技术开发与应用组合导航技术的发展趋势曾伟一1 林训超2 曾友州3 贺银平4(1.2.3.4.成都航空职业技术学院,四川成都610100)收稿日期:2011-01-10作者简介:曾伟一(1956 ),男,四川省成都市人,副教授,主要研究方向为电气自动化和微机控制技术。

摘 要:本文揭示了组合导航技术的优越性,论述了组合导航的关键技术,对硅微惯性测量单元的发展和应用情况进行了介绍,指出GNSS/INS 组合中松耦合、紧耦合与深耦合方式的技术特点,展望了耦合技术未来发展方向。

关键词:组合导航 卫星导航 惯性导航中图分类号:TN967 2 文献标识码:B 文章编号:1671-4024(2011)02-0041-04Development Tendency of Integrated Navigation TechnologyZE NG Weiyi 1,LIN Xunchao 2,ZE NG Youzhou 3,HE Yinping 4(1.2.3.4.Chengdu Aeronautic Vocational &Technical College,Chengdu,Sichuan 610100,China)Abstract This paper analyzes the advanta ges of integrated navigation technique and the key inte grated navigation technology,presents the development and application of measuring units of silicon micro inertia,points out the techniques of loose coupling,tight coupling and deep c oupling in the combination of GNSS and INS and prospects the development tendenc y of c oupling technology.Key Words integrated navigation,GNSS,I NS 组合导航是采用两种或两种以上导航系统,形成的性能更高、安全性和可靠性更强的导航方式。

可与GNSS 进行组合导航的技术有I NS 、多普勒雷达、天文导航、气压高度表、磁力计等。

目前世界上应用最为广泛、性能最优、自主性最强的组合导航为卫星导航系统和惯性导航系统的组合,该组合系统主要利用卫星导航系统的长期稳定性与适中精度,来弥补I NS 的误差随时间传播或增大的缺点,同时再利用I NS 的短期高精度来弥补卫星导航接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点,提高卫星导航的动态性能和抗干扰能力和卫星的重新捕获能力,从而实现完整的高精度、高可靠性、高稳定性、高适用性、持续全天候的导航,广泛应用于海、陆、空、天各领域,包括飞机、轮船、车辆、机器人等的导航。

组合导航技术已成为目前世界上最先进的、全天候、自主式制导技术,也是导航技术最具有应用前景的发展方向[1]。

本文针对未来组合导航定位领域的关键技术的发展趋势和面临的挑战进行了论述。

一、惯性器件发展趋势与面临的挑战惯导系统的误差源包括陀螺和加速度计的器件误差、系统初始对准误差和导航解算中采用的重力场模型误差等,器件误差为大多数系统的主要误差源[2]。

41 成都航空职业技术学院学报Journal of Che ngdu Aeronauti c Voc atio na l a nd Te chni cal Col lege2011年06月第2期(总第87期)Vol.27No.2(Serial No.87)2011ME MS和干涉型光纤陀螺(IFOG)将有望替代当前各应用领域中所采用的环型激光陀螺(RLG)和机械式陀螺。

但是,在对标度因数稳定性具有极高要求的特殊应用中,RLG仍将比IFOG更具有优势。

ME MS技术化浪潮推进的关键则取决于ME MS陀螺的进展。

目前,ME MS器件的性能不断提高,正在面向多种应用展开研制工作。

当然,MEMS的低成本优势只能通过消费产业的杠杆作用,以各种MEMS 器件的巨大供给量(百万)为基础才能实现。

这些技术的应用将会带来低成本、高可靠性、重量轻的惯性器件和惯性系统。

在低端的战术领域,微机械惯性器件可望占据主导地位。

军品市场的需求将推动微机械惯性器件的发展,这些器件将应用于灵巧炸弹、飞机和导弹的自动驾驶仪、短程战术导弹制导、火控系统、雷达天线运动补偿、内置有惯性器件的智能皮肤、集束弹甚至子弹等各种小型智能弹药、晶片大小的I NS/GPS组合导航系统等。

从长远看,ME MS和集成光学(I O)系统将占领整个中、低精度应用领域。

这种预测基于两个前提:第一,ME MS器件的精度能够像过去十年那样以3~ 4个数量级的速度提升。

这种更进一步的发展并非不切实际,因为设计人员已开始更深地认识到了几何布局、尺寸、封装和电子电路的干扰对于微型器件的性能、可靠性的影响。

第二,努力将6个传感器放在一个(或两个)芯片上的工作早已展开,这是可能将每个INS/GPS系统的成本降至1000美元以下的唯一途径。

另外,由于许多ME MS器件是具有电容式读出的振动结构,这会限制其性能的进一步提高,在这方面,集成光学技术最有可能提供具有光学读出的全固态陀螺。

虽然近期内获得非常小而精确的陀螺的技术还不存在,但随着通讯工业发展的过程,集成光学器件已在不断进步。

在战略应用中,I FOG 将成为主要应用的陀螺。

抗辐照IFOG和超高精度I FOG的研究工作目前正在进行中。

一种潜在的、有前景的技术目前已处于早期研发阶段,这就是基于原子干涉仪的惯性测量技术(也称为冷原子敏感器)。

一个典型原子的布罗格利波长要比可见光的波长小10-11倍,由于在任何介质中,原子都有质量和内部结构,因此原子干涉仪是非常敏感的。

加速、旋转、电磁场以及与其它原子的相互作用都将引起原子干涉条纹的改变,这意味着原子干涉仪可被用来制作极高精度的陀螺、加速度计、重力梯度仪以及精密时钟,其精度能提高若干个数量级。

