彭歡+段國棟+劉碧瑜+李文龍

【摘要】 MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的研究雖然在上世紀(jì)末被提出，但是其研究的可能性直到本世紀(jì)初隨著軟件接收機(jī)的研究取得巨大進(jìn)步后才開始逐漸被發(fā)掘，近幾年更是有了飛速的發(fā)展，但是目前全球的研究者們對MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的具體模型和算法還未統(tǒng)一觀點和思路，研究的水平和程度也各不相同。

【關(guān)鍵字】 超緊耦合 卡爾曼濾波 抗干擾

一、引言

現(xiàn)代軍用武器大多工作在弱信號、高動態(tài)和電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下，要保證武器裝備在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮準(zhǔn)確打擊效能，對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度、動態(tài)性、定位精度和抗干擾性能等方面都提出了更高的要求，對此，國內(nèi)外研究人員有針對性的開展了高靈敏度接收技術(shù)、高動態(tài)接收技術(shù)、高精度接收技術(shù)和抗干擾接收技術(shù)等研究工作。然而目前的導(dǎo)航定位接收機(jī)往往只能夠面向一種應(yīng)用環(huán)境實現(xiàn)其中一種技術(shù)，無法解決其通用性和自適應(yīng)性，所以單純的GNSS接收機(jī)不可能完全滿足現(xiàn)代軍事導(dǎo)航要求。因此，組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為當(dāng)前重要的導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)方案，是武器導(dǎo)航系統(tǒng)研究的一個重要方向。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互補(bǔ)特點，使得它易于與GNSS接收機(jī)進(jìn)行組合。GNSS的長期高精度和MINS的短期高精度特性有機(jī)結(jié)合，可以充分發(fā)揮二者優(yōu)點使組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供連續(xù)、高帶寬、長時和短時精度均較高的完整導(dǎo)航參數(shù)，同時對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、空中對準(zhǔn)以及高度通道的穩(wěn)定等，從而有效提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，同時利用MINS提供的輔助信息，改善GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路捕獲和鎖定信號的能力。MINS與GNSS構(gòu)成的超緊耦合系統(tǒng)可大大提高武器裝備在高動態(tài)、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境下的命中精度和攻擊效率，成為了今后MINS/GNSS組合導(dǎo)航的必然發(fā)展方向。

二、國外研究現(xiàn)狀分析

盡管美國具有完善的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，其研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度很高，但其仍一直在努力發(fā)展MINS和GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)。目前，以美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的對地攻擊導(dǎo)彈中制導(dǎo)方式仍然是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)+全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

國外許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了對基于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)的研究工作。2005年美國的NAVSYS公司交付了世界上第一臺超緊耦合MINS/GNSS接收機(jī)。該接收機(jī)具備了在高動態(tài)、弱信號下接收GNSS信號的能力?，F(xiàn)在美國海軍已經(jīng)開始從NAVSYS定購接收機(jī)。2006年Honeywell公司與Rockwell Collins公司聯(lián)合研制了抗沖擊、抗干擾的深組合INS/GNSS飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制管理模塊，該模塊將GNSS接收機(jī)與MIMU進(jìn)行組合，采用深組合導(dǎo)航算法，定位為精度5m（CEP），可抗擊2000g的沖擊，仿真表明可承受58dB的干擾。2007-2008年，卡爾加里大學(xué)PLAN小組（Position，Location And Navigation group）的Petovello等人對MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)在微弱環(huán)境下應(yīng)用于載波相位定位進(jìn)行了實際環(huán)境驗證。數(shù)據(jù)采集在無遮擋的多徑環(huán)境，射頻前端增加了0-60dB的衰減器，采用戰(zhàn)術(shù)級的IMU和外部OCXO晶振，經(jīng)實驗分析得到，在保證厘米級的定位精度下，超緊耦合的接收機(jī)比普通接收機(jī)靈敏度提高了7dB。2010年，卡爾加里大學(xué)Sun Debo的博士論文中提出了降維的IMU（Reduced IMU，RIMU）和GNSS超緊耦合系統(tǒng)用于陸地車輛導(dǎo)航。

