1 引 言
全球定位系统( GPS)具有全球覆盖、全天候、实时导航、导航定位误差不随时间积累等优点。但是，GPS卫星信号容易受到人为干扰；在高动态环境下，将产生较大的卫星信号跟踪误差， 不能满足载体实时导航与制导要求。
惯性导航系统具有自主式、隐蔽性导航， 工作环境不受介质限制， 能提供丰富的导航信息， 以及导航数据输出率高等优点。
由于GPS 与惯导均存在其自身难于克服的缺陷。因此， 在实际工程应用中， GPS /惯导组合导航系统设计和应用较为广泛。如图1所示。GPS与惯导组合后的优势在于:
( 1)克服各自缺点， 取长补短， 组合导航精度高于两个系统独立工作的精度;( 2)提供利用GPS导航" title="GPS导航">GPS导航信息校正惯性传感器的有效手段， 实现惯导系统在线校正;( 3)当载体机动或干扰使卫星信号失锁时， 可以暂时由惯导系统提供导航数据;( 4)惯导系统提供连续宽带的位置、速度和姿态估计比单独使用GPS的结果平滑;( 5)利用惯导系统速度信息辅助GPS接收机跟踪环， 可以增大等效噪声带宽， 既保证在高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪， 又提高接收机的抗干扰性能;( 6)组合系统有利于GPS卫星信号的完整性监测， 增强系统可靠性能和容错能力;( 7)对于GPS 载波相位测量， 惯导系统提供的信息有利于GPS卫星整周模糊度参量的快速解算，可以很好地解决周跳探测与修复问题， 并且降低至少4颗卫星同步可观测的要求;( 8)采用中、低精度的惯性仪表与GPS OEM 板集成， 不仅技术上容易实现， 满足实际应用的精度要求， 而且设备研制成本低， 可以获得较好的经济效益。
图1 GPS /惯导组合导航系统的互补性
2 GPS /惯导组合模式
依据不同的分类标准， GPS 与惯导系统有多种组合形式， 但其本质都是一致的。其中较为先进的是利用伪距和伪距率信息的紧耦合组合模式。如图2所示， 紧耦合模式的优点在于:
( 1) GPS与惯导系统集成， 实现硬件一体化， 导航计算精度高， 实际应用更为有效。
( 2)不需要同时跟踪4 颗以上的卫星， 才能进行组合导航计算。
( 3)使用一个卡尔曼滤波器， 当GPS 不能正常工作时， 惯导系统暂时提供导航参数。
图2 GPS /惯导紧耦合模式原理框图
3 紧耦合GPS /惯导组合系统硬件设计
GPS /惯导紧耦合系统硬件可以分为五个部分，其结构如图3所示。
图3 紧耦合GPS /S INS系统硬件组织设计图
( 1)数据采集部分， 由GPS接收天线、GPS OEM板、陀螺仪、加速度计、数据采集卡和双口RAM 组成。其中， 数据采集卡应具有不同的采样频率， 能够同时采集模拟信号和数字信号， 由8051单片机加上一些外围芯片组成的数据采集卡；也可以使用专用的GPS+ 惯导系统数据采集卡， 如TMS320C25数据采集卡。在GPS、惯导系统与导航数据处理器( CPU )之间的数据传输可以利用双口RAM， 以实现数据的快速存取。
( 2)导航数据处理部分， 采用单片机(如80196单片机或8086 /8087单片机) ， 通过总线从ROM 中将应用程序调入导航处理器( CPU )进行数据处理，处理结果再次放回总线， 对惯性测量器件进行误差补偿、辅助GPS OEM 板的信号跟踪环路、显示导航信息、传输到控制系统和外部通信接口等。此外， 还负责系统部件的协调与管理， 维护系统的正常运行。
( 3)用户界面部分是人机对话的工作平台， 由液晶显示器和输入键盘组成， 显示导航信息， 对导航系统进行人工干预。
( 4)电源部分， 由电源模板、电子模板、高压甚高压模板和配电系统构成， 为GPS OEM 板、惯导系统、数据采集卡、以及导航数据处理器等提供各种标准电源支持。
( 5)通信接口部分包括系统内部元件接口通信和系统与外部接口通信， 前者采用M IL STD1553总线；后者将外部测量数据传入系统， 如气压测高数据、雷达测量数据等， 以对系统进行校正或多系统组合导航， 也可以将系统内部数据传输到其它设备。
4 紧耦合GPS /惯导组合系统软件设计
GPS /惯导组合导航系统设备包括8 个软件功能模块， 各个功能模块之间的连接如图4所示:
( 1)系统启动与自检模块， 负责系统设备开启，检测设备部件的运行状况， 对异常情况及时报警， 提示工作人员给予相应的指示操作。
( 2)系统管理模块， 负责系统设备的协调、管理、数据存储与清理工作。
( 3)系统初始化模块， 使用GPS 进行快速定位和姿态测定， 实现惯导系统的初始对准。
( 4)数字信号处理模块， 负责GPS接收机的数字信号处理。
( 5)数据采集模块， 负责GPS、惯导系统基本观测量的数据提取， A /D转换等工作。
( 6)数据传输模块， 将GPS、惯导基本观测量的数据传输到CPU， 进行导航数据处理， 将最终导航信息传输到导航显示设备和控制系统等。
( 7)导航数据处理模块， 负责各种导航算法的实现。
( 8)用户界面模块， 提供用户界面， 具有显示导航信息、数据查询和错误提示等功能。
图4 GPS /惯导组合导航系统软件模块化实现框图
5 结束语
基于微处理器强大的计算和通信能力， 解决对主被动导航的多传感器数据融合问题， 克服了GPS导航机动性能差、卫星信号失锁、惯导系统误差随时间漂移的主要缺点， 取长补短。使组合导航系统既增大了等效噪声带宽， 保证在高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪， 又提高了接收机的抗干扰性能、系统可靠性能和容错性能， 从而输出平滑连续的导航信息。