SINS/GPS不同组合模式适应性分析与验证

摘要：针对高动态和干扰环境下GPS接收机工作时存在的问题，研究了SINS/GPS四种典型组合模式的工作机理，从系统的动态适应性和抗干扰性等方面对各组合模式的特点进行了深入分析；最后，从抗干扰能力、精度、快速性及鲁棒性等方面对其中两种代表性组合导航模式的性能进行了详细的仿真验证与比较，并给出了可供工程参考应用的建议。

关键词：GPS；捷联惯导系统；载波跟踪环；动态性；抗干扰能力

中图分类号：TJ765；TN967.2 文献标识码：A 文章编号：1673—5048（2013）03—0003—06

0 引言

GPS与SINS的组合始于20世纪80年代初期，其最初的组合模式为松组合（Loosely coupled）与紧组合（Tightly coupled），均以SINS为主，在GPS正常工作时，利用GPS提供的精确导航信息对SINS误差定期进行估计与校正：在GPS因信号遮挡或干扰无法工作时，SINS单独工作。松组合与紧组合具有结构简单、容易实现等优点；但当载体进行高动态机动或GPS接收机受外界干扰而无法正常工作时。SINS/GPS组合导航系统的精度将随飞行时间增加而急剧下降，系统的可靠性和抗干扰能力较差，应用范围受到很大的限制。

随着航空航天技术和精确制导武器的发展，为满足高动态用户（歼击机、导弹等）及强干扰条件下的应用需求，以紧组合为基础发展起来的SINS/GPS超紧组合（Ultra-tightly coupled）和深组合（Deeply coupled）导航系统，成为SINS/GPS组合系统的新一代设计模式。超紧组合和深组合改变了传统意义的跟踪环，将组合的概念应用到了接收机内部结构中，它能够利用组合滤波器的估计信息，缩短GPS信号失锁后的重捕获时间。并为跟踪环提供速度辅助信息，从而提高GPS接收机的动态性能与抗干扰能力。

本文对目前SINS/GPS四种典型组合模式工作机理及在高动态、干扰环境下的适应性进行分析，并利用开发的GPS软件接收机仿真平台，对其中两种代表性组合模式的性能进行了验证。

1 SINS/GPS不同组合模式工作机理

1.1 SINS/GPS松组合模式

松组合是一种低水平的SINS/GPS组合模式，其原理如图1所示。该组合系统中，GPS和SINS独立工作，在GPS正常工作时，通过专用接口将两者的量测数据输入组合滤波器，其组合的作用表现在利用GPS信息通过Kalman滤波器估计并校正SINS误差，以使SINS能够保持较高精度的导航精度；当GPS不可用时，SINS单独工作。这种组合模式因具有简单、便于工程实现且有一定的余度等优点得到了广泛应用。在GPS工作良好区或短时间不可工作时，该组合系统的导航精度较高，一般不低于GPS精度。

但是，由于GPS仍作为一个单独的系统使用，当载体进行高动态机动或GPS信号受到干扰的影响而长时间无法工作时，该组合导航模式的精度将随着时间的增加而急剧下降，因而其可靠性和抗干扰能力较差。

1.2 SINS/GPS紧组合模式

紧组合模式就是通常所说的伪距、伪距率组合模式，其原理如图2所示。根据SINS信息和卫星星历计算接收机相对于卫星视线方向（LOS）的距离、距离率，并与GPS码环和载波环得到的伪距和伪距率相减，作为Kalman滤波器的量测信息。然后利用Kalman滤波器估计SINS的误差量以及接收机钟差等。最后对SINS输出或反馈校正。紧组合模式中，GPS接收机仍然独立于SINS，结构简单，可使用估值信息来重置SINS的参数。相对于松组合模式。该模式采用原始的伪距和伪距率测量值直接送人组合滤波器。使系统的可观测性大大增强，理论上的组合效果比采用位置、速度组合的松组合好。但由于它不能直接利用SINS辅助，因此在高动态机动或GPS信号受到干扰的影响下存在与松组合模式同样的问题。

