河南城建学院本科毕业设计（论文）
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第二章 GPS/INS组合导航系统基本原理
与速度的计算相同，经纬度也不是t的函数，可以由累加得到：
L(i?1)?0.01Vy(i)/Ry(i)?L(i)J(i?1)?0.01Vx(i)/(Rx(i)*cos(L(i)))?J(i)
2.3 组合导航系统基本原理
在辅助的惯性导航系统中，一个或多个惯性导航系统的输出信号与独立测量的由外部源导出的相同的量进行比较。然后根据这些测量值的差异导出对惯性导航系统的修正。适当组合这些信息，就有可能获得比独立使用惯性系统更高的导航精度。
这种类型的组合系统通常借助于两个独立的、具有互补特性的信息源。例如，无线电信标可按离散的时间间隔提供精确的位置坐标，因此限制了惯性导航系统的长期漂移。同时，惯性系统在坐标之间可提供连续的低噪声导航数据，它们在短时间内是精确的，并且不受外部干扰的影响。
概括地说，各种可用的辅助导航装置可以按下列项目分类：
机外测量。它通过接收信号或通过观察需要导航的运载体外的目标获得测量值。例如，这种观察可以利用无线电导航设各、卫星、星体跟踪器或陆基雷达跟踪器来提供。在某些情况下，数据可以在运载体行进期间传送给它，而在其它情况下，应由一个接收机或观测器来接受观察量。这类辅助导航设备通常提供位置坐标，它可以用运载体的经度和纬度表示，也可以表示成相对于地理坐标系的坐标。
机上测量。机上测量的值可使用在需要导航的运载体上携带的另外敏感器导出。这类辅助导航设备可以由高度计、多普勒雷达、空速表、磁传感器和雷达或光电成像系统提供。这些传感器可以用来提供姿态角、速度或当前位置，其中任何一种都可以用来提高惯性导航系统的质量。
2.4 GPS/INS组合导航的优势
惯性导航系统(INS)自20世纪中叶首次成功应用以来，己经过半个多世纪的研
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究、改进和发展，技术日臻成熟。它的最大优点是不依赖于任何外界信息，能够进行完全自主的导航。惯性导航系统能够连续长时间的工作，可以提供多种导航信息如位置、速度、航程、航向，还可以提供水平基准及方位基准，精度较高。但是，惯性导航系统的精度主要取决于惯性器件(陀螺仪和加速度计)的精度，其定位误差随时间积累，精度逐渐降低，这对于需要长时间工作的载体来说是极为不利的。而且其初始对准时间长，必须利用其它定位手段作为参考信息源，定期或不定期地对惯性导航系统进行综合校正和对惯性器件的漂移进行补偿。
GPS卫星导航系统具有定位精度高的特点，而且能够进行全球、全天候、全天时、多维连续定位，其精度不随时间变化。然而，GPS是非自主式的系统，不能提供诸如载体姿态等导航参数，运动载体上的接收机不易捕获和跟踪卫星信号，动态环境中由于信噪比的下降及其它原因，易产生周跳。而且由于GPS信号在传播途中的干扰，使得系统定位精度有所下降，定位结果离散较大。同时数据输出的频率低是GPS动态应用的另一个主要问题。
综上所述，GPS系统和惯性导航系统各有所长，具有互补的特点，两者的组合不仅具有两个独立系统各自的主要优点，而且随着组合水平的提高，它们之间互相传递、使用信息的加强，组合系统的总体性能要远优于任一独立系统。组合导航把无线电导航长期精度高与惯性导航短期精度高和不受干扰的优点结合起来，因而GPS与INS的组合被认为是目前导航领域最理想的组合方式。其优点主要表现在:
(1) GPS/INS组合提高了系统的精度
高精度GPS信息作为外部量测输入，在运动过程中频繁修正INS，以控制其误差随时间的积累;而短时间内INS定位结果可以很好的解决GPS动态环境中由于信号失锁和周跳导致的精度下降问题。因而，GPS/INS组合导航误差实际上要比单独的GPS或INS可能达到的误差都小。 (2) GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力
由于INS可以独立进行导航，因而当GPS信号受到干扰时，INS不仅能提供导航信息，而且其导航解可作为辅助信息，对GPS码和载波的直接再捕获起辅助作用，大大缩短了GPS恢复工作的时间，提高了GPS接收机的跟踪能力。而GPS信息对INS的辅助可使INS在运动中不断进行初始对准。 (3)惯性导航系统提高GPS接收机的跟踪能力
GPS只有当载波或码跟踪回路锁定并跟踪卫星信号时，方可得到所需要的GPS数据。当跟踪误差太大时，相关检波会呈现非线性、增益降低，可能导致信号失锁。降低回路带宽虽然可以减弱噪声引起的跟踪误差，但同时却降低了系统对载体动态行为的响应能力。惯性导航系统高频输出的导航信息，可以很好的反映载
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体的动态行为，利用此信息辅助GPS跟踪回路，就可以使由载体动态行为所引起的跟踪误差显著减小。
(4) GPS/INS组合解决了GPS动态应用采样频率低的问题
由于GPS的数据采样率低，不能达到某些动态应用中的要求，这时高频INS数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置，如航空相机曝光瞬间的位置，从而保证了组合系统对整个航线的各个摄影位置的高精度定位。 (5) GPS/INS组合将降低对惯导系统的要求
