董沖

摘要：組合定位技術(shù)是一種新的導(dǎo)航技術(shù)，能夠使多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的互補(bǔ)性和協(xié)同性。其中，GPS和慣導(dǎo)結(jié)合是一種較為理想的組合定位系統(tǒng)，而深度融合模式是目前GPS和慣導(dǎo)（INS）聯(lián)合使用的最佳方式，因此，對深度融合模式的研究顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：GPS；INS；組合定位

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.010

中圖分類號：TN 925，TN 96? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Research on the Combined Positioning Technology of GPS and INS

DONG Chong

（Urban Construction Survey and Mapping Institute， Linyi City， Shandong Province， Linyi 276000， China）

Abstract： Integrated positioning system is a new navigation technology that enables multiple navigation systems to achieve information complementarity and collaboration. Among them， the combination of GPS and inertial navigation is a relatively ideal combination positioning system. The deep fusion mode is currently the best combination of GPS and inertial navigation （INS）， therefore， the study of deep fusion mode is particularly important.

Key words： GPS; INS; combination positioning

1? ?有關(guān)概念

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

1.1.1 空間組成

衛(wèi)星在GPS空間域的組成中起著至關(guān)重要的作用。不同的衛(wèi)星，其分工也不一樣，如負(fù)責(zé)收集和傳送資料的衛(wèi)星，分為主星和輔星。在實(shí)際工作中，由于收集任務(wù)的不同，衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行的軌道也是不同的。目前，全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星通過信息傳輸和圖像采集等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)無死角的全覆蓋^[1]。

1.1.2 地面控制組成

主要是通過編碼設(shè)置來實(shí)現(xiàn)對各種工作的要求。其中，天線的正常工作是依靠電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。通過對衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，可以精確地對地，實(shí)現(xiàn)對地的精確定位。

1.1.3 用戶設(shè)備

用戶設(shè)備的組成比較簡單，可以根據(jù)接收到的信息，對系統(tǒng)進(jìn)行分析和精確地計(jì)算，其中包括了信號接收IC線、顯像設(shè)備、功能設(shè)備等。

1.2 GPS定位原理

GPS衛(wèi)星在正常工作時(shí)，可以收集到地表的各種數(shù)據(jù)，利用微機(jī)對其進(jìn)行運(yùn)算，然后將多顆衛(wèi)星的測距結(jié)果綜合匯總，把精確的數(shù)據(jù)傳送至地表。在接收基站接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，將其加入3D立體坐標(biāo)中，根據(jù)雷達(dá)和衛(wèi)星的時(shí)間差，需使用計(jì)算器進(jìn)行一系列的計(jì)算，最后獲得精確的坐標(biāo)。在運(yùn)行中需要對收到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，然后將這些信息發(fā)送到人造衛(wèi)星，用以校正，偏差控制在5米內(nèi)。同時(shí)，地理?xiàng)l件也會(huì)影響精度，造成定位誤差較大。為有效解決這些問題，需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)將相關(guān)的算法融合到測量中，以提高測量的精度^[2]。

1.3 INS/GPS組合模式及其特性

（1）松組合方式：將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、速度信息相結(jié)合，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)所得到的坐標(biāo)與速率差，即為觀測值。以INS為主要內(nèi)容，當(dāng)GPS可工作的時(shí)候，GPS的導(dǎo)航解可以被用作觀測量輸入信息的融合濾波器，利用擴(kuò)展Kalman濾波，對INS的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)的結(jié)果對INS進(jìn)行輸出或者反饋修正，從而讓其維持高精度的導(dǎo)航。當(dāng)GPS無法運(yùn)行時(shí)，可獨(dú)立運(yùn)行INS。這種聯(lián)合方案結(jié)構(gòu)簡單，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值，并且具有較強(qiáng)的魯棒性。然而，在高動(dòng)態(tài)、高頻率的移動(dòng)或者GPS接收端長期處于非工作狀態(tài)時(shí)，其定位精度會(huì)隨著使用時(shí)間的延長而大幅降低，且其穩(wěn)定性和抗干擾性都會(huì)大大降低^[3]。