1.3 SINS/GPS超紧组合模式

超紧组合与紧组合模式相比，除了采用伪距、伪距率组合外，还利用SINS输出的速率信息辅助GPS的跟踪环路，其工作原理如图3所示。

利用SINS提供的速率信息辅助载波环和码环，可以增强对信号的动态跟踪性能与抗干扰能力，从而提高系统的精确性和可靠性。常用的惯导辅助方法是将SINS计算得到的伪距率与跟踪环的环路滤波器输出相加，送人载波NCO（数控振荡器）或码NCO。在有SINS速率辅助并假定接收机具有较高精度时钟信号的情况下。载波环带宽可降至1～2 Hz，使抗干扰能力相对于无速率辅助情况提高约15 dB甚至更高。

在干扰很小的情况下。采用单纯的GPS接收机就可实现对所有可视卫星的载波跟踪，载波跟踪环还可为码环提供高质量的载波辅助以保证码的正常跟踪。这时，采用超紧组合模式还存在需要改变传统的GPS接收机的硬件的问题，与紧组合模式相比并无大的优势。

在中等干扰情况下，为了减小外界干扰噪声对系统性能的影响，要求跟踪环路中滤波器的低通滤波性能要好，即滤波器的频率带宽越窄越好。但滤波器的带宽又直接影响整个跟踪回路的等效环路带宽，若滤波器的带宽很窄，则很可能使环路带宽小到无法满足载体动态性的要求，即不能实现对所有可视卫星的载波跟踪。在干扰时间较短的情况下，GPS接收机的码跟踪环路不会出现失锁，利用伪码测距的GPS接收机仍能获得较高的精度。但是在干扰时间较长情况下，载波跟踪环路的失锁将导致码环失锁，这时无论采用载波相位测距还是伪码测距的接收机，其性能都会急剧恶化。而采用超紧组合模式可以利用SINS辅助的速度信息，既可满足动态情况下输入信号带宽增大的要求，又可减小GPS接收机环路滤波器的带宽，满足噪声滤除的要求，提高接收机的抗干扰能力。

在高动态强干扰应用场合，GPS载波会产生较大的多普勒频移和频移变化率，伪随机码也会产生动态时延和频移，使用传统的载波锁相环和伪码锁相环，载波多普勒频移常常会超出锁相环的捕获带，而不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。为此就必须增加环路的带宽，这样又会引入宽带噪声，当噪声电平超过环路工作门限时，将使载波跟踪环路失锁。随着干扰或动态的增强，最终将引起码环的失锁，从而得不到伪距测量值，而且重新捕获时间加长，使得导航解发散。若采用超紧组合模式，利用SINS提供的速率信息辅助载波环和码环，可以提高信号动态跟踪与抗干扰性能，从而提高组合导航系统的精度和可靠性。

1.4 SINS/GPS深组合模式

深组合是一种新的SINS/GPS组合模式。它以矢量跟踪为基础，采用SINS与GPS接收机信号相关器的输出进行数据融合，接收机内部不需要进行信号跟踪。信号跟踪是在数据融合时统一进行的。因此在理论上，深组合性能将明显优于紧组合与超紧组合模式，实现了“全局最优”。

在深组合模式中，使用一个大的滤波器或者成倍的小滤波器，用GPS接收机通道中同相（I）和正交相（Q）的相关采样值作为滤波器的观测量来更新滤波状态。本地载波的数控振荡器和码环数控振荡器的控制量（输入量）来自于组合导航滤波器的输出。而组合导航滤波器以GPS接收机输出的伪距、伪距率与SINS计算得到的伪距、伪距率差值作为观测量，并根据SINS误差传播方程建立的误差模型对SINS进行反馈校正。因而，可以获得更高的载波相位跟踪带宽和抗干扰能力。深组合模式原理如图4所示。

通过对GPS接收信号进行相关处理后获得正交采样信号实际残差的测量值，即可得到Kalman预滤波器的精确量测量。此时，伪距率好的可观测性使得积分Kalman滤波器能够快速收敛。在深组合模式的实现过程中，本地NCO的控制算法利用校正后的SINS导航数据、卫星位置、接收机钟差以及组合导航滤波器输出的GPS估计值综合计算控制指令。用于调节本地信号使其与接收的GPS信号相一致。因而，可以获得更高的载波与码跟踪带宽和抗干扰能力。但这种深组合工作模式，需要对现有的SINS系统和GPS接收机的硬件部分进行改造以满足一体化要求，其工程实现比较复杂。

