全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 是一種衛(wèi)星配置或星座，它向 GNSS 接收器提供衛(wèi)星信號，可用于計(jì)算位置、速度和時(shí)間。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）使用由微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性傳感器組成的慣性測量單元（IMU）來測量系統(tǒng)的角速率和加速度?？梢允褂孟冗M(jìn)的卡爾曼濾波估計(jì)技術(shù)將這兩個(gè)系統(tǒng)的測量結(jié)果組合起來，形成 GNSS 輔助 INS 系統(tǒng) (GNSS/INS)。該組合系統(tǒng)能夠提供比獨(dú)立 GNSS 或 INS 系統(tǒng)更高精度的位置、速度和姿態(tài)估計(jì)，并且具有更好的動態(tài)性能。
GNSS/INS 系統(tǒng)通常包括 3 軸陀螺儀、3 軸加速度計(jì)、GNSS 接收器，有時(shí)還包括 3 軸磁力計(jì)來估計(jì)導(dǎo)航解決方案。這些傳感器中的每一個(gè)都為 GNSS/INS 系統(tǒng)提供不同的測量結(jié)果。
陀螺儀和磁力計(jì)都為 GNSS/INS 系統(tǒng)提供了與 AHRS 相同的貢獻(xiàn)。陀螺儀角速率測量集成用于高更新率姿態(tài)解決方案，而磁力計(jì)（如果使用）提供類似于磁羅盤的航向參考。有關(guān)這些傳感器的貢獻(xiàn)的更多信息可以在第 1.6節(jié)中找到。
GNSS/INS 系統(tǒng)中的加速度計(jì)可測量系統(tǒng)因運(yùn)動引起的線性加速度和重力引起的偽加速度。為了獲得系統(tǒng)因運(yùn)動而產(chǎn)生的線性加速度，必須使用系統(tǒng)姿態(tài)的估計(jì)從加速度計(jì)測量中減去重力引起的偽加速度。然后可以將所得的線性加速度測量值積分一次以獲得系統(tǒng)的速度，積分兩次以獲得系統(tǒng)的位置。然而，這些計(jì)算在很大程度上依賴于 INS 保持準(zhǔn)確的姿態(tài)估計(jì)，因?yàn)樽藨B(tài)的任何誤差都會導(dǎo)致計(jì)算的加速度出現(xiàn)誤差，從而導(dǎo)致積分位置和速度的誤差。
GNSS 接收器使用 GNSS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航消息并跟蹤偽距和多普勒原始可觀測測量結(jié)果，為 GNSS/INS 系統(tǒng)提供接收器的位置、速度和時(shí)間 (PVT)。這種無漂移 PVT 解決方案用于穩(wěn)定加速度計(jì)和陀螺儀積分提供的解決方案。
INS 和 GNSS 都可以跟蹤系統(tǒng)的位置和速度。 INS 通常會在短期內(nèi)減少誤差，但在較長時(shí)間內(nèi)會產(chǎn)生更大的、無限的誤差。相比之下，GNSS 在短期內(nèi)往往噪音較大，但可以在較長時(shí)間內(nèi)提供更高的穩(wěn)定性。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)集成在一起時(shí)，GNSS 測量能夠調(diào)節(jié) INS 誤差并防止其無限制增長。另一方面，INS 可以提供高輸出速率的導(dǎo)航解決方案，而 GNSS 導(dǎo)航解決方案通常僅以 1 Hz 到 10 Hz 之間的速率更新。 INS 解決方案將這兩個(gè)系統(tǒng)的測量結(jié)果相結(jié)合，可以彌補(bǔ) GNSS 更新之間的差距。 GNSS/INS 系統(tǒng)通常使用卡爾曼濾波器來跟蹤系統(tǒng)位置、速度、姿態(tài)的最佳估計(jì)，陀螺儀偏置和加速度計(jì)偏置。
圖：1.19 GNSS/INS 組件圖
與 AHRS 濾波器不同，不做出有關(guān)僅測量重力的加速度計(jì)的假設(shè)。俯仰和橫滾仍然是通過了解重力方向來確定的，但 GNSS 測量可以考慮動態(tài)運(yùn)動對加速度計(jì)讀數(shù)的影響。結(jié)合跟蹤加速度計(jì)偏差的能力，GNSS/INS 系統(tǒng)中俯仰和橫滾的動態(tài)精度通常比 AHRS 高 1-2 個(gè)數(shù)量級。
