超紧耦合滤波技术国内外研究现状分析

彭欢+段国栋+刘碧瑜+李文龙

【摘要】 MINS/GNSS超紧耦合系统的研究虽然在上世纪末被提出，但是其研究的可能性直到本世纪初随着软件接收机的研究取得巨大进步后才开始逐渐被发掘，近几年更是有了飞速的发展，但是目前全球的研究者们对MINS/GNSS超紧耦合系统的具体模型和算法还未统一观点和思路，研究的水平和程度也各不相同。

【关键字】 超紧耦合 卡尔曼滤波 抗干扰

一、引言

现代军用武器大多工作在弱信号、高动态和电磁干扰等复杂环境下，要保证武器装备在复杂作战环境中发挥准确打击效能，对卫星导航接收机的灵敏度、动态性、定位精度和抗干扰性能等方面都提出了更高的要求，对此，國内外研究人员有针对性的开展了高灵敏度接收技术、高动态接收技术、高精度接收技术和抗干扰接收技术等研究工作。然而目前的导航定位接收机往往只能够面向一种应用环境实现其中一种技术，无法解决其通用性和自适应性，所以单纯的GNSS接收机不可能完全满足现代军事导航要求。因此，组合导航系统已成为当前重要的导航系统实现方案，是武器导航系统研究的一个重要方向。由于惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）与卫星导航系统的互补特点，使得它易于与GNSS接收机进行组合。GNSS的长期高精度和MINS的短期高精度特性有机结合，可以充分发挥二者优点使组合后的导航系统可以提供连续、高带宽、长时和短时精度均较高的完整导航参数，同时对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、空中对准以及高度通道的稳定等，从而有效提高惯性导航系统的性能，同时利用MINS提供的辅助信息，改善GNSS接收机跟踪环路捕获和锁定信号的能力。MINS与GNSS构成的超紧耦合系统可大大提高武器装备在高动态、强干扰等恶劣环境下的命中精度和攻击效率，成为了今后MINS/GNSS组合导航的必然发展方向。

二、国外研究现状分析

尽管美国具有完善的卫星导航与定位系统，其研制的惯性导航系统精度很高，但其仍一直在努力发展MINS和GNSS组合导航系统技术。目前，以美国“战斧”巡航导弹为代表的对地攻击导弹中制导方式仍然是惯性导航系统+全球卫星定位导航系统。

国外许多著名大学和研究机构已经开展了对基于标量跟踪的MINS/GNSS超紧耦合技术的研究工作。2005年美国的NAVSYS公司交付了世界上第一台超紧耦合MINS/GNSS接收机。该接收机具备了在高动态、弱信号下接收GNSS信号的能力。现在美国海军已经开始从NAVSYS定购接收机。2006年Honeywell公司与Rockwell Collins公司联合研制了抗冲击、抗干扰的深组合INS/GNSS飞行器导航制导与控制管理模块，该模块将GNSS接收机与MIMU进行组合，采用深组合导航算法，定位为精度5m（CEP），可抗击2000g的冲击，仿真表明可承受58dB的干扰。2007-2008年，卡尔加里大学PLAN小组（Position，Location And Navigation group）的Petovello等人对MINS/GNSS超紧耦合系统在微弱环境下应用于载波相位定位进行了实际环境验证。数据采集在无遮挡的多径环境，射频前端增加了0-60dB的衰减器，采用战术级的IMU和外部OCXO晶振，经实验分析得到，在保证厘米级的定位精度下，超紧耦合的接收机比普通接收机灵敏度提高了7dB。2010年，卡尔加里大学Sun Debo的博士论文中提出了降维的IMU（Reduced IMU，RIMU）和GNSS超紧耦合系统用于陆地车辆导航。

Sun Debo的实验结果表明，基于标量跟踪的超紧耦合在采用自适应带宽后的算法使3D RMS速度误差降到19%，俯仰角和横滚角误差稍微降低，方位角均方根误差降低17%。在强GNSS信号环境下，基于标量跟踪的超紧耦合系统和基于矢量跟踪的MINS/GNSS超紧耦合系统二者性能类似，而在弱信号环境下则矢量跟踪性能高于标量跟踪性能，但是测量精度有所下降。

MINS/GNSS超紧耦合导航系统中主要采用卡尔曼滤波方法来实现系统信息融合及导航定位。在大部分组合导航定位系统中，考虑到各种内外因素，其状态方程及量测方程都是非线性的，在高动态下系统的非线性特性会更强。针对系统非线性问题，组合滤波器主要通过采用EKF、UKF和方根积分卡尔曼方法等处理非线性系统的算法来解决。

2006年，美国海上战争中心Ernest J. Ohlmey等人研究了MINS/GNSS超紧耦合算法在干扰环境的应用。接收机相关处理后的I、Q支路信号直接送入EKF跟踪滤波器，最后经组合滤波器用于定位解算。与紧耦合相比，该结构采用了滤波器算法比传统的跟踪环路在跟踪上更具有鲁棒性，并且具有更高的抗干扰性能和高动态特性。最后通过仿真精密武器的运动轨迹进行验证，信号跟踪能力很强，J/S接近75dB。

2008年，新南威尔大学Chris Rizos，Wang J等人研究了在MINS与GNSS超紧耦合中使用UKF滤波，它是采用一系列 sigma点来捕获先验随机变量的一阶和二阶瞬时值，直接利用系统的非线性功能将sigma点映射到状态空间和量测空间，而不是通过线性化求解雅克比矩阵。在此基础上，2009年，新南威尔大学的Ravindra Babu等人研究了综合卡尔曼滤波器的平滑功能对超紧耦合系统性能的关键作用，其中卡尔曼滤波性能由建模方法的精度来决定并验证载体在不同动态轨迹时的效果。