2 不同组合模式性能分析

下面主要从抗干扰能力、动态性和精确性方面对SINS/GPS各组合模式的性能进行比较：

（1）松组合模式的精度优于GPS单独工作时的精度。如果GPS长时间单独工作在信号容易中断的环境中，要求IMU具有较高的精度，使之在信号中断的情况下仍能满足导航精度的要求。但在松组合模式下，由于在信号连续时可以利用GPS对IMU进行误差标定，使用低精度的IMU与GPS组合，即可获得较高的导航精度。

（2）紧组合模式除了具有松组合模式的优点外，由于采用了GPS输出的基本观测量信息（伪距、多普勒频移和伪距率等），克服了松组合模式中量测信息的相关性问题，因而它还可以提供比松组合更高的导航精度。但由于紧组合模式仍然没有利用SINS信息对GPS进行辅助，因而其动态性、抗干扰性与松组合模式相当。

（3）超紧组合模式一方面利用GPS定位信息对SINS进行校正，控制其误差随时间积累，提高SINS的导航精度；另一方面，利用SINS信息来辅助GPS信号跟踪环路，可基本消除由载体机动所引起的动态跟踪误差。因而超紧组合系统中GPS接收机可以采用很窄的环路带宽。提高对噪声或干扰的容限。并使接收机能够在恶劣信号环境中快速重新捕获GPS信号。

相对于松组合及紧组合模式，超紧组合模式具有以下优点：提高了系统的抗干扰能力与GPS接收机的捕获与跟踪性能。当GPS信号的信噪比低于跟踪门限或GPS接收机出现故障时，SINS可以独立进行导航定位：当GPS信号条件改善时。SINS可以向GPS接收机提供初始位置、速度等信息，以供重新迅速捕获GPS信号的伪码和载波相位，缩短GPS重新捕获信号的时间，从而减小了干扰对系统性能的影响。提高了GPS接收机的捕获和跟踪性能。另外，利用SINS提供的载体动态信息辅助GPS跟踪环路，可以减小环路跟踪载体高动态所需的大的带宽，保证以较小的带宽捕获并锁定GPS卫星信号，从而减小由载体的动态性所引起的跟踪误差，带宽的缩小还可以进一步减弱噪声引起的跟踪误差，提高GPS接收机的跟踪精度。

（4）深组合是一种新型SINS/GPS组合模式，其优势在于在弱信号环境下或者面对有意/无意干扰时。系统具有更高的鲁棒性、跟踪能力和导航精度。传统的跟踪环各自独立工作，易于失锁；而深组合基于矢量跟踪方式，可以充分利用GPS信号跟踪与导航状态解算之间的内在耦合关系，实现强信号通道对弱信号通道的辅助。同时，矢量跟踪技术能够降低信号噪声，使之不容易进入非线性区，从而提高GPS接收机对弱信号的跟踪性能。当某颗卫星的信号由于干扰而无法检测时，其他卫星的信号仍然与相应的本地信号进行相关运算，导航信息的更新并不会中断。只有某颗卫星的信号完全被阻塞干扰时，得到的量测值会产生很大的变化，但可通过相应的预滤波量测互协方差矩阵，采用去权重的方法减小其影响。此外，深组合模式的跟踪环路滤波器带宽可以适应滤波器所建模的任何对象，提高了跟踪环路的抗干扰能力。

深组合模式的另一特点是对Kalman预滤波器没有严格的要求。而传统的跟踪环对实时性要求较高。Kalman预滤波器可以在一个主循环内接收所有的正交采样数据并在下一个主循环时间内进行处理，因此可以采用更高级的信号处理算法。但是，在深组合模式中，传统的跟踪环路被最优滤波算法替代，接收机内部变化很大，工程实现复杂。

综合以上对各种组合模式特点的分析。表1从捕获能力、信号再捕获能力、定位精度、弱信号或强干扰性、系统实现难易程度、系统成本等方面对4种组合模式进行了定性的对比。

3 SINS/GPS组合导航仿真系统设计

SINS/GPS组合导航仿真系统由IMU数据模拟器、SINS导航解算环节、GPS中频信号模拟器、GPS软件接收机和SINS/GPS组合滤波器等部分组成，其结构如图5所示，各部分的主要功能如下：

