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摘要：在组合导航领域中，组合导航系统经历了从航位推算与地图匹配技术的定位组合到以GPS定位为主，各种导航设备为辅的定位组合的过渡，尤其是GPS与INS惯性导航系统组合具有很强的互补性，该技术将INS和GPS相融合，使两种系统优势互补，提高制导性能。本文对INS／GPS组合导航系统的原理、形式以及数据处理方法进行了研究，提出联邦组合系统的优势。
关键词： INS/GPS组合;数据同步;Kalman滤波;联邦滤波器
Abstract: In the field of navigation, integrated navigation system has experienced from the dead reckoning and map matching technology to GPS positioning positioning combined to give priority to, a variety of navigation equipment supplemented by the positioning assembly transition, especially GPS and INS inertial navigation system combination has very strong complementary sex, the INS and GPS integration the two system, the advantage is complementary, enhance the guidance performance. The INS / GPS integrated navigation system, the principle and data processing method are studied, the advantage of proposed federal combination system.
Key words: INS/GPS combination; data synchronization; Kalman filter; federal filter
中圖分类号： 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
1、导言
惯性导航系统（INS）和全球定位系统（GPS）复合制导技术是目前最先进的全天候、自主式制导技术。其原理是采用卡尔曼滤波器将两者组合起来，经滤波后给出一组状态变量(如位置、速度、姿态角、陀螺漂移、加速度计零偏、钟差等)的最优估计值，并定时反馈回INS对其校正。该组合系统可以较高的速率输出全部的导航信息、更为优越的短期和长期精度、极大地提高了系统的可用性、定位输出轨迹更为平滑。
以惯性导航系统(Inertial Navigation Systern，INS)和以GPS为代表的星基定位系统具有极强的优势互补性。GPS能提供高精度和稳定性，能连续地监测惯导传感器的误差（陀螺漂移）。而INS可补偿GPS信号因障碍物而中断等问题，并提供连续的姿态角值，改正计算GPS模糊度搜索空间时间的方法。闭环的INS误差标定可以连续地在运动载体中（如在飞行中）修正误差（限制INS误差）。
组合导航系统的本质就是充分利用外部信息，将各传感器采集到的数据信息采用某种准则进行融合，从而诞生出了很多种GPS／INS组合方式，常用的有三种：松藕合(即位置、速度组合)、紧藕合(即伪距、伪距率组合)和超紧耦合.
2、INS/GPS组合导航系统数据同步
在对多传感器组成的系统进行数据融合处理时，要求在融合中心进行处理的数据信息必须是同一时刻的，这样才能计算出目标的正确状态。
2.1数据同步方法
针对GPS／INS组合导航系统的两个子系统各自使用不同的时钟频率标准的问题，若要将它们的数据在同一时刻配准，必须先将其统一到一个公共的时间参照系中。由于卡尔曼滤波一般都是通过计算机来完成，所以不妨以计算机所使用的当地时间作为两个子系统处理数据的公共时间参照系。
基于这个思路，对于INS／GPS组合导航系统数据同步问题的解决，可以分为三种方法：软件实现、硬件实现和软硬结合实现。
软件实现方法，其优点是不需要专门的硬件，节约成本。一方面，惯导的数据输出率比GPS的数据输出率高很多倍，有足够的数据用于高阶保持器来实现精确同步的外推算的需要；另一方面，所用的保持器的阶数越高，所需的推算时间就越长，会影响信号的实时性。寻找到一种既有效率又有精度的数学同步方法是INS/GPS组合导航系统数据处理方法的研究热点。
硬件实现方法，以DSP为核心部件，将GPS输出的IPPS脉冲接入CPLD，由硬件的内部逻辑实现MIMU和GPS的数据在整秒时刻同步。同时，1PPS脉冲还作为CPLDPq部的1秒定时器的标准同步基准，通过硬件逻辑倍频产生相应频率的同步采样脉冲输出，实现惯导系统轴间数据同步。
软硬结合的实现方法，通过中断方式适时获得同步时间差和时标差，然后将惯导数据进行多项式拟合，得到在GPS时间点上的同步数据。
kalman滤波与INS/GPS组合导航系统
在INS/GPS组合导航系统中，数据处理的质量的好坏直接关系到组合导航系统的稳定性和精度，在对多传感器所采集到的信息进行数据同步后就是数据融合了，Kalman滤波主要用于融合低层次实时动态多传感器冗余数据，卡尔曼滤波的递推特性使系统处理不需要大量的数据存储和计算，它是信息融合中进行位置估计的有效方法。
3.1．应用Kalman滤波理论设计组合导航系统
