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，可用于計算位置、速度和時間。慣性導航系統(tǒng)（INS）使用由微機電系統(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。可以使用先進的卡爾曼濾波估計技術(shù)將這兩個系統(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)能夠提供比獨立 GNSS 或 INS 系統(tǒng)更高精度的位置、速度和姿態(tài)估計，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、GNSS 接收器，有時還包括 3 軸磁力計來估計導航解決方案。這些傳感器中的每一個都為 GNSS/INS 系統(tǒng)提供不同的測量結(jié)果。
陀螺儀和磁力計都為 GNSS/INS 系統(tǒng)提供了與 AHRS 相同的貢獻。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（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)中的加速度計可測量系統(tǒng)因運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)因運動而產(chǎn)生的線性加速度，必須使用系統(tǒng)姿態(tài)的估計從加速度計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，這些計算在很大程度上依賴于 INS 保持準確的姿態(tài)估計，因為姿態(tài)的任何誤差都會導致計算的加速度出現(xiàn)誤差，從而導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、速度和時間 (PVT)。這種無漂移 PVT 解決方案用于穩(wěn)定加速度計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，但可以在較長時間內(nèi)提供更高的穩(wěn)定性。當兩個系統(tǒng)集成在一起時，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航解決方案，而 GNSS 導航解決方案通常僅以 1 Hz 到 10 Hz 之間的速率更新。 INS 解決方案將這兩個系統(tǒng)的測量結(jié)果相結(jié)合，可以彌補 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，陀螺儀偏置和加速度計偏置。
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)運動對加速度計讀數(shù)的影響。結(jié)合跟蹤加速度計偏差的能力，GNSS/INS 系統(tǒng)中俯仰和橫滾的動態(tài)精度通常比 AHRS 高 1-2 個數(shù)量級。
在足夠的動態(tài)運動下，GNSS/INS 通過稱為動態(tài)對準的過程來確定航向。該系統(tǒng)將加速度計的加速度測量值與 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確地得出航向。
例如，考慮一個加速度計，它測量系統(tǒng)在車輛的負 y 軸上加速，而 GNSS 報告系統(tǒng)正在向西加速，如圖 1.20 所示。將這兩個測量值關(guān)聯(lián)在一起得出負 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)）需要特定的運動模式來實現(xiàn)動態(tài)對準。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，例如起飛時沿跑道加速、繞街區(qū)行駛或以 8 字形飛行。事實上，大多數(shù)小型車輛只需要達到適當?shù)乃俣燃纯捎|發(fā)動態(tài)對準；汽車在高速公路上行駛時的微小波動或塞斯納飛機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。它是對車輛真實航向的測量，完全獨立于地面航向 (COG)。
圖：1.20 動態(tài)對齊
將 GNSS 和 INS 系統(tǒng)組合在一起時，可以使用幾種不同的集成架構(gòu)來耦合兩個系統(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、速度和時間組成的 GNSS 導航解決方案與使用擴展卡爾曼濾波器的 INS 導航解決方案相結(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 INS 中的陀螺儀偏差和加速度計偏差。這些估計的偏差用于補償 INS 中的原始陀螺儀和加速度計測量結(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，才能計算接收器的位置和速度，并將其發(fā)送到擴展卡爾曼濾波器。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)計的集成更加緊密。該方法不使用 GNSS 計算的完整導航解決方案，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 導航解決方案相結(jié)合，INS 導航解決方案包含集成位置、速度和姿態(tài)測量結(jié)果到擴展卡爾曼濾波器中。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 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，但實際上，許多緊耦合系統(tǒng)在頭對頭評估中遠遠低于松耦合系統(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。當衛(wèi)星和接收器相對移動時，INS 提供高速率反饋以維持跟蹤鎖定，即使跟蹤帶寬比獨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，因為這樣的反饋回路會引入新的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，并消除獨立 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，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)對準變得不可能。在短時間內(nèi)的低動態(tài)期間，INS 可以保持準確的航向（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。用于推導卡爾曼濾波器最優(yōu)性的一個關(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致 GNSS 信號阻塞，從而阻止 GNSS 衛(wèi)星傳輸?shù)男盘柕竭_ 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 GNSS 發(fā)生中斷時，GNSS/INS 系統(tǒng)默認使用 INS，僅依靠 IMU 傳感器來得出導航解決方案。根據(jù) IMU 傳感器的分類，單獨使用 INS 來確定導航解決方案可能會導致估計值在短時間內(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 導航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航系統(tǒng)
? 3DM-CV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級嵌入式慣性導航系統(tǒng)
? 3DM-GV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級加固慣性導航系統(tǒng)