（1）IMU数据模拟

根据设计的载体运动轨迹数据。模拟IMU敏感载体输出的比力、角速度数据。

（2）SINS的导航解算

将IMU惯性测量单元测得的载体在惯性坐标系的角速率和比力数据。送入SINS导航解算环节进行解算，以得到载体的位置、速度及姿态信息。

（3）GPS中频信号模拟

根据接收机的当前时间，模拟卫星星座，并通过信号编码得到导航电文。同时，根据时间信息和卫星的轨道根数得到相应的卫星位置和速度信息，结合设计的轨迹数据得到接收机当前时刻的位置和速度，反推出从卫星信号发射到载体上的接收机接收所需的传输时间以及由于卫星与接收机之间径向运动引起的多普勒频移。根据得到的传输时间及多普勒频移，模拟GPS接收机接收到的卫星中频信号的载波及C/A码，最后通过编码得到GPS中频信号。

（4）GPS软件接收机

将模拟的GPS中频信号作为GPS软件接收机的输入。软件接收机包括信号捕获与跟踪、位同步、帧同步、导航电文解码、卫星位置和速度计算、伪距和伪距率计算等部分。利用SINS的速度信息转换成载波多普勒频移对载波环进行辅助，并利用载波环得到的多普勒频移转换成码多普勒频移辅助码环。通过码环输出的1000 bps导航电文信息进行位同步、帧同步后得到50 bps的导航电文，通过导航电文计算卫星的位置和速度信息；同时。根据码环和载波环的跟踪结果计算卫星与接收机间的相对距离、距离率，并作为组合滤波器的观测量进行最优状态估计。

（5）SINS/GPS组合滤波算法

SINS/GPS组合导航滤波算法包括：SINS误差模型、GPS误差模型、GPS跟踪环路误差模型、GPS观测模型、Kalman滤波模型、SINS误差修正模型。将SINS计算得到的距离、距离率与GPS输出的伪距、伪距率作差，送人SINS/GPS组合导航滤波器以更新滤波的状态：同时，利用组合导航滤波器估计的SINS误差结合误差校正模型对SINS进行反馈校正。此外，利用修正后的SINS导航信息对GPS的载波跟踪环路进行辅助，将SINS计算得到的距离率信息转换成载波多普勒频移送入GPS载波NCO。

4 系统性能仿真验证与分析

下面利用开发的SINS/GPS组合导航仿真平台，从抗干扰能力、精度、快速性及鲁棒性等方面对超紧组合与松组合模式的性能进行对比。

仿真条件如下：SINS的初始速度误差为1m/s，初始位置误差为10m，初始失准角为1′，陀螺仪的常值漂移、一次项误差和驱动白噪声分别为0.3（°）/h，5×10^-4，0.02（°）/h，加速度计的常值偏置、一次项误差、二次项误差以及驱动白噪声分别为100μg，1×10^-4，1×10^-5g^-1，10μg。

4.1 抗干扰能力对比

考虑对信号突然施加信噪比为-20 dB的干扰信号，比较此时载波跟踪环的测量精度。

图6为500—600 ms内对中频信号施加-20dB的突变干扰时GPS软件接收机通道1～4的跟踪结果（局部放大图）。可以看出，在信号信噪比突然降低情况下，采用松组合模式时，载波多普勒频移跟踪误差突然增大至5～6 Hz：当采用超紧组合模式时，载波环在信号突变干扰情况下，其跟踪误差略有增大，但其精度仍然能够达到1Hz。由于在超紧组合模式中，利用SINS信息辅助GPS跟踪环，从而有效减小了环路带宽，提高了对噪声及干扰的抑制能力，使其抗干扰性能优于松组合模式。

4.2 跟踪快速性与精度对比

在松组合模式中，利用GPS信息可以估计出SINS的误差参数以及接收机的钟差参数等，并对SINS进行修正，控制其误差随时间的积累。在超紧组合模式中，不仅可以利用GPS对SINS进行修正，还可以利用SINS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，为GPS提供辅助信息，使GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽，从而改善GPS重新俘获卫星信号的能力。

