董 斌，馮海艷，劉正興

（洪都航空工業(yè)集團(tuán), 江西 南昌330024）

0 引言

導(dǎo)航技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)，在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。 隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展， 面對未來高速和超高速武器的需求和戰(zhàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境， 導(dǎo)航系統(tǒng)需要能穩(wěn)定的應(yīng)對更高的載體動態(tài)環(huán)境和無處不在電子干擾環(huán)境。 縱觀近來的幾場局部戰(zhàn)爭，現(xiàn)代戰(zhàn)場精確制導(dǎo)武器精確打擊的前提條件是導(dǎo)航系統(tǒng)需能在高速和復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作并提供精確的位置和速度信息，因此，對導(dǎo)航系統(tǒng)在高動態(tài)和日益復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性和可用性提出了更高要求。

1 GPS/INS 組合導(dǎo)航技術(shù)介紹

慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS—Inertial Navigation System）INS 和GPS(GPS—Global Positioning System)[1]有著各自的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)， 同時也具有各自的缺陷和不足。INS 是不依賴于外部電磁信號，也不發(fā)射電磁信號的全自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，隱蔽性好，具有良好的抗干擾性能，完全獨(dú)立自主地提供位置、速度、姿態(tài)等多種較高精度導(dǎo)航參數(shù)，然而，它的系統(tǒng)精度主要取決于慣性測量器件，導(dǎo)航參數(shù)的誤差隨時間不斷積累，無法滿足高精度要求；GPS 是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的全球無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁┤旌?、全時間、連續(xù)的精確的三維位置、速度、時間信息，但是，當(dāng)GPS的載體在高動態(tài)和復(fù)雜電磁環(huán)境下時， 常使GPS 接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星載波信號， 甚至產(chǎn)生失鎖現(xiàn)象。 此外， 由于GPS 接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)率相對比較低，因此，單一GPS 系統(tǒng)不能滿足武器系統(tǒng)對導(dǎo)航信息的要求。為了實(shí)現(xiàn)GPS 和INS 優(yōu)缺點(diǎn)高度互補(bǔ)，人們提出將GPS 和INS 系統(tǒng)進(jìn)行組合， 利用信息融合技術(shù)對組合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 使之能充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，提高整個導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)自提出以來，經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展，按組合導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展先后順序和組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息交換的程度依次為松性組合、緊性組合和超緊組合，其中超緊組合又稱為深性組合（簡稱深組合）[2]。 松性組合，核心思想就是利用GPS 和INS 導(dǎo)航輸出的位置、 速度的誤差進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波，估計(jì)其誤差量，用其對INS 導(dǎo)航輸出的位置和速度進(jìn)行誤差修正，提高導(dǎo)航精度。松性組合在一定程度上提高了組合系統(tǒng)的性能， 但是松性組合數(shù)據(jù)融合采用導(dǎo)航輸出值，其數(shù)值之間存在一定的相關(guān)性，而一般的數(shù)據(jù)融合采用的Kalman 濾波建模均為輸入數(shù)據(jù)不相關(guān)， 因此存在一定模型誤差。 為了克服松性組合的這個弱點(diǎn)，人們進(jìn)一步采用偽距、偽距率等原始采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并估計(jì)出INS 的誤差參數(shù)和導(dǎo)航誤差，對INS 的誤差參數(shù)進(jìn)行修正，并進(jìn)一步修正其導(dǎo)航輸出值，這就是緊性組合，也稱緊組合。 由于緊性組合中偽距、偽距率數(shù)據(jù)原始采樣值，數(shù)值之間互不相關(guān)，因此性能較松性組合有所提高，同時提高了衛(wèi)星的利用率。