（2）緊組合模式：GPS接收端和慣性傳感器分別輸出偽距、偽距率、加速度及角速度信息。根據(jù)GPS接收器接收到的星歷信息以及慣性系統(tǒng)輸出的位置、速度等信息，計(jì)算出對應(yīng)于INS位置的偽距離、偽距率，其與GPS接收器測得的偽距離、偽距率之差即為觀測值。采用EKF算法對慣性傳感器與GPS接收端的誤差做最佳估計(jì)，并對慣性傳感器進(jìn)行輸出或反饋修正。本項(xiàng)目提出的緊湊型合成方法，無需獲得GPS的獨(dú)立定位解，且能夠直接建立GPS接收機(jī)的距離模型，因而合成精度更高，適用于4顆以下的觀測衛(wèi)星。緊組合具有很好的抗GPS信號擾動(dòng)性能，使組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更加簡單、定位精度更高等特點(diǎn)^[4]。

（3）深組合方式是利用慣性導(dǎo)航信息對GPS接收機(jī)進(jìn)行輔助導(dǎo)航的一種結(jié)合方式。

先利用慣性導(dǎo)航計(jì)算出偽距和偽距率，再利用GPS實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出偽距和偽距率，并進(jìn)行誤差計(jì)算，得出該觀測值。在此基礎(chǔ)上，采用EKF算法優(yōu)化慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，并根據(jù)修正后的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，輔助GPS載波環(huán)、碼環(huán)，消除載波跟蹤環(huán)、碼跟蹤環(huán)中的大多數(shù)動(dòng)態(tài)影響，從而達(dá)到減小慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的目的^[5]。

采用波跟蹤環(huán)與碼跟蹤環(huán)相結(jié)合的方法，降低了回路的當(dāng)量帶寬，提高了GPS接收機(jī)對高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾的跟蹤性能。在此基礎(chǔ)上，利用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了慣性導(dǎo)航與GPS的集成，并利用共享的電源與時(shí)鐘，進(jìn)一步減小了慣性導(dǎo)航與GPS之間的異步誤差。

深組合模式的優(yōu)勢在于：無測量輸入的相關(guān)問題，GPS接收機(jī)將INS所提供的輔助信息進(jìn)行合并。

在不超過4顆可見衛(wèi)星上，也可以用更少的時(shí)間完成任務(wù)。但這種方法存在著如下不足：需進(jìn)行煩雜的星歷運(yùn)算，存在延時(shí)補(bǔ)償?shù)葐栴}，且計(jì)算量大，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。GPS接收端必須輸出原始的測距數(shù)據(jù)，如偽距、偽距率以及星歷^[6]。

2? ?在GPS拒止區(qū)的INS/GPS組合定位技術(shù)概述

2.1 零速校正卡爾曼濾波器對INS的影響

所謂零速校正算法，就是在載具速度為速的時(shí)候，出現(xiàn)的速度誤差作為觀測量，從而得到載具的最優(yōu)速度。卡爾曼濾波器將慣性傳感器的系統(tǒng)誤差作為第一狀態(tài)變量，將慣性傳感器的誤差方程作為第二狀態(tài)變量。在INS完全依賴ZUPT算法的情況下，其航向角度誤差并不明顯，但隨著時(shí)間的推移，定位精度出現(xiàn)不斷變化。為了解決航向角誤差問題，許多研究人員都提出了增加磁力計(jì)的方法^[7]。

此外，還有一種基于兩個(gè)步態(tài)的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在步態(tài)上設(shè)置兩套步態(tài)傳感器，結(jié)合兩套步態(tài)傳感器進(jìn)行定位。將步行作為一個(gè)粒子，通過對兩套步態(tài)傳感器的定位進(jìn)行計(jì)算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以消除對稱誤差。

2.2 基于RBFNN的INS

提出了一種基于RBFNN的INS/GPS組合定位方法，該方法可以在INS/GPS信號正常的情況下，通過RBFNN的輸出來實(shí)現(xiàn)對INS/GPS組合定位的控制。

利用RBFNN對慣性傳感器進(jìn)行輔助的一種常用的導(dǎo)航算法，這一方法在許多文獻(xiàn)中都有應(yīng)用。常規(guī)卡爾曼濾波器測量噪聲相關(guān)矩陣保持恒定，但當(dāng)GPS信號發(fā)生失鎖時(shí)，RBFNN的預(yù)測精度會(huì)隨著失鎖時(shí)間的延長而下降，相應(yīng)的測量噪聲相關(guān)矩陣也會(huì)發(fā)生改變。AKF可以在GPS信號失鎖的情況下，實(shí)時(shí)地估計(jì)測量噪聲的相關(guān)矩陣，提高濾波的準(zhǔn)確度^[8]。

