2019年04月01日

导航的概念首先起源于航海事业,其最初的含义是引导运载体从一个地点航行到另一个地点的过程。随着时代的变迁、近现代科学技术的发展、运载工具的种类增多,“导航”的概念也大大扩展。导航,就是引导航行,确定航行提运动到什么地方和向何方向运动的意思。于是,多传感器组合导航系统成为导航系统的发展趋势,且已成为倍受人们关注的热门领域,并在军事领域、空间技术领域得到广泛应用。多传感器组合导航系统中,应用最为广泛就是GPS/惯性导航系统(也称为GPS/INS组合导航系统)。


一、GPS导航系统简介

1958年美国军方研制子午卫星导航系统(NNSS),于1958年投入使用。但是该系统定位时观测时间长、定位精度低,无法实时、连续的进行定位,限制性很大。为了实现高精度、高效率、全天候、多功能的连续导航与定位,于是20世纪70年代,由美国陆海空三军联合研制的新一代卫星定位系统GPS应运而生。


GPS全球定位卫星系统有以下优点:

1、定位精度高。利用GPS系统可以获得动态目标的高精度坐标、速度和时间信息,在较大空间尺度上对静态目标可以获得10-6~10-7的相对定位精度。随着技术水平的提高,定位精度还将进一步提高。


2、观测时间短,可以实现实时定位。


3、全球范围内连续覆盖。随着卫星数目的增多,可以保证地球上(包括水面和空中)任何地点在任何时间都能观测到至少4颗卫星,从而保证全球范围内的全天候连续三维定位。


4、适应性强。可在各种恶劣环境中工作,可以24小时工作。而且无论是高山,深谷,GPS都能够工作。


随着科学技术的飞速发展,尤其是美国取消SA限制以后,其定位精度和可靠性有了很大的提高。尽管GPS具有较高的精度和较低的成本,且具有很好的长期稳定性。但也存在下述缺点:


1、GPS卫星星座对地球覆盖还不完善,尤其是中纬度地区,存在着所谓的“间隔区”;


2、GPS高动态性能较差。GPS接收机的工作受飞行器机动的影响,当飞行器的机动超过GPS接收机的动态范围时,接收机会失锁,从而不能工作,或者动态误差太大,超过允许值就不能使用。


3、GPS接收机必须接收到卫星信号才能够进行定位、导航,在有遮挡的情况下不能使用(如室内、水下、地下等)。

由于上述不足,因此目前的GPS系统在高可靠性的领域,还只能作为一种辅助导航设备,而不能作为唯一的导航设备使用,制约了其进一步的发展。


二、惯性导航系统(INS)简介


惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的,它是一种自助式的导航方法。它完全依靠机载设备自主地完成导航任务,不需要外界任何电磁信号,也不向外部辐射能量,可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息,抗外界干扰能力很强,因此具有很好的隐蔽性。


目前纯粹的惯性导航系统已经可以满足中近程导航精度的要求,但是还不能满足远程导航以及武器投掷、侦察、反潜等更高精度的导航要求。主要是由于惯性导航系统存在误差积累、漂移大的特点,定位误差会随时间的延续不断增大。因此,长时间的导航时需要提供校正用的外部信息。这些局限性决定了惯导不能够长时间准确的工作,而这恰好是GPS具备的。


三、GPS/INS组合系统的组成


将GPS与惯性导航组合成一个系统的主要目的就是为了提高导航的精度和可靠性能。这种组合的方式,克服了各自的缺点,取长补短,使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度,实现了在高动态和强干扰的复杂环境下实时、高精度的导航定位,是一种比较完善的导航系统。


主要优势体现在:

1、改善系统精度。对于惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、高度通道的稳定等,从而有效的提高惯导系统的性能和精度;


2、加强系统的动态性能和抗干扰能力。对于GPS全球定位系统,惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力,提高接收机的动态性能和抗干扰性,提高可靠性。同时提高了GPS接收机开机时信号的快速捕获能力和由于姿态机动(遮挡)所引起信号丢失之后的在捕获性能。


3、实现一体化,减小非同步误差。GPS/INS组合系统可以实现一体化,把GPS接收机放入惯导部件中,可以使系统的体积、重量和成本进一步减小,且便于实现惯导和GPS的同步,减小非同步误差。


总之,GPS/INS组合系统可以构成一种比较理想的导航系统,是目前导航技术发展的主要方向。


四、GPS/INS组合系统的发展趋势

GPS/INS组合系统作为导航系统的一个重要组成部分,已经成为国际上的一个研究热点,尤其是低成本的GPS/INS组合导航系统。一些主要的惯导制造厂家纷纷投入力量研制GPS/INS组合导航系统中来。


目前GPS/INS组合系统的发展趋势为:1、提高GPS系统的抗干扰性能,提高GPS/INS组合制导的可靠性;2、研制新型INS系统,从而提高GPS/INS组合制导的精度;3、研究数据融合技术,进一步提高GPS/INS组合制导的性能。


虽然GPS/INS组合系统还在研究发展中,但是GPS/INS组合系统中的GPS与INS是互补的、互相提高的一种组合集成系统,其定位精度高、可靠性好、性能强,系统的优势明显,应用领域更宽广,将会是导航研究的一个重点方向。


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