Sun Debo的實驗結(jié)果表明，基于標(biāo)量跟蹤的超緊耦合在采用自適應(yīng)帶寬后的算法使3D RMS速度誤差降到19%，俯仰角和橫滾角誤差稍微降低，方位角均方根誤差降低17%。在強(qiáng)GNSS信號環(huán)境下，基于標(biāo)量跟蹤的超緊耦合系統(tǒng)和基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)二者性能類似，而在弱信號環(huán)境下則矢量跟蹤性能高于標(biāo)量跟蹤性能，但是測量精度有所下降。

MINS/GNSS超緊耦合導(dǎo)航系統(tǒng)中主要采用卡爾曼濾波方法來實現(xiàn)系統(tǒng)信息融合及導(dǎo)航定位。在大部分組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，考慮到各種內(nèi)外因素，其狀態(tài)方程及量測方程都是非線性的，在高動態(tài)下系統(tǒng)的非線性特性會更強(qiáng)。針對系統(tǒng)非線性問題，組合濾波器主要通過采用EKF、UKF和方根積分卡爾曼方法等處理非線性系統(tǒng)的算法來解決。

2006年，美國海上戰(zhàn)爭中心Ernest J. Ohlmey等人研究了MINS/GNSS超緊耦合算法在干擾環(huán)境的應(yīng)用。接收機(jī)相關(guān)處理后的I、Q支路信號直接送入EKF跟蹤濾波器，最后經(jīng)組合濾波器用于定位解算。與緊耦合相比，該結(jié)構(gòu)采用了濾波器算法比傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路在跟蹤上更具有魯棒性，并且具有更高的抗干擾性能和高動態(tài)特性。最后通過仿真精密武器的運動軌跡進(jìn)行驗證，信號跟蹤能力很強(qiáng)，J/S接近75dB。

2008年，新南威爾大學(xué)Chris Rizos，Wang J等人研究了在MINS與GNSS超緊耦合中使用UKF濾波，它是采用一系列 sigma點來捕獲先驗隨機(jī)變量的一階和二階瞬時值，直接利用系統(tǒng)的非線性功能將sigma點映射到狀態(tài)空間和量測空間，而不是通過線性化求解雅克比矩陣。在此基礎(chǔ)上，2009年，新南威爾大學(xué)的Ravindra Babu等人研究了綜合卡爾曼濾波器的平滑功能對超緊耦合系統(tǒng)性能的關(guān)鍵作用，其中卡爾曼濾波性能由建模方法的精度來決定并驗證載體在不同動態(tài)軌跡時的效果。

2010年，法國格勒諾布爾綜合理工大學(xué)GIPSA實驗室Carles Fernandez-Prades等人提出用三邊測量法計算接收機(jī)的位置，以獲得IMU測量值和同步參數(shù)的直接關(guān)系，然后把它代入狀態(tài)方程里，來計算IMU的最終偏移誤差。研究中采用自由高斯非線性濾波方法去解決這個估值問題，例如使用方根積分卡爾曼濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的跟蹤環(huán)。

美國雷神公司（Raytheon Company）的超緊耦合算法，在采用導(dǎo)航電文剝離和導(dǎo)航電文不剝離兩種方法對GNSS P（Y）碼進(jìn)行跟蹤。由于采用導(dǎo)航電文剝離技術(shù)能有效地預(yù)測導(dǎo)航數(shù)據(jù)位并且相干積分時間能超過20ms，實驗結(jié)果表明，采用導(dǎo)航電文剝離技術(shù)的載波和碼跟蹤抗干擾性能比傳統(tǒng)跟蹤大約有15dB的改進(jìn)，導(dǎo)航電文不剝離技術(shù)有6dB的改進(jìn)。當(dāng)采用低精度的激光陀螺時，載波頻率和載波相位跟蹤有效的情況下，超緊耦合系統(tǒng)的J/S可以達(dá)到70-75dB。在相同情況下，相比于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合，其抗干擾性能有6-8dB的改進(jìn)。美國海軍水面作戰(zhàn)中心（Naval Surface Warfare Center） ，加拿大遙感中心（Canada Center for Remote Sensing）以及英國奎奈蒂克（QinetiQ）等研究機(jī)構(gòu)的算法也得到類似的結(jié)論。