通过SINS辅助GPS接收机为载波跟踪环提供精确的速度辅助，再用载波跟踪环为码跟踪环提供载波辅助，消除了载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，降低了载波跟踪环带宽。通过载波跟踪环提供给码跟踪环的载波辅助，使码跟踪环噪声带宽B降低，而B的降低使GPS伪距测量精度得到提高。载波环的带宽B可以从12 Hz减小到1 Hz，码环的带宽B从2 Hz减小到0.3 Hz。这样就降低了载波和码噪声带宽，使SINS辅助的GPS跟踪环始终在窄的噪声带宽上运行，从而降低跟踪门限值，提高GPS接收机的抗干扰能力，使GPS接收机可以在高的RF干扰电平下提供更精确的速度测量值。精确的GPS测量速度允许SINS在更大RF干扰电平下继续获得精确GPS速度测量校正，从而提高了SINS的导航精度。

图7为四个通道在松组合和超紧组合模式下载波跟踪环PLL跟踪得到的多普勒频移误差放大的局部图。从图中可以看出，SINS/GPS组合滤波器收敛后采用SINS速度信息辅助GPS的载波跟踪环PLL，以补偿载体动态引起的载波多普勒频移。因而在SINS辅助的情况下GPS的载波跟踪环PLL的带宽大大减小。其跟踪的多普勒频移误差较之未辅助的松组合模式也大大减小。

4.3 跟踪鲁棒性对比

为了比较SINS/GPS超紧组合与松组合两种不同工作状态的可靠性和鲁棒性。假定在GPS软件接收机开始工作后500～600 ms信号发生中断，即假定在这段时间接收机没有输入信号，图8～9分别为信号中断情况下GPS的跟踪结果。

由前面的分析可知，在信号中断的情况下。超紧组合模式可以利用速率辅助DLL以保持码相位对齐，且DLL的码发生器NCO仅由前向支路控制。图8为信号中断情况下通道1的本地复现码超前、滞后和即时码的功率。可以看出，在信号恢复时，其跟踪过程并不存在过渡现象，这表明在信号中断的情况下，采用超紧组合模式，本地复现码与输入信号的真实C/A码仍然能够较好地对准。

图9表示各通道采用超紧组合模式载波跟踪环的跟踪结果。可以看出，在信号中断的情况下，采用超紧组合模式在组合滤波器输出的速率辅助信息的帮助下仍然可以很快地跟踪上多普勒频移，且跟踪精度较高。而采用松组合模式，由于信号突然发生中断，载波跟踪环无法跟踪由于接收机和卫星之间因相对运动引起的载波多普勒频移。

在SINS或GPS出现故障的情况下，采用松组合模式，由于两个系统仍然独立工作，导航系统有一定的冗余，因而在低动态、弱干扰情况下，系统具有一定的鲁棒性；而采用超紧组合模式，由于两个系统相互耦合，需要有完备的故障检测与隔离环节将故障系统隔离，使组合系统工作在单一的导航系统模式下。而在系统具有完备的故障检测与隔离环节时，在高动态、强干扰条件下，采用超紧组合模式系统的可靠性和鲁棒性明显高于松组合模式。

4.4 复杂度对比

在超紧组合模式下，需要对现有的SINS系统和GPS接收机的硬件部分进行改造以满足一体化要求，其工程应用比较复杂。而松组合模式易于实现，只需采用相应的接口将GPS和SINS数据传输到中心计算机上，并利用相应的软件进行两套数据的时间同步和最优组合处理即可，且两个系统仍然独立工作，使系统有一定的冗余。误差校正可以在软件编排阶段实施，即可以在计算机上实现，无需反馈回SINS硬件。

5 结论

在SINS/GPS的各组合模式中，松组合和紧组合模式工作时仍将GPS作为一个独立的系统，因而在高动态、强干扰的应用环境。这两种组合模式均无法满足高精度、高可靠性的导航要求；超紧组合及深组合模式由于都利用SINS的速度信息辅助GPS跟踪环路，使环路等效带宽显著增大；同时，又使环路滤波器的带宽与未引入SINS辅助时相比显著减小，从而有效增强了环路对噪声或干扰的抑制能力。但深组合模式中，GPS接收机的跟踪环路采用矢量跟踪模式，并由组合滤波器实现跟踪环路的闭合，使接收机内部变化很大，实现起来较为复杂。因此，实际应用时，可根据具体的应用环境和条件，选择合适的SINS/GPS组合模式。