2.3 基于視覺傳感技術(shù)的慣性導(dǎo)航

在將視覺傳感器信息輸入后，首先要對其進(jìn)行前端解算，可以將其劃分為特征法和直接法兩個(gè)步驟。在此基礎(chǔ)上，通過對后端解算得到的目標(biāo)和慣導(dǎo)信息進(jìn)行融合，將數(shù)據(jù)的融合模式劃分為松散與緊散兩種，將算法劃分為濾波與最優(yōu)兩種。

3? ?系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包括2組慣性傳感器、GPS接收機(jī)、子機(jī)和一個(gè)主機(jī)。在單點(diǎn)定位方面，利用偽距和偽距率對INS和GPS的深度進(jìn)行聯(lián)合濾波，并把導(dǎo)航信息輸入到主控系統(tǒng)。在衛(wèi)星信號品質(zhì)不好的情況下，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來保證導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

在此基礎(chǔ)上，利用慣性信息、偽距雙差、載波相位雙差等方法，獲得系統(tǒng)的全局模糊度浮點(diǎn)解，利用LAMBDA方法獲得系統(tǒng)的全局模糊度。在接收到的信號質(zhì)量不高的情況下，利用慣性傳感器來保存?zhèn)鞲衅鞯南鄬ξ恢眯畔?sup>[9]。

3.2 算法的實(shí)現(xiàn)

子處理機(jī)依據(jù)衛(wèi)星信號品質(zhì)的優(yōu)劣，來判斷是否執(zhí)行INS/GPS深度綜合卡爾曼濾波或利用INS來維持其輸出準(zhǔn)確度。本文提出了一種基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的集成濾波算法。

利用慣性導(dǎo)航偽距單差、GPS偽距雙差、載波相位雙差，通過卡爾曼濾波獲取模糊度浮點(diǎn)解，并利用LAMBDA算法獲取模糊度定值和相對位置。LAMBDA算法在衛(wèi)星信號較差的情況下，不能求出整周模糊度的固定解，所以需要利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來維持高精度的定位。

3.3 功能分析

該方法的有以下兩個(gè)功能，一是在導(dǎo)航系統(tǒng)中存在信號被干擾和遮擋時(shí)，不能確定整周模糊度解算，可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)來維持高精度相對位置；二是當(dāng)衛(wèi)星信號質(zhì)量良好時(shí)，引入更多高精度的觀測信息，降低多徑誤差、接收機(jī)噪聲等因素的影響，縮小模糊度的搜索空間，從而提高模糊度浮點(diǎn)解的精度和可靠性，提高搜尋效能^[10]。

4? ?結(jié)束語

GPS與INS的組合定位系統(tǒng)是一種集全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以充分發(fā)揮每種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的性能表現(xiàn)。其中，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）通過衛(wèi)星定位技術(shù)，可以提供高精度的位置信息，但其會(huì)受到信號遮擋、干擾等因素的影響，導(dǎo)致定位精度下降。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）則通過測量加速度和角速度等參數(shù)，計(jì)算出位移和姿態(tài)信息，可以在GPS信號不可用時(shí)仍然提供定位信息，但隨著時(shí)間的推移，會(huì)出現(xiàn)漂移的問題。為了克服GPS和INS各自的缺點(diǎn)，組合定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其中，深度組合模式是組合定位的最佳模式，它采用了多傳感器融合技術(shù)，將GPS和INS的定位信息融合在一起，既可以提高定位精度，又可以增強(qiáng)抗干擾性。在深度組合模式中，GPS提供位置信息，INS提供姿態(tài)信息和速度信息，并通過卡爾曼濾波等算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到更加準(zhǔn)確的定位結(jié)果。INS/GPS組合定位系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在軍事領(lǐng)域，組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為軍事戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、艦船等裝備的重要部分，可以提供高精度的導(dǎo)航和定位支持。在民用領(lǐng)域，組合導(dǎo)航系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于航空、航海、汽車等領(lǐng)域，可以提供更加安全和可靠的導(dǎo)航服務(wù)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，INS/GPS組合定位系統(tǒng)的性能和可靠性也將不斷提高。例如，研究人員正在探索利用其他傳感器，如視覺、激光雷達(dá)等與GPS和INS進(jìn)行組合定位，以進(jìn)一步提高定位精度和抗干擾性?？傊琁NS/GPS組合定位系統(tǒng)將在未來的導(dǎo)航領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。

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