美國德雷珀（Draper）公司的算法與雷神基本相似，兩者的主要區(qū)別是導(dǎo)航濾波器的結(jié)構(gòu)，狀態(tài)量和協(xié)方差傳播步驟是按照EKF流程進(jìn)行的，但是導(dǎo)航濾波器的GNSS觀測更新是與EKF的更新不同。同時德雷珀采用擴(kuò)展多個碼相關(guān)（extended bank of range code correlators）相關(guān)，其實驗表明，在保持碼跟蹤的寬帶干擾下，基于矢量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)比基于標(biāo)量跟蹤的MINS/GNSS超緊耦合系統(tǒng)的抗干擾性能可以提高15-20dB。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

目前，MINS/GNSS超緊耦合高性能導(dǎo)航技術(shù)在我國仍處于仿真試驗階段，主要的研究力量集中在高校和科研院所。國內(nèi)針對慣性和GNSS深層次耦合的研究較早出現(xiàn)的文獻(xiàn)是在1995年西北工業(yè)大學(xué)的安東等人對超緊耦合進(jìn)行了性能仿真研究，并對GNSS碼跟蹤誤差檢測器進(jìn)行了設(shè)計。此后十多年的時間，由于GNSS接收機(jī)研制能力的限制，MINS與GNSS的組合幾乎全部都是以松耦合和緊耦合的組合方式出現(xiàn)，慣性器件對GNSS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的問題偶有提及，但不受重視。直至近幾年，由于國外研究機(jī)構(gòu)對MINS輔助GNSS跟蹤環(huán)的研究升溫，國內(nèi)才開始逐漸研究。2000年李方鎖、孫道省等人研究了具有開環(huán)和閉環(huán)反饋修正的耦合方案，卡爾曼濾波器的觀測量是MINS和GNSS的偽距和偽距率之差，濾波結(jié)果可直接對MINS和GNSS系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)校正。西北工業(yè)大學(xué)的栗瑞江等人則采用卡爾曼濾波器完成了對MINS誤差和GNSS接收機(jī)鐘差的最優(yōu)估計。

對國內(nèi)關(guān)于MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)近幾年的研究現(xiàn)狀總結(jié)如下：

2008年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計了低成本MIMU/GNSS超緊耦合系統(tǒng)，文章提出了一種基于最大似然估計的自適應(yīng)濾波算法。通過靜態(tài)試驗驗證系統(tǒng)的位置精度優(yōu)于5m，速度精度優(yōu)于0.1m/s，俯仰角和滾動角精度優(yōu)于0.2°，航向角精度優(yōu)于0.2°，多普勒頻率估計精度在0.2Hz以內(nèi)；在動態(tài)車載條件下，水平位置誤差優(yōu)于3米，高度誤差優(yōu)于10米。

2009年，北京航空航天大學(xué)研究了戰(zhàn)術(shù)級MINS/GNSS的超緊耦合系統(tǒng)，其中組合導(dǎo)航濾波器采用UKF濾波算法，結(jié)果表明超緊耦合系統(tǒng)的多普勒頻率誤差在3Hz范圍內(nèi)。同年，北京航空航天大學(xué)提出了一種基于矢量的跟蹤方法實現(xiàn)MINS/GNSS的深組合導(dǎo)航方案，在載噪比較低的環(huán)境中能夠維持較好的偽碼相位和載波頻率跟蹤性能。

2013年，南京航空航天大學(xué)在對不同GNSS/INS超緊耦合模型特點分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了超緊耦合中慣性與衛(wèi)星環(huán)路信息耦合模型，提出了環(huán)路復(fù)制信號參量的外部控制方法。實驗結(jié)果表明超緊耦合系統(tǒng)環(huán)路信號參量偏差與慣性狀態(tài)誤差間有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系與深層次的耦合機(jī)理。

四、結(jié)論

國外在MINS/GNSS技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)發(fā)展到了實用階段，并且己經(jīng)部分應(yīng)用于武器裝備和眾多的民用應(yīng)用領(lǐng)域；而當(dāng)前國內(nèi)對MINS/GNSS超緊耦合技術(shù)的研究仍處于理論仿真探索階段，還沒有成熟的MINS與GNSS超緊耦合的產(chǎn)品，并且大都是針對某一性能的算法設(shè)計為主，結(jié)果也都是以仿真形式給出。許多研究機(jī)構(gòu)的研究重點只側(cè)重于超緊耦合研究的基礎(chǔ)性技術(shù)，包括GNSS軟件接收機(jī)技術(shù)、基于矢量跟蹤算法以及MINS輔助GNSS理論性能分析等。

參 考 文 獻(xiàn)

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