GPS/INS

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GPS

GPS全球定位系统(英语:Global Positioning System,通常简称GPS),又称全球卫星定位系统,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。

该系统由美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS,Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS,Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用,原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击,故在民用讯号中人为地加入选择性误差(即SA政策,Selective Availability)以降低其精确度,使其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。2000年以后,克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此,现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

GPS系统拥有如下多种优点:使用低频讯号,纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统,使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性,提高了其军事应用效能。

INS全程Inertial Navigation System,即惯性导航系统,有时也简称为惯性系统或惯性导航。惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。牛顿定律告诉人们:一个物体如果没有外力作用,将保持静止或匀速直线运动;而且,物体的加速度正比于作用在物体上的外力。如果能够测量得到加速度,那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位置的变化。

INS

惯性导航系统 原理   加速度计是一种用来测量物体运动加速度的仪表,一个惯性导航系统包含三个加速度计,每个加速度计能够敏感一个方向上的加速度,通常三个敏感方向互相垂直。为了参照惯性参考坐标系进行导航,必须对加速度计的指向进行跟踪。用陀螺可以敏感载体相对于惯性参考坐标系的旋转运动,这样就可以测定加速度计在所有时刻的指向。有了这些信息,便可将加速度分解到参考坐标系,然后进行积分。 定义   惯性导航系统是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据,可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动,同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。   不同于其他类型的导航系统,惯性导航系统是完全自主的,它既不向外部发射信号,也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起始时运载体的位置,惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。

GPS/INS 全球定位系统+惯性导航系统

进行GPS/INS组合的必要性

GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统,使用方便、成本低廉,其最新的实际定位精度已经达到5米以内。但是GPS系统军事应用还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。

INS系统则是利用安装在载体上的惯性测量装置(如加速度计和陀螺仪等)敏感载体的运动,输出载体的姿态和位置信息。INS系统完全自主,保密性强,并且机动灵活,具备多功能参数输出,但是存在误差随时间迅速积累的问题,导航精度随时间而发散,不能单独长时间工作,必须不断加以校准。

将GPS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短,构成一个有机的整体。GPS/INS组合制导的优势主要体现在:

GPS/INS组合改善了系统精度

高精度的GPS信息可以用来修正INS,控制其误差随时间的积累。利用GPS信息可以估计出INS的误差参数以及GPS接收机的钟差等量。另一方面,利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点,可以为GPS提供辅助信息。利用这些辅助信息,GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽,从而可以改善系统重新俘获卫星信号的能力。

GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力

当GPS信号受到高强度干扰,或当卫星系统接收机出现故障时,INS系统可以独立地进行导航定位。当GPS信号条件显著改善到允许跟踪时,INS系统向GPS接收机提供有关的初始位置、速度等信息,以供在迅速重新获取GPS码和载波时使用。INS系统信号也可用来辅助GPS接收机的天线对准GPS卫星,从而减小了干扰对系统的影响。

解决周跳问题

对于GPS载波相位测量,INS可以很好地解决GPS周跳和信号失锁后整周模糊度参数的重新解算,也降低了至少4颗卫星可见的要求。

解决GPS动态应用采样频率低的问题

在某些动态应用领域,高频INS数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置(如航空相机曝光瞬间的位置测定)。

用途更广

GPS/INS组合系统是GPS与INS互补的、互相提高的集成,而不是二者的简单结合。组合系统性能更强,应用领域更广。

正是由于这两套系统具有极好的互补性,不仅可以低成本提供全球精确导航,也可以满足军事应用对保密性的要求。

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