松性組合、 緊性組合這兩種組合導(dǎo)航系統(tǒng)均采用GPS 輔助INS 的方式， 提高了INS 導(dǎo)航輸出的精度，而GPS 并沒有獲得任何輔助，因此雖然整個系統(tǒng)的性能有所提高， 但是GPS 接收機(jī)的性能并沒有得到改善。 若GPS 接收機(jī)在高動態(tài)或者低信噪比等惡劣環(huán)境中會出現(xiàn)不能有效跟蹤衛(wèi)星信號的情況，組合導(dǎo)航系統(tǒng)又回到INS 純慣性導(dǎo)航， 因此這兩種組合方式并不能從根本上提高整個系統(tǒng)的可用性和可靠性。 針對上文所述松性組合和緊性組合的共同弱點(diǎn)，人們提出了采用INS 數(shù)據(jù)對GPS 進(jìn)行輔助，這就是深組合。 深組合技術(shù)在原先GPS 接收機(jī)輔助INS的基礎(chǔ)上， 提出利用INS 數(shù)據(jù)對GPS 接收機(jī)進(jìn)行輔助， 即一方面利用GPS 和INS 的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行組合濾波，對INS 的各種誤差量進(jìn)行輔助修正，減小其導(dǎo)航誤差； 另一方面，INS 利用自身測得的載體位置和速度信息對GPS 載波跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助， 從外部剔除接收到的衛(wèi)星信號中由于載體和衛(wèi)星之間相對運(yùn)動所引起的動態(tài)， 使得GPS 接收機(jī)在高動態(tài)環(huán)境下可穩(wěn)定工作， 并可進(jìn)一步壓縮接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路帶寬，抑制噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 鑒于深組合系統(tǒng)具有如此優(yōu)越的性能，GPS/INS 深組合技術(shù)已成為下一代高速精確制導(dǎo)武器的核心技術(shù)之一，并成為國內(nèi)外各大機(jī)構(gòu)和院校研究的新熱點(diǎn)。

2 GPS/INS 深組合技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 GPS/INS 深組合技術(shù)原理

GPS 接收機(jī)按其內(nèi)部工作流程的順序，通常分為射頻前端處理、 基帶數(shù)字信號處理和定位導(dǎo)航運(yùn)算三大功能模塊。 射頻前端處理模塊通過天線接收所有可見GPS 衛(wèi)星的信號， 經(jīng)前置濾波器和放大器的濾波放大后， 再與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦本振信號進(jìn)行混頻下變頻為中頻信號， 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字中頻信號； 中頻信號進(jìn)入基帶數(shù)字信號處理模塊，完成對衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、位同步、幀同步等信號的處理， 并將處理后GPS 數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文送給定位導(dǎo)航運(yùn)算模塊進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)的處理。 深組合技術(shù)與傳統(tǒng)的組合導(dǎo)航方式相比， 增加了慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對GPS 衛(wèi)星接收機(jī)的輔助， 而由于載波環(huán)是GPS 接收機(jī)跟蹤環(huán)路最脆弱的環(huán)節(jié)，一般只要載波環(huán)不失鎖，則碼環(huán)不會失鎖，因此INS 提供的信息只對載波環(huán)進(jìn)行輔助，通過載波環(huán)對碼環(huán)進(jìn)行輔助。 其原理圖見圖1。 在GPS/INS 深組合系統(tǒng)中，接收機(jī)進(jìn)行載波跟蹤的同時， 接收機(jī)還將利用INS 測得的載體動態(tài)信息和由衛(wèi)星星歷計(jì)算出來的衛(wèi)星動態(tài)信息計(jì)算出衛(wèi)星信號中由于兩者相對運(yùn)動所引起的多普勒頻率，并從外部對接收機(jī)載波環(huán)進(jìn)行輔助，如果外部多普勒頻率估算完全準(zhǔn)確， 則接收到的信號中由于載體與衛(wèi)星之間相對運(yùn)動所引起的多普勒頻率動態(tài)將會消除， 此時載波跟蹤環(huán)所需要跟蹤的動態(tài)就只有接收機(jī)本地晶振的頻率動態(tài)和熱噪聲， 這個動態(tài)通常很小，因此接收機(jī)能在高動態(tài)環(huán)境下穩(wěn)定工作。此外， 由于需要接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路跟蹤的動態(tài)很小，還可進(jìn)一步壓縮載波跟蹤環(huán)路帶寬，抑制噪聲，延長預(yù)檢測積分時間，增強(qiáng)信號強(qiáng)度和信噪比，提高接收機(jī)抗干擾性能。 因此深組合技術(shù)能使GPS 接收機(jī)在高動態(tài)和低信噪比同時存在的環(huán)境下穩(wěn)定工作，輸出精確的導(dǎo)航定位信息。

