sins-gps不同组合模式适应性研究和验证

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1、SINS/GPS不同组合模式适应性研究和验证摘要：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)03-0003-060引言GPS与SINS的组合始于20世纪80年代初期

2、，其最初的组合模式为松组合(Looselycoupled)与紧组合(Tightlycoupled),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

3、为基础发展起来的SINS/GPS超紧组合(Ultra-tightlycoupled)和深组合(Deeplycoupled)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。1SINS/GPS不

4、同组合模式工作机理1.1SINS/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

5、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。1.2SINS/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

6、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。1.3SINS/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

7、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1〜2Hz,使抗干扰能力相对于无速率辅助情况提高约15dB甚至更咼O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