对同一组合导航系统，我们采用Kalman滤波理论可以设计出多种滤波器，上述我们采用的集中式卡尔曼滤波器实现组合，它存在两个致命问题：一是滤波器计算量以状态维数的三次方剧增，无法满足导航的实时性要求，二是导航子系统的增加使故障率也随之增加，只要有一个子系统发生故障有没有及时检测出并隔离掉，则整个导航系统都会被污染。为了解决这些矛盾，INS/GPS自适应卡尔曼滤波器、INS/GPS联邦滤波器、INS/GPS分散滤波器、INS/GPS鲁棒滤波器纷纷出现。旨在提高组合导航系统的容错能力、导航系统的可靠性和精度，下面以联邦滤波器的设计作说明。
图4 联邦滤波器
由于参与滤波的各子系统的导航精度高低不一，惯导作为公共参考系统，其信息由各子滤波器共同分享，同时参与组合的各子系统的输出率千差万别，因此联邦滤波器中存在信息分配和信息同步处理的问题。我们可以这样来设计：在子滤波器中，子系统的精度越差，则惯导信息的分配系数就应该越大，反之越小，但是保证,以便使总量有限的惯导信息在较低精度子系统所在的子滤波器中能充分发挥作用；信息的同步就是为了计算出各融合时间点上各子滤波器的同步输出。
4、INS/GPS组合导航系统研究中的几个问题
从我们的研究来看，虽然INS/GPS组合导航系统有着巨大优势，特别是在低动态的定位、导航中。目前，该组合系统已经在遥感大比例测图、移动测量车、导弹制导等方面得到成功应用，但是在很多方面还存在很多问题需要解决。
INS/GPS组合方案的研究
目前松组合方式基本上已经实现工程化，其组合硬件设备简单，易实现，现在主要就是对其数据处理进行研究；紧耦合，甚至超紧耦合实现起来还存在难度，他们涉及到GPS接收机内部结构的编排，但是从导航能力和可靠性来讲，紧耦合更有发展潜力。
故障诊断和修复技术
由于系统Kalman滤波器处理的是来自GPS和INS的原始测量数据，它必须判定这些测量值是否因动态或者干扰而变差。如果测量变差，滤波器必须有足够的适变能力去调整变差的程度，在分系统失效的情况下，滤波器必须能切换到不同的导航模式。要深入研究故障诊断技术，确保能对系统的各种状态做出检测。
5、参考文献：
[1]秦永元，张洪锥，汪叔华．卡尔曼滤波与组合导航原理【M】．西安西北工业大学出版社，1998.
[2] 王惠南．GPS导航原理与应用【M】．北京：科学出版社，2003．
[3] 陈燕飞，张曦文．GPS与INS复合制导技术．情报指挥控制系统与仿真技术，2005．27(1)．
[4] 郭杭，刘经南.INS/GPS组合系统数据处理方法.南昌大学.
[5] 李大威. 卡尔曼滤波在INS/GPS组合导航中的应用研究.
[6] 孙红星. 差分GPS/INS组合定位定姿及其在MMS中的应用.
[7] 韩军海, 谢玲, 陈家斌. INS/GPS组合导航方式及应用前景.
[8] 徐世许，王 涛. INS/GPS组合导航系统的数据精确同步方法.
关键词： INS/GPS组合;数据同步;Kalman滤波;联邦滤波器
Abstract: In the field of navigation, integrated navigation system has experienced from the dead reckoning and map matching technology to GPS positioning positioning combined to give priority to, a variety of navigation equipment supplemented by the positioning assembly transition, especially GPS and INS inertial navigation system combination has very strong complementary sex, the INS and GPS integration the two system, the advantage is complementary, enhance the guidance performance. The INS / GPS integrated navigation system, the principle and data processing method are studied, the advantage of proposed federal combination system.
Key words: INS/GPS combination; data synchronization; Kalman filter; federal filter
中圖分类号： 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
1、导言
惯性导航系统（INS）和全球定位系统（GPS）复合制导技术是目前最先进的全天候、自主式制导技术。其原理是采用卡尔曼滤波器将两者组合起来，经滤波后给出一组状态变量(如位置、速度、姿态角、陀螺漂移、加速度计零偏、钟差等)的最优估计值，并定时反馈回INS对其校正。该组合系统可以较高的速率输出全部的导航信息、更为优越的短期和长期精度、极大地提高了系统的可用性、定位输出轨迹更为平滑。
以惯性导航系统(Inertial Navigation Systern，INS)和以GPS为代表的星基定位系统具有极强的优势互补性。GPS能提供高精度和稳定性，能连续地监测惯导传感器的误差（陀螺漂移）。而INS可补偿GPS信号因障碍物而中断等问题，并提供连续的姿态角值，改正计算GPS模糊度搜索空间时间的方法。闭环的INS误差标定可以连续地在运动载体中（如在飞行中）修正误差（限制INS误差）。
组合导航系统的本质就是充分利用外部信息，将各传感器采集到的数据信息采用某种准则进行融合，从而诞生出了很多种GPS／INS组合方式，常用的有三种：松藕合(即位置、速度组合)、紧藕合(即伪距、伪距率组合)和超紧耦合.
