惯性导航系统(INS)与全球卫星定位系统(GPS).pdf

惯性导航系统（INS ）与全球卫星定位系统（GPS ） 1 摘要 目前飞行器所使用的导航系统，能适应全天候、全球性应用的确实不多。传统无 线电导航，如塔康（TACAN ）等，在应用上存有很多的限制和不便之处。而为 改善此缺点，一套不需要其它外来的辅助装置，就可提供所有的导航资料，让飞 行员参考的惯性导航系统（Inertial Navigation System ），虽已被成功发展并广为 应用，但其在系统上的微量位置误差会随飞行时间的平方成正比累积，因此长时 间飞行会严重影响到导航精确度，如果没有适当的修正，位置误差在一个小时内 会累积超过 300 米。另一套精密的导航系统 GPS，其误差虽不会随时间改变，但 GPS 并非万能，有优点，也有先天的缺陷，它在测量高机动目标时容易脱锁并且 会受到外在环境及电磁干扰，再者 GPS 短时间的相对误差量大于 INS，若只依 靠它来做导航或控制，会造成相反效果。所以在导航系统设计上，常搭配惯性系 统来使用，正巧 GPS 与 INS 有互补的作用，可经过一套运算法则，将两者优点 保留，去除缺点，本文即针对两种导航系统特性进行探讨，并利用卡尔曼滤波器 法则完成简易测量数据关系推导，设计一套“GPS/INS 组合式导航系统” 。 2 前言 早期舰船航行常利用“领航方法”来决定载体的位置及方向，观察陆地突出物，来 引导船身驶向某处目标。随着飞行器的问世，初期飞行也全凭借着飞行员对当时 自我方向、距离、高度及速度的感觉来控制驾驶，执行起飞、落地及飞机转场等 等动作。这种控制载体由一个地方到另一个地方其间方向与距离指示的艺术，就 称之为“导航” （Navigation ）。然而仅仅依循着人为的导航方式，在天气良好条件 下或周遭存有许多明显参考目标物时，单纯凭目视来判断飞行并不困难；但如果 遇上天气条件不佳、能见度差、参考目标不存在活不明显时，就得依靠飞行员的 经验、技巧及运气来进行方位及位置的判别，这无形中会造成飞行员的压力，更 会严重影响到飞行安全的诸多不确定因素。因此，人们就积极开发各种导航技术， 借着科技的快速发展与进步，导航的艺术也变得更多样化且精确可靠。 “导航科 学”可定义为“计算并决定一个载体的位置与预先设定的目的地的方向的一种应 用” 。 较先进的无线电导航，如罗兰（Loran ）、超高频全向装置（VOR ）、距离测量装 置（DME ）、塔康（TACAN ）及多普勒（Doppler ）等均相继被开发出来，成功 有效的帮助了航行者，提供导航重要的参考依据。然而，无线电系统毕竟尚有很 多限制和不便之处，如使用距离、地物遮蔽等均可能会造成功能失效。另外，无 线电导航其基本架构是需要“基地站”发射定位无线电信号，经飞机上的“接收机” 天线接收、处理及计算才能显示两点的关系，获得导航资料；只要其中一方失效 或无线电传输不良，即无法进行导航工作，这对在茫茫的空中飞行是一件非常危 险的事情。因此到上个世纪 50 年代，美国国防部认为有必要发展一套导航系统， 不需要其它外来的辅助装置，就可提供所有的导航数据资料，让飞行员参考。就 在当时，由麻省理工学院（MIT ）开发出第一套飞机使用的惯性导航系统（Inertial Navigation System ），此系统完全自我包容、为独立源、不受外界的环境影响即 可测量并提供所有的导航资料，包括载体的精确位置、对地速度、姿态与航向等， 提供给自动导航仪及飞行仪表（如地平仪及方位仪等）。由于惯性导航系统的功 能、尺寸大小、重量等特性远比其它导航系统要好，所以近年来 INS 始终能在 导航领域独占鳌头。 然而惯性导航系统所提供的位置信息，仍有少量的误差，虽然其误差变化很慢， 但位置误差的累积随飞行时间的平方成正比；因此对长时间飞行的导航精确度会 有所影响；如果没有适当的修正，位置误差在一小时之内会累积超过 300 米，所 以 INS 虽然是一种独立自主的工作系统，但仍有缺点，而造成误差的原因不外 与加速度计及陀螺仪的品质、重力场变化、起始位置、方位输入值及安装误差等 因素有关。当然系统本身的品质，因价格的不同，仍有很大的差异。由于 INS 主要误差源为陀螺仪的角速率漂移率及加速度计的偏差，且会因时间的累积而扩 大，因此若能采用某种设备，在一定时间内适当修正 INS 所造成的误差，一定 可以大幅度改善系统导航精确度。 到 60 年代，美国海军开发出一套 TRANSIT 导航卫星供舰船及