长期以来，INS的高价格一直是限制其广泛应用的主要原因。而组合系统主要利用INS的速度信号解决动态跟踪问题，高精度定位则由GPS来实现，因此可以采用较低性能的INS，从而降低了组合系统的成本。
2.5 GPS/INS组合导航的组合模式
2.5.1 组合模式概述
GNSS接收机和惯性导航系统的组合，根据不同的应用要求，可以有不同层次和水平的组合，即组合的程度和深度不同。组合的程度和深度部分的取决于是研制和生成一个新的组合导航系统，还是在现有的导航系统上增加GNSS辅助。按照两者在组合导航使用中耦合程度和深度的不同，可以把组合模式大体分为4种：非耦合组合或称简易组合组合（Easily Integration）、松散耦合（Loose Coupling）组合、紧耦合（Tight Coupling）或紧密组合、超紧耦合或深组合。
2.5.2 非耦合组合
非耦合组合式一种简单的组合方式。在非耦合组合系统中，通常使用GNSS的定位结果每隔一定的时间对INS指示的位置进行重新设置或将两者的导航输出转换到相同的坐标系后加权平均。因此，非耦合组合通常有两种工作方式： （1）用GNSS接收机输出的位置、速度信息直接重置惯导，如图-1所示。实际上，就是在GNSS工作期间，导航系统显示的是GNSS的位置和速度；当GNSS停止工作时，以GNSS停止工作瞬时的位置和速度作为惯导系统的初始值，导航系统输出重置后惯导的导航数据。
惯性敏感器
14 INS导航参数
INS导航计算 河南城建学院本科毕业设计（论文） 第二章 GPS/INS组合导航系统基本原理
图-1 GNSS重置惯导
（2）把惯导和GNSS输出的位置和速度信息进行加权平均，其原理款图如图所示。 GNSS接收机 GNSS导航参数
图-2 GNSS和惯导加权平均
惯导系统 INS导航参数
组合导航输出
综合（加权平均） 在短时间工作的情况下，第二种工作方式精度高，而长时间工作时，由于惯导误差随时间增长，惯导输出的权重随工作时间增长而减小，因而长时间工作时，性能和第一种工作方式基本相同。
2.5.3 松散耦合组合
松耦合组合式将INS和GNSS接收机各自输出的位置估值和速度估值进行比较，得到的差值作为滤波器（如卡尔曼滤波器）的测量输入值，对惯导系统提供测量更新。使用位置、速度信息的松耦合组合导航原理如图所示。在这种系统组合中，GNSS接收机和惯导输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经组合导航滤波器，生成惯导系统的误差估值，这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进行修正，以提高惯性导航的精度；GNSS仅用INS信息辅助卫星信号的捕获和加快选星过程。 15 INS 组合导航输出 惯性敏感器 INS导航计算 + 组合导航滤波器（卡尔曼滤波器） - 输出校正
捕获辅助 射频 相关与 GNSS卡 INS河南城建学院本科毕业设计（论文） 第二章 GPS/INS组合导航系统基本原理
图-3 松耦合组合原理框图
松耦合组合模式的两个主要优点是：实现简单和有冗余度。在松耦合结构中，两个系统仍独立工作，通常还提供一个可独立应用的GNSS导航方案。冗余导航方案可用于监控组合方案的组合方案的完整性，并在需要时协助滤波故障的恢复。任何INS和GNSS接收机都可以采用这种松耦合组合方法，因此该方法非常适用于系统改装的情况。
2.5.4 紧耦合组合
紧耦合组合是将GNSS接收机的伪距测量值和伪距率测量值，与利用INS导航输出计算出的响应伪距、伪距率估计值进行比较，得到的差值形成（卡尔曼）滤波器的测量输入值，经组合导航滤波器，生成惯导系统的误差估值，这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进行修正，以提高惯性导航的精度。由于这种组合使用GNSS测量的伪距和伪距率以及与INS导航结果相应的伪距和伪距率估值作为组合滤波器的测量值，因此，这种紧耦合组合也称为伪距、伪距率组合。在紧耦合系统中，GNSS可利用INS信息辅助卫星信号的捕获和加快选型的过程，也可利用修正的INS数据和原始的INS数据辅助GNSS的跟踪回路。在这种情况下，组合作用体现在GNSS接收机和惯导系统的相互辅助。通常，将这种利用INS速率信息辅助GNSS跟踪回路的紧耦合系统，也称为深组合系统。
紧耦合组合导航的原理框图如图所示。在图中，用GNSS接收机提供的星历数据、INS计算的位置和速度以及估计的接收机始终误差计算相应于惯导位置和速度的伪距和伪距率。将其与GNSS测量的伪距和伪距率相比较作为滤波器的量测值，通过组合导航滤波器估计惯性敏感器和惯导系统的误差以及接收机的误差，然后对两个子系统进行开环校正或反馈校正。由于GNSS的测距误差容易建模，因而可以把它扩充为状态，通过组合滤波加以估计，然后对GNSS接收机进行校正。因此，伪距、位居率组合模式比位置速度组合模式更具有更高的组合导航精度，
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