GNSS/INS組合導航接收機技術

劉國亮，吳視野

(1.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042;2.中國電子科技集團公司第29研究所，成都 610036)

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GNSS/INS組合導航接收機技術

劉國亮1，吳視野2

(1.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042;2.中國電子科技集團公司第29研究所，成都 610036)

全球導航衛星系統(GNSS)的一個非常重要的應用是與慣性導航系統(INS)進行組合導航。介紹了GNSS/INS組合導航接收機的工作原理，對接收機的關鍵技術進行了重點分析，并對其應用前景進行了展望。

全球導航衛星系統；慣性導航系統；組合導航；松組合；緊組合；深組合

0 引 言

全球導航衛星系統(GNSS)是一種天基無線電導航系統，它能夠在全球范圍內為多個用戶提供全天候、實時、連續的高精度三維位置、速度及時間信息。GNSS具有較高精度、較低成本和長期穩定的優點，但多類導航衛星系統組合仍然不能完全避免衛星信號受遮擋而不能實施導航的風險。當載體通過遂道或城市樓群間時，這種信號盲區一般不能通過多類衛星組合加以克服。

慣性導航系統(INS)由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導航參數(位置、速度、姿態)等優點，是目前最主要的導航系統之一。但導航定位誤差隨時間積累是INS的一個致命缺點。

全球導航衛星系統與慣性導航系統相組合的導航系統，既能克服慣性導航隨時間漂移的弊病，又能提高抗干擾能力，得到采用單一系統難以實現的明顯的技術優勢[1]：

(1) 發現并校正慣導系統的累計誤差，提高導航精度；

(2) 在衛星導航信號無法覆蓋的區域具有導航能力；

(3) 提高衛星導航載波相位的搜索速度，提高對信號周跳的檢測能力，提升組合導航可靠性；

(4) 提高導航接收機對衛星信號的捕獲能力，增強導航效率；

(5) 提高異常誤差的監測能力，增強系統的容錯功能；

(6) 提高導航系統的抗干擾能力，增強穩定性。

本文首先對GNSS/INS組合的3種模式進行介紹，然后對關鍵技術進行分析，最后對GNSS/INS組合導航接收機的應用前景進行了展望。

1 GNSS/INS組合導航原理

按照組合深度的不同，GNSS/INS組合可以分為以下3類：松組合、緊組合、深組合。

1.1 松組合導航接收機原理

松組合又稱級聯Kalman濾波方式。在松組合方式中，觀測量為INS和GNSS輸出的速度和位置信息的差值，系統方程為INS線性化的誤差方程。通過擴展Kalman濾波(EKF)對INS的速度、位置、姿態以及傳感器誤差進行最優估計，并根據估計結果對INS進行輸出或者反饋校正。

GNSS/INS松組合方式的原理如圖1所示[2]。

圖1 GNSS/INS松組合原理框圖

松組合方式將2個系統的定位結果差異反饋給INS子系統，以實時地對INS傳感器進行偏差校正。雖然這種反饋回路不是松組合方式所必需的，但在慣性傳感器質量較差時采用這種方式非常有效。由于INS子系統在組合中占據了主導地位，因此這種組合方式又稱為受GNSS輔助的INS系統。

松組合方式的優點是：系統結構簡單，易于實現，能大幅度提高系統的導航精度，并使INS具有動基座對準能力。

松組合方式的缺點是：(1)GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和位置，濾波器是串聯關系，使組合導航觀測的噪聲是與時間相關的有色噪聲，不滿足EKF觀測噪聲為白噪聲的要求，嚴重時可能使濾波器不穩定；(2)幾乎無冗余信息，不利于異常診斷，不利于進行隨機模型改進。

1.2 緊組合導航接收機原理

GNSS與INS在偽距、載波相位和多普勒頻移等測距領域內進行的組合稱為緊組合，它比松組合方式略復雜，但性能通常較好。緊組合方式的原理如圖2所示[3]。

圖2 GNSS/INS緊組合原理框圖

緊組合方式中，INS子系統輸出位置和速度結果，然后它們與GNSS的偽距、多普勒頻移等測量值整合在一起。根據INS子系統的定位、定速結果以及GNSS衛星星歷，緊組合系統可以更加準確地預測出GNSS信號的偽距與多普勒頻移等，而這些測量預測值與GNSS實際測量值一起通過相減形成誤差信號(即殘余)，接著測量殘余再經過Kalman濾波后就得到對INS子系統定位、測速結果的校正量。同時，準確的GNSS測量預測值還可用來有效地檢測GNSS實際測量值的正誤，排除那些比如遭多徑影響的錯誤偽距、由反射波信號引起的異常多普勒頻移以及由失鎖或失周帶來的故障載波相位測量值等。另外，INS子系統的定位輸出通常不與GNSS測量值相關。由于不存在濾波器的級聯，并可對GNSS接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度，而且在可見星的個數少于4顆時也可以使用。另外，緊組合方式中，不同時刻GNSS測量值之間的相關性較低，這是緊組合方式的另一個優點。