如果这种远期的技术能得到发展,将在没有GPS的条件下就能获得(2~5)m/h的惯导系统,系统中的加速度计还能用来测量重力梯度。

近期来说,微机械加速度计将占领加速度计应用的战术(低端)领域。

正如陀螺那样,军品市场将会推进这些器件在诸如灵巧炸弹、飞机和导弹的自动驾驶仪、短时间飞行的战术导弹制导、火控系统、雷达天线运动补偿、内置有惯性器件的智能皮肤、集束弹甚至子弹等各种小型智能弹药、晶片大小的INS/GPS组合导航系统等方面的应用。

更高性能的应用场合会使用摆式积分陀螺加速度计,基于石英或者硅谐振加速度计也有被应用的可能。

石英谐振加速度计已在战术和商业(如工业自动控制)领域广泛应用,硅微机械谐振加速度计研制工作正在进行中,这两种器件性能上都有可能获得提升。

从长远看,加速度计技术的应用展望,与远期陀螺技术的应用前景一样,ME MS和集成光学技术将占领整个中低精度领域,这种预测也基于对远期陀螺技术预测中提及的两个前提。

不过,加速度计技术的远期目标可能要比陀螺的远期目标早几年实现。

未来,GPS接收机的成本可能会非常低以至于可以被忽略[3]。

系统被分类为:包含不同种类加速度计的RLG系统或I FOG系统;由石英陀螺和石英加速度计的组成的石英系统;ME MS/集成光学系统[4]。

很显然,系统的产量影响成本,大量生产将使成本更低。

就降低成本而言,IFOG系统比RLG系统潜力更大,这缘于IFOG的成本低于RLG。

但是到目前为止这种情况还没有发生,主要原因在于:RLG 已经在良好工业化条件下进行了相当大量的生产,而IFOG还没有达到类似的产量。

很明显,ME MS/集成光学系统构成的INS/GPS系统的成本最低,但达到最低成本的目标只有在以百万级数量生产时才有可能,这还要依赖于多轴器件簇、片上或者邻片电路以及批量封装。

可承受高g值加速度的硅基MEMS系统在最近的一系列制导炮弹发射试验中展示了它可承受超过6500g加速度的能力。

二、GNSS/I NS耦合方式的发展趋势GNSS/INS的耦合可分为不同水平的耦合,即所谓耦合深度不同。

不同的耦合方式决定了不同的工42程实现难度和导航定位精度。

按照耦合深度(信息融合所采用的卫星接收机数据源)的不同,可将组合系统分为四类,非耦合(重调法)、松耦合、紧耦合、深耦合。

松耦合的主要特点是GNSS和惯导仍独立工作,耦合作用仅表现在用GNSS辅助惯导。

松耦合也称为GNSS/INS的位置、速度信息耦合:GNSS和I NS输出的位置和速度信息的差值作为量测值,经卡尔曼滤波,估计I NS的误差,然后对INS进行校正。

紧耦合方式的主要特点是将卫星接收机与SINS系统的软硬件通过组合模块有机结合,达到相互辅助的作用;组合模块利用卫星接收机的伪距、伪距率进行组合,通过组合滤波器估计SINS和卫星接收机的误差,然后对子系统进行开环或者闭环校正。

紧耦合是更高水平的耦合,其主要特点是GNSS接收机和惯导系统相互辅助。

属于紧密耦合的基本模式是伪距、伪距率的耦合,还有在伪距、伪距率耦合的基础上再加上用惯导位置和速度对GNSS接收机跟踪环进行辅助,也可以增加对GNSS接收机导航功能的辅助。

相对松耦合方式而言,紧耦合方式的优点是导航精度进一步提高,能更准确地校正SINS器件与对准误差,通过SI NS或者组合后的速度信息,有效地辅助卫星信号捕获与跟踪,提高卫星导航的抗干扰能力和动态性能;缺点是系统设计更为复杂,组合滤波器状态量更多,计算量较大。

深耦合方式是近十年来新出现的一种组合方式。

它采用的卫星信息相对于紧耦合更为 原始 ,并且采用卫星接收机与SI NS的软硬件一体化设计,因此被称之为深耦合或者超紧耦合。

深耦合模块采用SINS与卫星接收机信号相关器输出的同相(I)、正交相(Q)信号进行数据融合,接收机内部不需要进行信号跟踪,信号跟踪的最优化是在数据融合时统一进行设计,因此深耦合方式在理论上性能将优于前两种组合方式,实现 全局最优 。

深耦合方式的优点是通过全局最优化设计,能够在准确的校正SINS器件误差的同时,得到最优的信号跟踪带宽,提高了组合导航的整体性能;进一步提高卫星导航的抗干扰能力和动态性能。

它的缺点是组合滤波器设计复杂,计算量大。

深耦合直接通过I/Q信号估计导航参数,从更深入的层次利用了卫星测量信息,使组合导航数据融合全局最优,相对于紧耦合能够进一步提高动态环境下的导航精度与抗干扰能力,是未来GNSS/ SI NS组合导航,特别是GNSS/MI MU组合导航的发展趋势。