在足夠的動態(tài)運(yùn)動下，GNSS/INS 通過稱為動態(tài)對準(zhǔn)的過程來確定航向。該系統(tǒng)將加速度計(jì)的加速度測量值與 GNSS 接收器的位置和速度測量值相關(guān)聯(lián)，并能夠通過這種比較準(zhǔn)確地得出航向。
例如，考慮一個(gè)加速度計(jì)，它測量系統(tǒng)在車輛的負(fù) y 軸上加速，而 GNSS 報(bào)告系統(tǒng)正在向西加速，如圖 1.20 所示。將這兩個(gè)測量值關(guān)聯(lián)在一起得出負(fù) y 軸必須與西對齊，因此系統(tǒng)必須指向北。
一些系統(tǒng)（主要是遺留系統(tǒng)）需要特定的運(yùn)動模式來實(shí)現(xiàn)動態(tài)對準(zhǔn)。但大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)所需的只是任何類型的水平加速，例如起飛時(shí)沿跑道加速、繞街區(qū)行駛或以 8 字形飛行。事實(shí)上，大多數(shù)小型車輛只需要達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣燃纯捎|發(fā)動態(tài)對準(zhǔn)；汽車在高速公路上行駛時(shí)的微小波動或塞斯納飛機(jī)在輕微湍流中的微小波動足以讓卡爾曼濾波器觀察航向。
請注意，動態(tài)對齊的過程與假設(shè)航向與速度矢量方向相同的過程不同。它是對車輛真實(shí)航向的測量，完全獨(dú)立于地面航向 (COG)。
圖：1.20 動態(tài)對齊
將 GNSS 和 INS 系統(tǒng)組合在一起時(shí)，可以使用幾種不同的集成架構(gòu)來耦合兩個(gè)系統(tǒng)的測量結(jié)果。這些不同的方法通常稱為松耦合、緊耦合和超緊耦合，如圖 1.21 所示。
(a) 松耦合 (b) 緊耦合(c) 超緊耦合
圖：1.21 GNSS/INS 耦合
松耦合的 GNSS/INS 系統(tǒng)架構(gòu)是最常見的集成方法。如圖 1.21a 所示，這種類型的集成將由位置、速度和時(shí)間組成的 GNSS 導(dǎo)航解決方案與使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器的 INS 導(dǎo)航解決方案相結(jié)合。該濾波器使用 INS 測量來預(yù)測組合系統(tǒng)的位置、速度和姿態(tài)。然后使用 GNSS 測量來更新該預(yù)測并估計(jì) INS 中的陀螺儀偏差和加速度計(jì)偏差。這些估計(jì)的偏差用于補(bǔ)償 INS 中的原始陀螺儀和加速度計(jì)測量結(jié)果，并提高其積分精度。在這種方法中，GNSS 接收器必須至少有四顆衛(wèi)星處于視野中，才能計(jì)算接收器的位置和速度，并將其發(fā)送到擴(kuò)展卡爾曼濾波器。如果接收器視野內(nèi)的衛(wèi)星少于四顆，組合系統(tǒng)將出現(xiàn) GNSS 中斷并默認(rèn)使用 INS。
如圖 1.21b 所示，GNSS/INS 系統(tǒng)架構(gòu)的緊耦合方法比松耦合設(shè)計(jì)的集成更加緊密。該方法不使用 GNSS 計(jì)算的完整導(dǎo)航解決方案，而是利用原始 GNSS 偽距和多普勒測量結(jié)果。如圖 1.21b 所示，原始 GNSS 測量結(jié)果與 INS 導(dǎo)航解決方案相結(jié)合，INS 導(dǎo)航解決方案包含集成位置、速度和姿態(tài)測量結(jié)果到擴(kuò)展卡爾曼濾波器中。由于這種方法使用原始 GNSS 偽距和多普勒測量而不是完整的 PVT 解決方案，因此單個(gè)衛(wèi)星可以為系統(tǒng)提供有用的 GNSS 更新。因此，緊耦合方法在僅具有部分天空視圖或容易受到多路徑錯(cuò)誤影響的應(yīng)用中最有用，例如城市峽谷。
雖然緊耦合方法在能見度有限的環(huán)境中具有潛在優(yōu)勢，但在晴空條件下通常沒有任何好處。此外，GNSS 接收器和 INS 采用（或不采用）的異常值抑制和自適應(yīng)調(diào)諧算法決定了即使在城市峽谷中緊耦合是否真正具有任何優(yōu)勢。如果松耦合和緊耦合濾波器都天真地考慮每個(gè) GNSS 測量結(jié)果，則兩者的結(jié)果將是相同的。雖然可以在緊耦合場景中創(chuàng)建卓越的異常值拒絕算法，但實(shí)際上，許多緊耦合系統(tǒng)在頭對頭評估中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于松耦合系統(tǒng)。