1.3 深組合導航接收機原理

深組合方式在緊組合的基礎上，將慣性導航信息反饋給GNSS接收機的信號跟蹤環路，從而幫助接收機更好地跟蹤衛星信號的載波相位(或頻率)和碼相位。深組合方式的原理如圖3所示。

圖3 GNSS/INS深組合原理框圖

其主要思想是：使用濾波技術對INS的誤差進行最優估計，同時使用校正后的INS速度信息對接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，從而減小環路的等效帶寬，增加GNSS接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。與深組合方式相比，松組合方式和緊組合方式中的接收機信號跟蹤環路必須維持一個足夠大的濾波帶寬，以盡可能保證當用戶突然改變運動狀態時依然能夠跟蹤、鎖定各個衛星信號。然而，一個較大的濾波帶寬也就意味著較高的噪聲量。相比之下，GNSS接收機對衛星信號失鎖后，深組合方式能夠更準確地定位和測速，并且能夠幫助接收機更快地重鎖信號。深組合方式將INS和GNSS進行一體化設計，通過共用電源、時鐘等進一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響[4]。

2 GNSS/INS組合導航關鍵技術分析[5-6]

2.1 組合導航系統建模及最優控制技術

GNSS/INS組合導航接收機是一個閉環控制系統。控制理論告訴我們，設計一個閉環控制系統首先需要考慮在參數允許變化范圍內系統的穩定性。也就是說，通過調節合適的參數，能夠使系統保持穩定。從抗干擾的角度，還需考慮系統對擾動的魯棒性。另外，還需兼顧系統的穩態和瞬態性能。從最優控制的角度，需要保證在可容忍的時間內系統是收斂的。對高動態應用場合，還需保證系統對控制命令響應的實時性。在工程設計時，首先需要建立合適的數學模型并進行必要的仿真研究，對系統的各種重要性能進行軟硬件設計前的評估。工程上，常采用MATLAB/Simulink仿真工具來實現。

2.2 組合導航接收機對抗干擾技術

GNSS以其全球性、全天候、準確定位、誤差不隨時間積累等優點在許多領域得到廣泛應用。衛星導航定位可以通過偽碼測量和載波相位測量實現。基于偽碼測量的導航定位雖然應用廣泛，但是精度較低，完善性較差；基于載波相位的定位精度很高，但是抗干擾能力、完善性和動態性能較差。

鑒于INS和GNSS性能的強烈互補，將慣導信息引入到衛星導航系統的載波相位環中建立GNSS/INS組合導航模式，即利用慣性導航系統輸出的位置、速度、加速度信息輔助衛星導航系統的捕獲環路和跟蹤環路，獲得高精度的載波相位測量值，并提高衛星導航系統動態性能、抗干擾能力、完善性與連續性；利用衛星導航系統輸出的載波相位測量值輔助慣性導航系統，抑制慣性導航系統誤差的發散，提高組合導航系統的精度、完善性、連續性、可用性以及抗干擾性能[7]。

GNSS利用校正后的慣性位置和速度信息輔助，進行衛星信號的捕獲，并利用估計的偽距誤差和偽距率誤差分別輔助碼跟蹤環和載波跟蹤環，可以有效地提高環路的等效帶寬，從而提高衛星導航接收機的捕獲、跟蹤和抗干擾性能，減小系統的動態誤差。在高動態和干擾環境中，可保證衛星導航接收機不間斷地修正慣性元件測量誤差和姿態矩陣，因此GNSS/INS組合模式的系統精度較高，可靠性高，抗干擾能力強。

從控制系統的觀點分析GNSS/INS組合導航可以看出：獨立工作的衛星導航信息是以較低頻率運行的臨界穩定的閉環系統，引入高速運行的慣性導航系統反饋信息，使得GNSS/INS組合導航系統成為一個閉環且穩定的控制系統，因此，INS的導航信息與GNSS信息的相互融合保證了組合系統的動態性能，縮短了系統的啟動時間，增強了復雜環境下組合導航系統的抗干擾能力與完善性，提高了組合導航系統的精度與可靠性，從而為載體提供了精確可靠的導航定位信息和精密的授時信息[8]。

2.3 高動態環境下捕獲、跟蹤技術

高動態環境下的載波和碼捕獲是導航定位系統的一項關鍵技術，沒有正確的載波和碼捕獲，導航系統不可能正常工作。導航接收機的捕獲一般都有一個二維并行搜索過程，捕獲的目的是識別所接收衛星的偽隨機噪聲碼(PRN)(包括C碼和P碼)，從而獲得載波多普勒偏移和碼相位的粗略估計值。

GNSS接收機跟蹤的碼環和載波環分別達到跟蹤碼和跟蹤載波的目的。碼環通常是延遲鎖定環(DLL)，載波環根據載波環鑒別器確定了跟蹤環的類型，即鎖相環(PLL)、科斯塔斯鎖相環(CostasPLL)、鎖頻環(FLL)。為了滿足載波跟蹤環路的高動態運動要求，需要增大環路噪聲帶寬，而環路帶寬的增加又使噪聲變大，降低了接收機的抗干擾性能。圖4采用INS速度輔助的GNSS接收機跟蹤環路的方法，即將衛星速度和INS中載體速度求得的多普勒頻率引入到跟蹤環路中，能使環路噪聲帶寬大幅減小，提高接收機的抗干擾性能[9]。

