1 引 言
全球定位系統(tǒng)( GPS)具有全球覆蓋、全天候、實時導航、導航定位誤差不隨時間積累等優(yōu)點。但是，GPS衛(wèi)星信號容易受到人為干擾；在高動態(tài)環(huán)境下，將產生較大的衛(wèi)星信號跟蹤誤差， 不能滿足載體實時導航與制導要求。
慣性導航系統(tǒng)具有自主式、隱蔽性導航， 工作環(huán)境不受介質限制， 能提供豐富的導航信息， 以及導航數據輸出率高等優(yōu)點。
由于GPS 與慣導均存在其自身難于克服的缺陷。因此， 在實際工程應用中， GPS /慣導組合導航系統(tǒng)設計和應用較為廣泛。如圖1所示。GPS與慣導組合后的優(yōu)勢在于:
( 1)克服各自缺點， 取長補短， 組合導航精度高于兩個系統(tǒng)獨立工作的精度;( 2)提供利用GPS導航" title="GPS導航">GPS導航信息校正慣性傳感器的有效手段， 實現慣導系統(tǒng)在線校正;( 3)當載體機動或干擾使衛(wèi)星信號失鎖時， 可以暫時由慣導系統(tǒng)提供導航數據;( 4)慣導系統(tǒng)提供連續(xù)寬帶的位置、速度和姿態(tài)估計比單獨使用GPS的結果平滑;( 5)利用慣導系統(tǒng)速度信息輔助GPS接收機跟蹤環(huán)， 可以增大等效噪聲帶寬， 既保證在高動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星信號的穩(wěn)定跟蹤， 又提高接收機的抗干擾性能;( 6)組合系統(tǒng)有利于GPS衛(wèi)星信號的完整性監(jiān)測， 增強系統(tǒng)可靠性能和容錯能力;( 7)對于GPS 載波相位測量， 慣導系統(tǒng)提供的信息有利于GPS衛(wèi)星整周模糊度參量的快速解算，可以很好地解決周跳探測與修復問題， 并且降低至少4顆衛(wèi)星同步可觀測的要求;( 8)采用中、低精度的慣性儀表與GPS OEM 板集成， 不僅技術上容易實現， 滿足實際應用的精度要求， 而且設備研制成本低， 可以獲得較好的經濟效益。
圖1 GPS /慣導組合導航系統(tǒng)的互補性
2 GPS /慣導組合模式
依據不同的分類標準， GPS 與慣導系統(tǒng)有多種組合形式， 但其本質都是一致的。其中較為先進的是利用偽距和偽距率信息的緊耦合組合模式。如圖2所示， 緊耦合模式的優(yōu)點在于:
( 1) GPS與慣導系統(tǒng)集成， 實現硬件一體化， 導航計算精度高， 實際應用更為有效。
( 2)不需要同時跟蹤4 顆以上的衛(wèi)星， 才能進行組合導航計算。
( 3)使用一個卡爾曼濾波器， 當GPS 不能正常工作時， 慣導系統(tǒng)暫時提供導航參數。
圖2 GPS /慣導緊耦合模式原理框圖
3 緊耦合GPS /慣導組合系統(tǒng)硬件設計
GPS /慣導緊耦合系統(tǒng)硬件可以分為五個部分，其結構如圖3所示。
圖3 緊耦合GPS /S INS系統(tǒng)硬件組織設計圖
( 1)數據采集部分， 由GPS接收天線、GPS OEM板、陀螺儀、加速度計、數據采集卡和雙口RAM 組成。其中， 數據采集卡應具有不同的采樣頻率， 能夠同時采集模擬信號和數字信號， 由8051單片機加上一些外圍芯片組成的數據采集卡；也可以使用專用的GPS+ 慣導系統(tǒng)數據采集卡， 如TMS320C25數據采集卡。在GPS、慣導系統(tǒng)與導航數據處理器( CPU )之間的數據傳輸可以利用雙口RAM， 以實現數據的快速存取。
( 2)導航數據處理部分， 采用單片機(如80196單片機或8086 /8087單片機) ， 通過總線從ROM 中將應用程序調入導航處理器( CPU )進行數據處理，處理結果再次放回總線， 對慣性測量器件進行誤差補償、輔助GPS OEM 板的信號跟蹤環(huán)路、顯示導航信息、傳輸到控制系統(tǒng)和外部通信接口等。此外， 還負責系統(tǒng)部件的協(xié)調與管理， 維護系統(tǒng)的正常運行。
( 3)用戶界面部分是人機對話的工作平臺， 由液晶顯示器和輸入鍵盤組成， 顯示導航信息， 對導航系統(tǒng)進行人工干預。
( 4)電源部分， 由電源模板、電子模板、高壓甚高壓模板和配電系統(tǒng)構成， 為GPS OEM 板、慣導系統(tǒng)、數據采集卡、以及導航數據處理器等提供各種標準電源支持。
( 5)通信接口部分包括系統(tǒng)內部元件接口通信和系統(tǒng)與外部接口通信， 前者采用M IL STD1553總線；后者將外部測量數據傳入系統(tǒng)， 如氣壓測高數據、雷達測量數據等， 以對系統(tǒng)進行校正或多系統(tǒng)組合導航， 也可以將系統(tǒng)內部數據傳輸到其它設備。
4 緊耦合GPS /慣導組合系統(tǒng)軟件設計
GPS /慣導組合導航系統(tǒng)設備包括8 個軟件功能模塊， 各個功能模塊之間的連接如圖4所示:
( 1)系統(tǒng)啟動與自檢模塊， 負責系統(tǒng)設備開啟，檢測設備部件的運行狀況， 對異常情況及時報警， 提示工作人員給予相應的指示操作。
( 2)系統(tǒng)管理模塊， 負責系統(tǒng)設備的協(xié)調、管理、數據存儲與清理工作。
( 3)系統(tǒng)初始化模塊， 使用GPS 進行快速定位和姿態(tài)測定， 實現慣導系統(tǒng)的初始對準。
( 4)數字信號處理模塊， 負責GPS接收機的數字信號處理。
( 5)數據采集模塊， 負責GPS、慣導系統(tǒng)基本觀測量的數據提取， A /D轉換等工作。
( 6)數據傳輸模塊， 將GPS、慣導基本觀測量的數據傳輸到CPU， 進行導航數據處理， 將最終導航信息傳輸到導航顯示設備和控制系統(tǒng)等。
( 7)導航數據處理模塊， 負責各種導航算法的實現。
( 8)用戶界面模塊， 提供用戶界面， 具有顯示導航信息、數據查詢和錯誤提示等功能。
圖4 GPS /慣導組合導航系統(tǒng)軟件模塊化實現框圖
5 結束語
基于微處理器強大的計算和通信能力， 解決對主被動導航的多傳感器數據融合問題， 克服了GPS導航機動性能差、衛(wèi)星信號失鎖、慣導系統(tǒng)誤差隨時間漂移的主要缺點， 取長補短。使組合導航系統(tǒng)既增大了等效噪聲帶寬， 保證在高動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星信號的穩(wěn)定跟蹤， 又提高了接收機的抗干擾性能、系統(tǒng)可靠性能和容錯性能， 從而輸出平滑連續(xù)的導航信息。