2010年，法国格勒诺布尔综合理工大学GIPSA实验室Carles Fernandez-Prades等人提出用三边测量法计算接收机的位置，以获得IMU测量值和同步参数的直接关系，然后把它代入状态方程里，来计算IMU的最终偏移误差。研究中采用自由高斯非线性滤波方法去解决这个估值问题，例如使用方根积分卡尔曼滤波器代替传统的跟踪环。

美国雷神公司（Raytheon Company）的超紧耦合算法，在采用导航电文剥离和导航电文不剥离两种方法对GNSS P（Y）码进行跟踪。由于采用导航电文剥离技术能有效地预测导航数据位并且相干积分时间能超过20ms，实验结果表明，采用导航电文剥离技术的载波和码跟踪抗干扰性能比传统跟踪大约有15dB的改进，导航电文不剥离技术有6dB的改进。当采用低精度的激光陀螺时，载波频率和载波相位跟踪有效的情况下，超紧耦合系统的J/S可以达到70-75dB。在相同情况下，相比于标量跟踪的MINS/GNSS超紧耦合，其抗干扰性能有6-8dB的改进。美国海军水面作战中心（Naval Surface Warfare Center） ，加拿大遥感中心（Canada Center for Remote Sensing）以及英国奎奈蒂克（QinetiQ）等研究机构的算法也得到类似的结论。

美国德雷珀（Draper）公司的算法与雷神基本相似，两者的主要区别是导航滤波器的结构，状态量和协方差传播步骤是按照EKF流程进行的，但是导航滤波器的GNSS观测更新是与EKF的更新不同。同时德雷珀采用扩展多个码相关（extended bank of range code correlators）相关，其实验表明，在保持码跟踪的宽带干擾下，基于矢量跟踪的MINS/GNSS超紧耦合系统比基于标量跟踪的MINS/GNSS超紧耦合系统的抗干扰性能可以提高15-20dB。

三、国内研究现状分析

目前，MINS/GNSS超紧耦合高性能导航技术在我国仍处于仿真试验阶段，主要的研究力量集中在高校和科研院所。国内针对惯性和GNSS深层次耦合的研究较早出现的文献是在1995年西北工业大学的安东等人对超紧耦合进行了性能仿真研究，并对GNSS码跟踪误差检测器进行了设计。此后十多年的时间，由于GNSS接收机研制能力的限制，MINS与GNSS的组合几乎全部都是以松耦合和紧耦合的组合方式出现，惯性器件对GNSS接收机跟踪环路的问题偶有提及，但不受重视。直至近几年，由于国外研究机构对MINS辅助GNSS跟踪环的研究升温，国内才开始逐渐研究。2000年李方锁、孙道省等人研究了具有开环和闭环反馈修正的耦合方案，卡尔曼滤波器的观测量是MINS和GNSS的伪距和伪距率之差，滤波结果可直接对MINS和GNSS系统进行开环和闭环校正。西北工业大学的栗瑞江等人则采用卡尔曼滤波器完成了对MINS误差和GNSS接收机钟差的最优估计。

对国内关于MINS/GNSS超紧耦合技术近几年的研究现状总结如下：

2008年，国防科学技术大学设计了低成本MIMU/GNSS超紧耦合系统，文章提出了一种基于最大似然估计的自适应滤波算法。通过静态试验验证系统的位置精度优于5m，速度精度优于0.1m/s，俯仰角和滚动角精度优于0.2°，航向角精度优于0.2°，多普勒频率估计精度在0.2Hz以内；在动态车载条件下，水平位置误差优于3米，高度误差优于10米。

2009年，北京航空航天大学研究了战术级MINS/GNSS的超紧耦合系统，其中组合导航滤波器采用UKF滤波算法，结果表明超紧耦合系统的多普勒频率误差在3Hz范围内。同年，北京航空航天大学提出了一种基于矢量的跟踪方法实现MINS/GNSS的深组合导航方案，在载噪比较低的环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。

2013年，南京航空航天大学在对不同GNSS/INS超紧耦合模型特点分析的基础上，构建了超紧耦合中惯性与卫星环路信息耦合模型，提出了环路复制信号参量的外部控制方法。实验结果表明超紧耦合系统环路信号参量偏差与惯性状态误差间有着紧密的内在联系与深层次的耦合机理。

四、结论

国外在MINS/GNSS技术领域的研究已经发展到了实用阶段，并且己经部分应用于武器装备和众多的民用应用领域；而当前国内对MINS/GNSS超紧耦合技术的研究仍处于理论仿真探索阶段，还没有成熟的MINS与GNSS超紧耦合的产品，并且大都是针对某一性能的算法设计为主，结果也都是以仿真形式给出。许多研究机构的研究重点只侧重于超紧耦合研究的基础性技术，包括GNSS软件接收机技术、基于矢量跟踪算法以及MINS辅助GNSS理论性能分析等。

参 考 文 献

[1]刘建业，曾庆化，赵伟.导航系统理论与应用 [M] .西北工业大学出版社，2010

[2] 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

[3]周坤芳，吴希，孔健.紧耦合INS/GPS组合导航特性及其关键技术[J].中国惯性技术学报，2009，17（1）：42-45