1  引  言

全球定位系统( GPS)具有全球覆盖、全天候、实时导航、导航定位误差不随时间积累等优点。但是，GPS卫星信号容易受到人为干扰；在高动态环境下，将产生较大的卫星信号跟踪误差， 不能满足载体实时导航与制导要求。

惯性导航系统具有自主式、隐蔽性导航， 工作环境不受介质限制， 能提供丰富的导航信息， 以及导航数据输出率高等优点。

由于GPS 与惯导均存在其自身难于克服的缺陷。因此， 在实际工程应用中， GPS /惯导组合导航系统设计和应用较为广泛。如图1所示。GPS与惯导组合后的优势在于:

( 1)克服各自缺点， 取长补短， 组合导航精度高于两个系统独立工作的精度;( 2)提供利用GPS导航信息校正惯性传感器的有效手段， 实现惯导系统在线校正;( 3)当载体机动或干扰使卫星信号失锁时， 可以暂时由惯导系统提供导航数据;( 4)惯导系统提供连续宽带的位置、速度和姿态估计比单独使用GPS的结果平滑;( 5)利用惯导系统速度信息辅助GPS接收机跟踪环， 可以增大等效噪声带宽， 既保证在高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪， 又提高接收机的抗干扰性能;( 6)组合系统有利于GPS卫星信号的完整性监测， 增强系统可靠性能和容错能力;( 7)对于GPS 载波相位测量， 惯导系统提供的信息有利于GPS卫星整周模糊度参量的快速解算，可以很好地解决周跳探测与修复问题， 并且降低至少4颗卫星同步可观测的要求;( 8)采用中、低精度的惯性仪表与GPS OEM 板集成， 不仅技术上容易实现， 满足实际应用的精度要求， 而且设备研制成本低， 可以获得较好的经济效益。

图1  GPS /惯导组合导航系统的互补性

2  GPS /惯导组合模式

依据不同的分类标准， GPS 与惯导系统有多种组合形式， 但其本质都是一致的。其中较为先进的是利用伪距和伪距率信息的紧耦合组合模式。如图2所示， 紧耦合模式的优点在于:

( 1) GPS与惯导系统集成， 实现硬件一体化， 导航计算精度高， 实际应用更为有效。

( 2)不需要同时跟踪4 颗以上的卫星， 才能进行组合导航计算。

( 3)使用一个卡尔曼滤波器， 当GPS 不能正常工作时， 惯导系统暂时提供导航参数。

图2  GPS /惯导紧耦合模式原理框图

3  紧耦合GPS /惯导组合系统硬件设计

GPS /惯导紧耦合系统硬件可以分为五个部分，其结构如图3所示。

图3  紧耦合GPS /S INS系统硬件组织设计图