[科普中国]-卫星-惯导组合定位系统

简介

卫星——惯导组合定位系统，即系统包含卫星定位系统（GPS/北斗/GNSS）和惯性定向定位导航系统（INS）的定向定位导航系统。

卫星定位导航系统，具有精度高，可通讯的特点，但是该系统不能提供如载体姿态等导航参数,而且在飞行载体上使用时,由于载体的机动运动,常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号,甚至对已跟踪的信号失锁；而惯性定向定位导航系统，是通过内部的惯性器件（陀螺、加速度计），获取当前位置信息，是密闭的，不需要和外界通讯，因此其独立性强，缺点是，随着导航持续，惯性导航会发生偏差（由温度变化、震动引起的，可通过算法进行偏差补偿）

为克服上述缺点,多根据INS和GPS的导航功能互补的特点,以适当的方法将两者组合来提高系统的整体导航精度及导航性能以及空中对准和再对准的能力。GPS接收机在惯导位置和速度信息的辅助下,也将改善捕获、跟踪和再捕获的能力,并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大。由于优点显著,GPS/INS组合系统被一致认为是飞行载体最理想的组合导航系统1。

组合定位导航系统中可通过卫星定位系统信息定时对惯性系统进行偏差纠正，同时，在无法接受卫星信号时，惯性定向定位导航系统也能够保障导航信息在一定时间内的精准。

组合定位系统GPS和INS组合系统GPS/INS组合导航系统由全球卫星导航系统(GPS)、惯性导航系统(INS)和信息处理系统三部分构成。

GPS系统的定位过程可描述为:已知卫星(利用卫星广播电文描述卫星运动的星历参数EPH和历书参数ALM实现)的位置,测量得到卫星和用户之间的相对位置(利用导航方程),用导航算法(利用最小二乘法或卡尔曼滤波法)解算得到用户的最可信赖位置。

挠性陀螺由挠性杆(很细、很软)在电机的驱动下,转子以12000 r/min的转速旋转,当基座转动一个角度H时,由于转子的稳定性,加之挠性杆很柔软,则转子相对惯性空间保持不动,这样陀螺就可感知基座转动的角度H。

陀螺上还装有2个信号器和2个力矩器,2个信号器感知基座绕X,Y2个方向轴的旋转,给出相应的信号。而2个力矩器可以给陀螺施矩,使之分别沿X,Y两个轴进动。惯性平台是一个由2个二自由度陀螺稳定的四环全姿态平台。平台能隔离飞机的三轴角运动,亦可根据飞机运动和地球自转,准确地跟踪当地水平面和保持方位不变(或指向真北),使平台稳定在地理坐标系内。

北斗和INS组合系统北斗双星定位系统是我国独立研制的一种区域性卫星导航定位系统,可以对我国领土及周边地区进行准确定位.它是由三颗地球同步卫星(其中一颗备份星)、地面中心站、用户三部分组成的.系统定位时先由用户向地面中心站发出请求,地面中心站对其进行定位后将位置信息广播出去由该用户获取.双星定位系统是有源(应答式)的,需要和中心站建立联系才能定位,因此存在着用户位置容易暴露和系统用户数量容易饱和两大缺点2。

北斗双星导航系统/惯性导航系统是由北斗接收机、惯导传感器(加速度计、陀螺仪等)和组合滤波器组成,组合滤波器起到数据融合作用,把两个导航系统的导航信息进行最优融合,得到最优实时导航解.

克服了用户位置容易暴露和系统用户数量容易饱和的缺点,同时采用卡尔曼滤波方法组合北斗/INS获得整体更高的精度和稳定性.组合后的系统可以降低对惯导的精度要求,从而组合系统的成本得以降低。

GNSS和INS组合系统近年来全球卫星导航系统（GNSS）和惯性导航系统（INS）发展迅速，应用领域越来越广泛。GNSS 和 INS 两种系统在导航定位方面具有各自的优缺点，GNSS/INS 紧组合导航定位系统充分发挥两者的优势，提高了系统的整体导航精度和性能，实现单导航系统无法比拟的导航优势，在实时导航、车载定位、移动导航等都领域得到广泛的发展和应用3。

GNSS 与 INS 组合构成的 GNSS/INS 紧组合系统取各子系统之长：高精度 GNSS 信息作为外部输入，在运动过程中频繁修正 INS，以控制其误差随时间的积累；而短时间内高精度的 INS 定位结果可以很好的解决 GNSS 动态环境中的信号失锁和周跳问题。不仅如此，INS 还可以辅助 GNSS 接收机增强抗干扰能力。 当信噪比低到一定程度时，GNSS 接收机将不能正常工作，这时惯导系统可以独立进行导航定位。 当 GNSS 信号条件显著改善到允许跟踪时，惯导系统向 GNSS 接收机提供有关的初始位置、速度等信息，以供接收机迅速获取 GNSS 码和载波。惯导系统信号也可用来辅助GNSS 接收机天线的方向瞄准 GNSS 卫星，从而减少了干扰对系统工作的影响。另外，惯性导航系统（INS）可提高 GNSS 接收机的跟踪能力。INS 高频输出的导航信息，可以很好的反映载体的动态行为， 利用此信息辅助 GNSS 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，这样就可以减小回路带宽，从而进一步减弱噪声引起的跟踪误差。