一、课题研究目的及意义

1. GPS 与 INS 的互补特性

以美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）为代表的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能够提供全球性、全天候的导航定位授时服务，并且精度高、误差不随时间积累，而且当使用载波相位观测值时，其精度可以达到厘米级。因此 GPS 现已广泛应用于经济建设和科学研究的各个领域，并在战场指挥救援、远程精确打击等军事领域发挥着重要作用。但是，GPS 也有其缺点，因为 GPS 需要利用从外界获得的信息进行导航定位，获得的信息中总会有一些是干扰信息，这样就会使 GPS定位不准确，所以，用 GPS 单独进行导航定位时定位精度也很难满足人们的需求，但是我们可以用 GPS 对其他导航系统进行辅助。

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）是 20 世纪初发展起来的导航技术，可输出包括姿态在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高，短期精度及稳定性好等特点而特别受到军方青睐，现已广泛应用于航空航天、航海及陆地导航等领域。INS 不需要任何来自外界的信息，有很强的自主性，其还有测量速度快和动态性能好等优点。但是由于加速度计零偏、陀螺零偏等误差源的影响，再加上 INS 本身的依靠对加速度和角速度积分得到位置、速度、姿态的工作模式，使得 INS 面临一个显著问题，即导航误差会随着导航时间的延长而迅速积累。

由以上分析可以看出，GPS 和 INS 具有良好的互补特性，所示。如果将两者组合起来，采用适当的导航信息融合技术，就可以实现在两个系统间取长补短的目的。一方面，使用 GPS 的误差不随时间积累的导航结果或观测数据来修正 INS 的导航结果，可以控制其误差随时间的迅速积累；另一方面，短时间内高精度、高稳定的 INS 导航结果又可以很好地解决 GPS 信号受到遮挡条件下的导航定位问题，而且更有利于发现 GPS观测值中的粗差，提高整个导航系统的鲁棒性；此外，组合导航还可以将 INS 的加速度计零偏、陀螺零偏等常值误差项估计出来并反馈校正 INS 的加速度计、陀螺输出，实现对 INS 的在线标定。因此，将GPS与INS 进行组合可以获得稳定可靠的、精度好、数据更新率高的三维位置、速度、姿态信息。

2.研究意义

GPS/INS 组合导航优势明显，无论是在军事领域还是在测绘领域的应用前景都极为广阔，但是目前国内研究与应用的整体水平与国外仍有较大差距，因此开展此方面的研究很有必要。从整体上讲，我国所生产的 INS 的精度与欧美国家还存在较大的差距，但是 INS属于重要的军事敏感设备，是西方国家对华武器禁运的重点，因此开展GPS/INS 组合导航的研究，可以通过GPS/INS 的组合优势弥补我国在 INS 上的差距。特别是随着我国的北斗卫星导航系统的迅速发展，开展 GPS/INS 组合导航的研究工作，可以为将来北斗与INS 组合打下良好的理论与实践基础。

二、国内外发展现状

透过组合导航技术发展的历程可以看到，早期的组合导航系统是以惯性导航系统为基础的工作方式，其工作方式从最初的重调方式，到后来运用经典的控制理论。直到 20 世纪 60 年代以后现代控制理论的出现，运用最优控制理论和卡尔曼滤波算法的设计，成为组合导航系统的核心工作方式。基于卡尔曼滤波算法的组合导航系统是将各个传感器提供的导航信息输入卡尔曼滤波器中，并应用卡尔曼滤波算法对信息进行融合处理，从而估计出惯性导航系统的误差，再利用反馈输出对惯性导航系统进行修正，使得惯性导航系统的误差最小，通常将基于卡尔曼滤波算法的组合导航系统称为最优组合导航系统。国外主要采用的 GPS/INS

的组合导航方式主要有以下几种：