圖4 INS速度輔助GNSS跟蹤環路框圖

(1)

(2)

當INS 速度信息為理想值時，即τ=1,k=0，則有H(s) =1，He(s) =0。這說明理想速度輔助下的GNSS接收機跟蹤環路，能夠跟蹤載體的任何機動運動而不會產生誤差。然而，在實際的跟蹤環路中，VCO 存在著不穩定等因素，即使INS 速度輔助信息不含誤差，仍然會導致跟蹤誤差。不過，在一定信噪比條件下，輔助速度越精確，則跟蹤誤差也越小[10]。

2.4 組合導航接收機信息融合技術

GNSS/INS組合導航是利用慣性敏感器測量信息和衛星信號進行融合來提高組合導航系統精度、可靠性與冗余度的技術。衛星定位以及INS解算過程都存在非線性環節，因此需要選擇一個最優的在線非線性信息融合策略將慣性傳感器和衛星信息進行有效融合。現實世界中，幾乎所有的系統都具有非線性、非高斯的特性。對于這些非線性模型，如果利用線性Kalman濾波方法進行信息融合將會導致濾波器的不穩定，精度及可靠性均不能滿足組合導航系統需要。采用線性化的擴展Kalman(EKF)方法進行信息融合雖然具有較高的計算效率，但是以精度上的損失及對模型的約束為代價，在一定程度上影響了系統的性能，特別是對于非線性較強的跟蹤環路濾波器和組合導航濾波器如采用EKF會造成狀態估計的失真。因此，需要以GNSS/INS組合為對象，開展多種非線性濾波器的應用研究，遵循從繁到簡的原則，選擇、設計和測試慣性信息和衛星信息的最優融合策略[11-12]。

3 GNSS/INS組合導航應用前景分析

美國在海灣戰爭、科索沃戰爭，特別伊拉克戰爭中，使用了各種精確制導武器攻擊敵方地面目標。這些精確制導武器的一個共同點是采用GNSS/INS組合制導作為它們的中程制導，并在戰爭中取得了良好的攻擊效果。

GNSS/INS組合導航能極大地提高導彈、飛船、火箭、飛機、艦船、車輛、單兵等的高精度定位和導航能力，具有重大的戰略意義和廣闊的軍民應用前景。

3.1 精確導航、制導應用

GNSS/INS組合導航接收機為各類用戶實時提供高精度位置信息和時間信息，實現全天候的精確導航和制導，在軍事上可廣泛應用于各類機動武器平臺精確導航和精確制導武器的精確打擊等，可有效提高導彈或炸彈的打擊精度。

3.2 精確定位、測速應用

GNSS/INS組合導航接收機在軍事上可廣泛用于各種有人飛機、無人機、艦艇、裝甲車輛等各種武器平臺和系統的精確定位和測速，可有效提高作戰部隊快速反應能力和機動能力，贏得戰爭先機[13]。

3.3 嵌入、融合應用

GNSS/INS組合導航接收機能嵌入其它系統。如與通信系統結合可報告用戶位置，使看得見的指揮成為可能，與偵察系統結合可用于緊急救援，對飛行員遇險救生和無人飛機、深海潛艇位置等意義很大，與偵察衛星結合可實現戰場監視等[14]。

嵌入、融合將使組合導航接收機的應用領域極大擴展，發揮了衛星導航無所不在的能力，尤其是融合在天基網中，使數字化部隊和數字化戰爭成為可能。

4 結束語

由于其巨大的優越性和潛力，GNSS/INS組合，尤其是深組合導航接收機技術將成為未來組合導航應用的必然發展方向。該技術受到包括中國在內的各國航空航天部門以及軍方的大力支持，正在快速發展之中。

隨著微機電系統(MEMS)技術的日益成熟，以及GNSS接收機逐步實現芯片化，通過深組合技術將MEMS-慣性測量單元(IMU)與GNSS進行組合，研制微型一體化的高性能深組合導航接收機，將在航空航天、國防甚至民用市場得到更加廣泛的應用。

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GNSS/INS Integrated Navigation Receiver Technology

LIU Guo-liang1,WU Shi-ye2

(1.Military Representative Bureau of Naval Equipment in Chongqing Region，Chongqing 400042，China；2.The 29th Research Institute of CSIC，Chengdu 610036，China)

One of the most important applications of global navigation satellite system (GNSS) is the integrated navigation with inertial navigation system (INS).This article introduces the operation principle of GNSS/INS integrated navigation receiver,analyzes the key technologies of receiver,and prospects the future of application.

global navigation satellite system;inertial navigation system;integrated navigation;loose integration;tight integration;deep integration

2015-11-02

TN965.5

A

CN32-1413(2016)03-0074-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.019