圖1 GPS/INS 深組合技術(shù)原理圖

2.2 GPS/INS 深組合技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)

圖2 為工程上深組合技術(shù)中GPS 跟蹤環(huán)路的具體實(shí)現(xiàn)原理圖， 圖2 中外部多普勒頻率輔助信息是根據(jù)外部INS 提供的載體動態(tài)信息進(jìn)行估算的，當(dāng)開關(guān)K 打到2 時， 外部頻率輔助將會通過前饋的方式注入環(huán)路中對載波跟蹤進(jìn)行輔助， 能剔除信號中的絕大多數(shù)動態(tài)，使接收機(jī)在高動態(tài)下能穩(wěn)定工作。在實(shí)際GPS/INS 深組合系統(tǒng)中， 由于INS 只能提供載體的動態(tài)信息，為計(jì)算外部輔助多普勒頻率，還需要衛(wèi)星的動態(tài)信息， 因此在進(jìn)行外部頻率輔助之前GPS 需能接收衛(wèi)星星歷，即在進(jìn)行外部頻率輔助之前接收機(jī)需能獨(dú)立工作，捕獲并跟蹤GPS 信號，接收導(dǎo)航電文，解調(diào)衛(wèi)星星歷，計(jì)算出衛(wèi)星動態(tài)信息，若此時接收到有效的INS 輔助數(shù)據(jù)， 則在外部計(jì)算出多普勒頻率并將其注入載波跟蹤環(huán)進(jìn)行環(huán)路輔助。 由于輔助前后接收機(jī)載波跟蹤環(huán)所需跟蹤的動態(tài)大不相同，因此所需的環(huán)路帶寬也不一樣。 輔助之前，信號中的動態(tài)完全由載波跟蹤環(huán)路跟蹤， 所需環(huán)路帶寬較寬；輔助之后，由于信號中的動態(tài)被外部輔助有效剔除，此時跟蹤環(huán)路需要跟蹤的動態(tài)將大為減小，環(huán)路帶寬可大為壓縮，一方面可抑制噪聲，提高測量精度， 另一方面還可為弱信號跟蹤技術(shù)中積分時間延長提供條件， 因此深組合系統(tǒng)中由傳統(tǒng)跟蹤模式到輔助環(huán)路跟蹤模式之間存在環(huán)路切換過程。如圖2中所示，在未進(jìn)行輔助時，開關(guān)K 指向1，GPS 接收機(jī)載波跟蹤環(huán)將通過環(huán)路濾波器1 這一通道進(jìn)行環(huán)路濾波，該通道中的濾波器環(huán)路帶寬較寬，能有效應(yīng)對高動態(tài)應(yīng)力， 使接收機(jī)不受輔助也能穩(wěn)定跟蹤GPS信號。 在接收機(jī)接收到衛(wèi)星星歷并計(jì)算出衛(wèi)星動態(tài)信息后， 利用INS 提供的載體位置、 速度等動態(tài)信息，從外部估算出多普勒頻率并將其注入環(huán)路中，此時信號中的動態(tài)將基本被消除， 載波跟蹤環(huán)路所需要跟蹤的動態(tài)大為減小， 此時可以壓縮環(huán)路帶寬，因此可將開關(guān)K 將打到通道2 上。 由于通道2 中的環(huán)路濾波器2 的帶寬比環(huán)路濾波器1 小很多，可以有效抑制噪聲和干擾，提高接收機(jī)的測量精度。

3 深組合技術(shù)理論分析

GPS/INS 深組合技術(shù)核心思想在于利用INS 測得的載體動態(tài)和由衛(wèi)星星歷計(jì)算出的衛(wèi)星動態(tài)，估算出由于載體與衛(wèi)星之間相對運(yùn)動所引起的多普勒頻移，對GPS 載波跟蹤環(huán)路進(jìn)行外部輔助，剔除信號中的多普勒頻率動態(tài)。 由于載波相位的導(dǎo)數(shù)即為多普勒頻率，若外部估算的多普勒頻率完全準(zhǔn)確，則將與其值相同， 由此結(jié)合實(shí)際情況， 經(jīng)過添加相關(guān)誤差， 我們給出了INS 輔助GPS 載波跟蹤環(huán)路的域數(shù)學(xué)模型[3]，如圖3 所示。

圖3 中φr(s)、φo(s)與δφ(s)分別表示鎖相環(huán)的輸入相位、輸出相位與相位誤差，fexl(s)是外部頻率輔助，δfext(s)與wn(s)分別表示外部輔助頻率誤差與熱噪聲誤差，F(xiàn)(s)代表環(huán)路濾波函數(shù)，kp 是鑒相增益，p是整個環(huán)路的增益，k=2πkpknco,kNCO=2πknco是數(shù)控振蕩器NCO 增益，knco=fx/2N，其中N 是NCO 的計(jì)數(shù)器位數(shù)，fs是采樣頻率，α 是INS 輔助數(shù)據(jù)的帶寬，一般較大，e-sτ為輔助時間延遲模型，τ 則是外部輔助信息采樣時刻相對于輔助時刻的時間延遲，其值τ＞0。

為了更清晰的認(rèn)識GPS/INS 深組合技術(shù)的優(yōu)勢，理論分析先不考慮各種誤差，可認(rèn)為：τ=0,δfext(s)=0,wn(s)=0，由此并根據(jù)深組合數(shù)學(xué)模型可以推導(dǎo)出：

