GPS/INS组合导航系统
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摘要：随着科学技术的迅速发展，目前广泛应用于航空、航天、航海和地面载体的导航系统多种多样，但是它们都有各自的优点与缺陷。比如，惯性导航系统（INS）具有不依赖外界信息完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数的优点，能够抗电子辐射干扰、隐蔽性好的特点。但是随着时间的增长，其导航参数的误差随着时间的积累越来越大，不适合长时间单独航行，如果引入gps，以适当方法将两者组合起来成为一个导航系统，必定可以提高系统的整体导航精度，是ins具有空中再对准的能力。
中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：
GPS和INS的组合
由于GPS/INS组合导航的总体性能要远远地优于各自独立的系统，因此，普遍认为GPS/INS是目前和今后进行空中、海上和陆地导航和定位较为理想的系统。
实现GPS和INS的组合方案很多，不同的组合方案，可以满足使用者的不同性能要求和应用目的。例如采用位置、速度组合的GPS/INS导航系统，采用伪距、伪距率组合的GPS/INS导航系统。
现在控制理论的成就，尤其是最优估计理论的数据处理方法，为组合导航系统提供了理论基础。卡尔曼滤波器在组合导航系统的实现中有着卓有成效的应用。在组合导航系统中应用卡尔曼滤波技术，即在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，以达到系统组合的目的。例如，根据 GPS定位数据利用卡尔曼滤波去估计系统的误差，然后用误差去校正系统。
卡尔曼滤波技术
卡尔曼滤波技术是20世纪60年代在现代控制理论的发展过程中产生的一种最优估计技术。最优估计是一种数据处理技术，它能将仅与部分状态有关的量测值进行处理，得出从某种统计意义上讲估计误差最小的更多状态的估计值。估计误差最小的标准称为估计准则。卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计。
卡尔曼滤波方程：
状态一步预测方程
(1)
状态估计方程
(2)
最优滤波增益方程
(3)
一步预测均方误差方程
(4)
估计均方误差方程
(5)
或
(6)
由上述方程确定的系统叫做卡尔曼滤波器，它表现为计算机的数据处理，最小方差线性递推顾及运算。卡尔满滤波器的输入信息是系统的量测输出，滤波器的输出则是系统状态矢量的最小方差线性无偏估计。卡尔曼滤波方程中前4个方程包括了由输入量测值到计算输出值的计算过程。估计均方差
方程在计算下一步预测均方差时是必不可少的。显然，(5)式计算量小，但在计算机有舍入误差的情况下，不能保证计算出的均方差矩阵一直保持对称。(6)式计算量较大，但可以保证为对称阵。故在设计卡尔曼满滤波器时，可以根据系统的具体 要求选择其中的一个方程。
采用卡尔曼滤波器的组合方法
利用卡尔曼滤波器设计GPS/INS组合导航系统的方法多种多样，采取何种组合方法，主要依据不同的应用目的和要求来选取。
GPS/INS组合导航系统，按照是硬件上的组合或是软件上的组合，分为GPS/INS硬件一体化组合或GPS/INS软件组合。
GPS/INS硬件一体化组合主要部件，由陀螺、加速度计以及有关的辅助电路构成，称之为惯性测量部件：IMU。将GPS接收机的硬件嵌入到INS中，可以与IMU构成一体化组合系统。将GPS观测数据与INS力学编排方程解得之导航参数进行同步后，送往组合卡尔曼滤波器。组合卡尔曼滤波器的状态矢量，由直接法或间接法估计来决定。若采用间接法估计式，滤波器状态为载体导航参数误差、陀螺漂移和加速度计零偏、刻度因子误差、GPS接收机钟差等。经过卡尔曼滤波得到该状态矢量的最优估计，并反馈回INS，对惯性测量器件的陀螺漂移、加速度计的零漂和刻度因子误差进行校正。INS经过卡尔曼滤波器输出的重调后将更趋精确，INS力学编排方程计算模块即使当GPS不能正常工作，亦完全可以做精密导航。
与GPS/INS硬件一体化组合相对应的是软件组合。通常将GPS接收机输出的信息与INS的惯性测量信息传送到机载计算机中，首先利用相应的软件进行两套数据的时空同步，然后利用卡尔曼滤波器进行最优组合处理。有关校正计算，可以在计算机上实现，无需反馈回子系统的硬件。组合处理GPS与INS数据，可以实时进行，也可以测量后实施。GPS数据可以是来自单台接收机的，也可以来自差分工作模式下的两台GPS接收机，视其工作目的和要求而定。实践中，GPS/INS软件组合方法比较容易实施，应用也比较普遍。
参考文献
[1] 王惠楠.GPS导航原理与应用.北京：科学出版社，2003.