濾波（UKF）[8]。對非線性系統，UKF不需要再進行線性化處理，因而無高階項的截斷誤差，性能優于EKF，同時UKF計算量明顯小于PF。

EKF和UKF等KF只是對線性卡爾曼濾波方法的變形或改進，一般不適用于系統狀態為非高斯分布的系統模型。但PF不受高斯假設及模型非線性系統的限制，適用于任何非線性非高斯的系統模型，所以相比而言，PF是非高斯非線性系統狀態估計的“最優”濾波算法。郭瑤等人[9]從組合濾波器的角度出發，提出了一種新的載波/碼組合濾波器，為北斗/慣導深耦合組合導航系統在工程實現上提供了一種有效的實現思路。探索適用于組合導航系統新的濾波方法，設計高效的濾波器，將成為組合導航技術進一步發展的趨勢。

3　應用研究現狀

北斗衛星導航系統自對用戶開放使用以來，已被廣泛應用到車載導航、基礎測繪、通信服務、氣象觀測、海洋漁業、勘探等多個領域。隨著北斗衛星系統建設的逐漸完善“北斗”導航在車載位置服務、測繪、應急求助等軍民用市場得到批量應用，如在某高精度測量應用中“北斗”已占據1/3市場份額[10]。

“北斗”在民用導航定位服務上主要應用于兩大產業：一是車載導航應用及周邊服務；二是移動通信、終端導航定位及相關服務，并已在個人位置服務、氣象觀測、交通運輸等領域取得廣泛應用[11]。在軍用方面，衛星組合導航系統將能加快軍隊信息化，與部隊協同作戰，實時傳輸、共享信息態勢，對部隊指揮控制、模擬訓練等將帶來幫助，將極大地提高軍隊信息化作戰能力及現代化革新。憑借BDS/INS組合導航系統的高精度及可靠性將提高我國武器的精準打擊力度，縮短武器反應時間。因此，應大力促進北斗衛星組合導航系統在軍事及民用方面的應用，要在技術上實現多層次融合，在信息產業上實現多領域融合，以需求為驅動，帶動技術革新，以技術創新為基石，促進組合導航技術進一步發展。

4　結語

近年來受高動態、抗干擾、高精度導航性能需求的推動，組合導航技術已成為導航技術最具潛力的發展方向。隨著我國北斗衛星導航技術發展日臻完善，加速研究與BDS相關的組合導航技術對我國導航技術的發展具有重要的戰略意義。隨著巨大的市場需求，組合導航系統將會向著泛在導航，室內外無縫定位技術發展，成為促進現代導航位置信息服務核心推動力，對支撐導航與位置服務新興產業的發展，將會帶來巨大的發展前景和商業價值。

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[6]楊元喜.多傳感器融合導航方法的比較[J].測繪科學與工程，2006，26(2):1~3

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[10]冉承其.北斗衛星導航系統運行與發展[J].衛星應用,2014,(08).

[11]李克昭，韓夢澤，孟福軍。北斗系統的特色、機遇與挑戰[J].導航定位學報，2014，(2).

Research Progress of BDS/INS Integration Navigation Technology

LI Hong1，CAI Cheng-lin2

（1.School of Computer Science and Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004；
2.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

With the development of the Beidou satellite navigation system technology,the study of BDS/INS has been a research focus currently.Discusses the development and application status of BDS/INS integrated navigation technology.Focuses on the pros and cons of principles of the integrated navigation method,further sums up the current BDS/INS integrated navigation technology and the current status,as well as it's application and research progress.Then summarizes the trends of the research of BDS/INS integration technology and providing valuable reference for further study of BDS/INS integration navigation technology.

BD-2;Inertial Navigation System;Integrated Navigation System;Filter Method

1007-1423（2015）11-0065-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.013

李紅（1987-），男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為北斗與慣性組合導航技術

2015-03-12

2015-03-30