超緊密耦合的 GNSS/INS 系統(tǒng)架構(gòu)是最緊密集成的方法，如圖 1.21c 所示。 INS 不是讓 GNSS 和 INS 作為獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)揮作用，而是用于幫助驅(qū)動 GNSS 接收器的跟蹤環(huán)路，跟蹤從 GNSS 衛(wèi)星傳輸?shù)妮d波信號。當(dāng)衛(wèi)星和接收器相對移動時(shí)，INS 提供高速率反饋以維持跟蹤鎖定，即使跟蹤帶寬比獨(dú)立接收器中使用的跟蹤帶寬更窄。這種更窄的跟蹤帶寬提高了系統(tǒng)精度，并使接收器跟蹤多路徑信號而不是來自衛(wèi)星的真實(shí)直接信號的可能性大大降低。然而，超緊耦合方法在工業(yè)界的應(yīng)用并不廣泛，因?yàn)檫@樣的反饋回路會引入新的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，并消除獨(dú)立 GNSS 和 INS 系統(tǒng)在松散或緊密耦合系統(tǒng)中提供的冗余。
雖然 GNSS 和 INS 作為獨(dú)立系統(tǒng)所面臨的許多限制可以通過將它們組合在一起來緩解，但使用 GNSS 輔助 INS 系統(tǒng)仍然存在一些挑戰(zhàn)，包括在靜態(tài)或低動態(tài)情況下丟失航向信息、 GNSS 誤差是非高斯且非零均值的事實(shí)，以及 GNSS 中斷的可能性。
GNSS/INS 系統(tǒng)在低動態(tài)或靜態(tài)情況下會失去航向可觀測性，在這種情況下動態(tài)對準(zhǔn)變得不可能。在短時(shí)間內(nèi)的低動態(tài)期間，INS 可以保持準(zhǔn)確的航向（盡管不斷退化）（工業(yè)級約為 1 分鐘）。大多數(shù) GNSS/INS 系統(tǒng)依靠集成磁力計(jì)來繼續(xù)穩(wěn)定航向，盡管 AHRS 系統(tǒng)中遇到的磁航向問題開始發(fā)揮作用。
GNSS/INS 系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是 GNSS 測量誤差的本質(zhì)是非高斯和非零均值。非高斯誤差的分布與鐘形曲線形狀不同，而非零均值誤差則包含均值不為零的分布，類似于圖 1.22。用于推導(dǎo)卡爾曼濾波器最優(yōu)性的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)是系統(tǒng)中的任何誤差都是高斯誤差和零均值誤差。由于 GNSS 誤差違反了這一假設(shè)，因此在調(diào)整 GNSS/INS 卡爾曼濾波器以獲得最佳性能時(shí)必須格外小心。
圖：1.22 非高斯、非零均值分布
GNSS 中斷也會給 GNSS/INS 系統(tǒng)帶來問題，并且可能因信號阻塞或信號干擾而發(fā)生。從建筑物到樹葉等任何事物都可能導(dǎo)致 GNSS 信號阻塞，從而阻止 GNSS 衛(wèi)星傳輸?shù)男盘柕竭_(dá) GNSS 接收器，如圖 1.23 所示。信號干擾是由干擾引起的，并且可能是有意的，例如干擾或欺騙的情況，也可能是無意的，例如對信號造成干擾的無線電廣播信號。當(dāng) GNSS 發(fā)生中斷時(shí)，GNSS/INS 系統(tǒng)默認(rèn)使用 INS，僅依靠 IMU 傳感器來得出導(dǎo)航解決方案。根據(jù) IMU 傳感器的分類，單獨(dú)使用 INS 來確定導(dǎo)航解決方案可能會導(dǎo)致估計(jì)值在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大漂移。
圖：1.23 GNSS 信號阻塞和多路徑
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-CV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級嵌入式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-GV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級加固慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