2、INS/GPS组合导航系统数据同步
在对多传感器组成的系统进行数据融合处理时，要求在融合中心进行处理的数据信息必须是同一时刻的，这样才能计算出目标的正确状态。
2.1数据同步方法
针对GPS／INS组合导航系统的两个子系统各自使用不同的时钟频率标准的问题，若要将它们的数据在同一时刻配准，必须先将其统一到一个公共的时间参照系中。由于卡尔曼滤波一般都是通过计算机来完成，所以不妨以计算机所使用的当地时间作为两个子系统处理数据的公共时间参照系。
基于这个思路，对于INS／GPS组合导航系统数据同步问题的解决，可以分为三种方法：软件实现、硬件实现和软硬结合实现。
软件实现方法，其优点是不需要专门的硬件，节约成本。一方面，惯导的数据输出率比GPS的数据输出率高很多倍，有足够的数据用于高阶保持器来实现精确同步的外推算的需要；另一方面，所用的保持器的阶数越高，所需的推算时间就越长，会影响信号的实时性。寻找到一种既有效率又有精度的数学同步方法是INS/GPS组合导航系统数据处理方法的研究热点。
硬件实现方法，以DSP为核心部件，将GPS输出的IPPS脉冲接入CPLD，由硬件的内部逻辑实现MIMU和GPS的数据在整秒时刻同步。同时，1PPS脉冲还作为CPLDPq部的1秒定时器的标准同步基准，通过硬件逻辑倍频产生相应频率的同步采样脉冲输出，实现惯导系统轴间数据同步。
软硬结合的实现方法，通过中断方式适时获得同步时间差和时标差，然后将惯导数据进行多项式拟合，得到在GPS时间点上的同步数据。
kalman滤波与INS/GPS组合导航系统
在INS/GPS组合导航系统中，数据处理的质量的好坏直接关系到组合导航系统的稳定性和精度，在对多传感器所采集到的信息进行数据同步后就是数据融合了，Kalman滤波主要用于融合低层次实时动态多传感器冗余数据，卡尔曼滤波的递推特性使系统处理不需要大量的数据存储和计算，它是信息融合中进行位置估计的有效方法。
3.1．应用Kalman滤波理论设计组合导航系统
对同一组合导航系统，我们采用Kalman滤波理论可以设计出多种滤波器，上述我们采用的集中式卡尔曼滤波器实现组合，它存在两个致命问题：一是滤波器计算量以状态维数的三次方剧增，无法满足导航的实时性要求，二是导航子系统的增加使故障率也随之增加，只要有一个子系统发生故障有没有及时检测出并隔离掉，则整个导航系统都会被污染。为了解决这些矛盾，INS/GPS自适应卡尔曼滤波器、INS/GPS联邦滤波器、INS/GPS分散滤波器、INS/GPS鲁棒滤波器纷纷出现。旨在提高组合导航系统的容错能力、导航系统的可靠性和精度，下面以联邦滤波器的设计作说明。
图4 联邦滤波器
由于参与滤波的各子系统的导航精度高低不一，惯导作为公共参考系统，其信息由各子滤波器共同分享，同时参与组合的各子系统的输出率千差万别，因此联邦滤波器中存在信息分配和信息同步处理的问题。我们可以这样来设计：在子滤波器中，子系统的精度越差，则惯导信息的分配系数就应该越大，反之越小，但是保证,以便使总量有限的惯导信息在较低精度子系统所在的子滤波器中能充分发挥作用；信息的同步就是为了计算出各融合时间点上各子滤波器的同步输出。
4、INS/GPS组合导航系统研究中的几个问题
从我们的研究来看，虽然INS/GPS组合导航系统有着巨大优势，特别是在低动态的定位、导航中。目前，该组合系统已经在遥感大比例测图、移动测量车、导弹制导等方面得到成功应用，但是在很多方面还存在很多问题需要解决。
INS/GPS组合方案的研究
目前松组合方式基本上已经实现工程化，其组合硬件设备简单，易实现，现在主要就是对其数据处理进行研究；紧耦合，甚至超紧耦合实现起来还存在难度，他们涉及到GPS接收机内部结构的编排，但是从导航能力和可靠性来讲，紧耦合更有发展潜力。
故障诊断和修复技术
由于系统Kalman滤波器处理的是来自GPS和INS的原始测量数据，它必须判定这些测量值是否因动态或者干扰而变差。如果测量变差，滤波器必须有足够的适变能力去调整变差的程度，在分系统失效的情况下，滤波器必须能切换到不同的导航模式。要深入研究故障诊断技术，确保能对系统的各种状态做出检测。
5、参考文献：
[1]秦永元，张洪锥，汪叔华．卡尔曼滤波与组合导航原理【M】．西安西北工业大学出版社，1998.
[2] 王惠南．GPS导航原理与应用【M】．北京：科学出版社，2003．
[3] 陈燕飞，张曦文．GPS与INS复合制导技术．情报指挥控制系统与仿真技术，2005．27(1)．
[4] 郭杭，刘经南.INS/GPS组合系统数据处理方法.南昌大学.
[5] 李大威. 卡尔曼滤波在INS/GPS组合导航中的应用研究.
[6] 孙红星. 差分GPS/INS组合定位定姿及其在MMS中的应用.
[7] 韩军海, 谢玲, 陈家斌. INS/GPS组合导航方式及应用前景.
[8] 徐世许，王 涛. INS/GPS组合导航系统的数据精确同步方法.