GNSS/SINS组合导航系统技术的发展和展望

陈书磊

（装甲兵工程学院控制系北京100072）

摘要：现代战争是高科技，高信息化的战争，要求武器装备具有高精度，高稳定性的定位、导航和制导能力，而GNSS/SINS组合导航方式成为导航领域发展的主流。本文首先分析松组合、紧组合、深组合三种方式的原理和并对性能进行了对比，而后介绍了国内外组合导航的发展历程。最后着重阐述了北斗导航系统_SINS组合导航的现状和展望，并对其发展提出了几点建议。

关键词：GNSS/SINS组合导航；发展历程；性能对比；北斗导航；建议

大力发展具备高精度、高可靠性、抗干扰能力强的导航定位技术已成为武器装备发展的必然趋势。[1]

1组合导航系统的组合方式

松组合方式把GNSS和INS各自解算的信息输入到一个主滤波器中，这个主滤波器包含INS误差方程，然后估计出INS导航误差和惯性元件误差，从而提高系统精度，这是一种辅助惯导的方法；紧组合方式是将GNSS初始观测值和INS输出的信息一并送入一个共同的滤波器中，从而估测出惯导误差并引入惯导进行修正。上述两种方法仅仅有GNSS对INS的辅助，缺乏对卫星信号接收机的辅助，在复杂战场环境下，接收机无法及时跟踪卫星信号，导航系统的性能受到极大影响。深组合导航方式的结合程度最紧密，GNSS导航解算用来校正INS惯性元件误差，而INS也辅助GNSS快速捕获并稳定跟踪信号，GNSS/INS二者互相辅助，极大地减小了带宽，抗干扰能力增加，并且鲁棒性增强，跟踪能力和精度也有所提高。这种组合适合复杂多变的战场环境，成为未来的发展重点[2]。

2组合导航国内外发展趋势

2.1国外发展概况

Draper（德拉普尔实验室）的D.Gustafson博士首次完整提出了GNSS/INS深组合导航的概念后，斯坦福大学的J.Gautier博士将Gustafson的理论进一步发展，并且研究得出了用INS多普勒信息辅助卫星信号接收机跟踪环路的深组合导航结构。美国Auburn大学的MatthewLashley和DavidM.Bevly深入研究了深组合导航方式中接收机的矢量跟踪环路。加拿大Calgary大学AndreySoloviev和DeanBruckner等深入研究了GPS/INS深组合系统弱卫星信号的结果，在6颗卫星可视的条件下，卫星信号的追踪可达12dB。澳大利亚的新南威尔士大学的WangJinling和SNAP实验室利用EKF实现了GNSS/INS的超紧耦合，将组合导航滤波器的非线性问题进行了深入研究[3]；在卫星信号很弱的环境中，BabuRavindra进行了深组合导航的相关研究。

2.2国内发展状况

GNSS/INS组合导航在国内起步比较晚，随着我国军事建设的迫切需要，GNSS/INS组合导航逐渐成为导航领域研究的热点。

国防科大的胡小平教授深入研究了在惯导辅助的GNSS接收机对卫星信号的捕获和跟踪等技术，通过惯导信息预测出下一时刻的Doppler频移，增强了接收机跟踪和跟踪能力；唐康华教授研究了通过MIMU辅助的GNSS接收机的时域非相干搜索算法；何晓峰对BDS/INS紧组合和深组合方案做了结构分析，对深组合的关键技术进行了数学分析。南京航空航天大学的刘建业研究提出了基于BD2的多导航星座的惯性深组合算法。目前，国内许多大学纷纷开展GNSS/INS的深组合研究，例如北京航空航天大学王新龙等科研人员对SINS辅助GPS载波跟踪环路进行了研究，通过INS辅助，将载体动态性对导航解算的影响降低。因为国内对GNSS/INS深组合的研究起步较晚，多半研究放在深组合导航系统的捕获和跟踪的环路结构设计，并且实验停留在MATLAB仿真试验阶段，研究内容深组合系统的捕获和跟踪环路结构设计、组合系统中接收机的基带处理等方面，相比较于国外而言，国内的研究普遍缺乏系统性和创造性。[4]

3北斗导航卫星的发展

北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）整体由空间星座，地面控制和用户终端组成。BDS的空间星座部分是由35颗卫星组成，其信号可以遍布全球，相比于GPS，BDS的非地球静止轨道卫星有30颗，其余5颗为地球静止轨道卫星。

地面控制分为主控站、注入站和监测站。主控站主要是接收从监测站传送来的卫星观测数据，并进行数据处理，最终将导航电文和其他的导航需求信息一并发送给注入站，并完成规划任务和管理系统等工作。注入站从主控站收到导航电文和导航需求信息后，将其发送到导航卫星中。监测站的作用时监测其可见地域内的卫星和空间环境信息，把接收的卫星信息初步解算后发送到主控站。[5]用户设备部分主要是由各类卫星信号接收机和其它卫星导航系统组合使用的多模接收机组成，可以满足不同领域的导航、定位需求。

4总结

随着民用和军事对导航系统高动态、高稳定性和高可靠性的不断追求，卫星导航和惯性导航的组合有着巨大的发展应用前景。虽然我国在GNSS/SINS组合导航领域的研究起步较晚，但是随着与BDS相关产业的迅猛发展，我国必将在未来改变国际上美国GPS相关导航一家独大的局面，在导航领域占有一席之地。

参考文献：

[1]马超杰，林志丹．现代军用导航技术[J]．航空科学技术，2005，4：17-19.

[2]屈洋陆国强张辽宁，等.息化条件下战场信息的评价研究[J].兵工自动化，2008，8：37-38.

[3]黄汛高启孝李安，等.INS/GPS超紧耦合技术研究现状及展望[J].飞航导弹，2009，4：42-47.

[4]李强.GNSS/INS深组合跟踪环路设计及滤波方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[5]张向阳刘宝军.浅析BD-2系统[J].大科技，2014，19：347-348.