圖2 GPS/INS 深組合載波跟蹤環(huán)路輔助原理圖

圖3 GPS/INS 深組合技術(shù)數(shù)學(xué)模型

即：

從式（1）、（2）可以看出，在INS 輔助GPS 載波跟蹤環(huán)深組合系統(tǒng)中，若輔助數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)確，則鎖相環(huán)的輸出信號相位將準(zhǔn)確體現(xiàn)輸入信號相位， 不存在任何相位誤差，實(shí)現(xiàn)信號相位的完美跟蹤。 這種特點(diǎn)能使得鎖相環(huán)在任何動態(tài)環(huán)境下都能保持載波跟蹤環(huán)路相位鎖定， 使GPS 接收機(jī)對衛(wèi)星信號的跟蹤變得更加穩(wěn)定可靠， 大大提高了接收機(jī)的可用性和可靠性，這也是GPS/INS 深組合技術(shù)的核心思想，即無論載體經(jīng)歷多高的動態(tài)， 接收機(jī)都能穩(wěn)定跟蹤上衛(wèi)星信號中的相位變化，使接收機(jī)保持穩(wěn)定工作。

4 深組合技術(shù)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能驗(yàn)證

深組合技術(shù)理論分析時， 沒有考慮各種誤差的影響，但是在實(shí)際的GPS/INS 深組合系統(tǒng)中，必然存在很多誤差，比如外部輔助數(shù)據(jù)時間延遲、輔助信息可能存在誤差等， 這些誤差對GPS 跟蹤環(huán)路相位誤差均有一定的影響。 為了分析實(shí)際工程中深組合對導(dǎo)航系統(tǒng)帶來的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了實(shí)物的性能測量。

4.1 深組合技術(shù)抗干擾性能仿真試驗(yàn)

采用具備深組合功能的抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置在試驗(yàn)室仿真環(huán)境下進(jìn)行測試。 運(yùn)用在接收機(jī)接收衛(wèi)星信號通路上耦合干擾信號的方法分別在靜態(tài)和動態(tài)模式下測試了接收機(jī)的抗干擾性能，通過不斷增加干擾信號功率， 直到接收機(jī)不能接收衛(wèi)星信號，并通過軟件控制對比在有無深組合情況下接收機(jī)能加到的最大干擾功率，得出深組合的抗干擾能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明， 在靜態(tài)和動態(tài)模式下采用深組合技術(shù)能使衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置的抗干擾性能明顯提高。

4.2 深組合技術(shù)組合導(dǎo)航精度測試

深組合技術(shù)對INS 帶來的影響主要涉及到不少于4 顆衛(wèi)星的組合精度和少于4 顆衛(wèi)星的組合精度。 搭建深組合系統(tǒng)仿真平臺， 對設(shè)計(jì)的深組合系統(tǒng)進(jìn)行了組合算法測試， 測試結(jié)果如圖4 所示。 在不少于4 顆衛(wèi)星情況下， 組合精度位置誤差在10 m以內(nèi)，速度誤差在0.1 m/s 以內(nèi)；在3 顆可用衛(wèi)星情況下，位置誤差在50 m 以內(nèi)，速度誤差為0.2 m/s。

圖4 深組合系統(tǒng)組合算法測試結(jié)果

動態(tài)情況下的測試， 是考核深組合性能手段，由于采用大量的飛行測試成本很高而且也不現(xiàn)實(shí)，因此一般采取地面跑車試驗(yàn)。

5 結(jié)語

本文以GPS/INS 重點(diǎn)介紹了深組合技術(shù)的原理和工程實(shí)現(xiàn)， 同時進(jìn)行了理論分析， 并經(jīng)過實(shí)物仿真驗(yàn)證，測試結(jié)果顯示，在靜態(tài)和動態(tài)模式下采用深組合技術(shù)能使衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置的抗干擾性能明顯提高，在不少于4 顆衛(wèi)星的情況下，組合精度位置誤差在10 m以內(nèi)， 速度誤差在0.1 m/s 以內(nèi)； 在3 顆可用衛(wèi)星情況下，位置誤差在50 m 以內(nèi)，速度誤差為0.2 m/s。

[1]張?zhí)旃獾茸g, 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （第二版），北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]Elliott D.Kaplan 著, 寇艷紅譯，GPS 原理與應(yīng)用（第二版），北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]Ronald E. Best. Phase-Locked Loops: Design,Simulation,and Applications,Sixth Edition.The McGraw-Hill Companies,2004.