全球導航衛星係統 (GNSS) 是一種衛星配置或星座，它向 GNSS 接收器提供衛星信號，可用於(yu) 計算位置、速度和時間。慣性導航係統（INS）使用由微機電係統（MEMS）慣性傳(chuan) 感器組成的慣性測量單元（IMU）來測量係統的角速率和加速度。可以使用先進的卡爾曼濾波估計技術將這兩(liang) 個(ge) 係統的測量結果組合起來，形成 GNSS 輔助 INS 係統 (GNSS/INS)。該組合係統能夠提供比獨立 GNSS 或 INS 係統更高精度的位置、速度和姿態估計，並且具有更好的動態性能。
GNSS/INS 係統通常包括 3 軸陀螺儀(yi) 、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(jue) 方案。這些傳(chuan) 感器中的每一個(ge) 都為(wei) GNSS/INS 係統提供不同的測量結果。
陀螺儀(yi) 和磁力計都為(wei) GNSS/INS 係統提供了與(yu) AHRS 相同的貢獻。陀螺儀(yi) 角速率測量集成用於(yu) 高更新率姿態解決(jue) 方案，而磁力計（如果使用）提供類似於(yu) 磁羅盤的航向參考。有關(guan) 這些傳(chuan) 感器的貢獻的更多信息可以在第 1.6節中找到。
GNSS/INS 係統中的加速度計可測量係統因運動引起的線性加速度和重力引起的偽(wei) 加速度。為(wei) 了獲得係統因運動而產(chan) 生的線性加速度，必須使用係統姿態的估計從(cong) 加速度計測量中減去重力引起的偽(wei) 加速度。然後可以將所得的線性加速度測量值積分一次以獲得係統的速度，積分兩(liang) 次以獲得係統的位置。然而，這些計算在很大程度上依賴於(yu) INS 保持準確的姿態估計，因為(wei) 姿態的任何誤差都會(hui) 導致計算的加速度出現誤差，從(cong) 而導致積分位置和速度的誤差。
GNSS 接收器使用 GNSS 衛星發送的導航消息並跟蹤偽(wei) 距和多普勒原始可觀測測量結果，為(wei) GNSS/INS 係統提供接收器的位置、速度和時間 (PVT)。這種無漂移 PVT 解決(jue) 方案用於(yu) 穩定加速度計和陀螺儀(yi) 積分提供的解決(jue) 方案。
INS 和 GNSS 都可以跟蹤係統的位置和速度。 INS 通常會(hui) 在短期內(nei) 減少誤差，但在較長時間內(nei) 會(hui) 產(chan) 生更大的、無限的誤差。相比之下，GNSS 在短期內(nei) 往往噪音較大，但可以在較長時間內(nei) 提供更高的穩定性。當兩(liang) 個(ge) 係統集成在一起時，GNSS 測量能夠調節 INS 誤差並防止其無限製增長。另一方麵，INS 可以提供高輸出速率的導航解決(jue) 方案，而 GNSS 導航解決(jue) 方案通常僅(jin) 以 1 Hz 到 10 Hz 之間的速率更新。 INS 解決(jue) 方案將這兩(liang) 個(ge) 係統的測量結果相結合，可以彌補 GNSS 更新之間的差距。 GNSS/INS 係統通常使用卡爾曼濾波器來跟蹤係統位置、速度、姿態的最佳估計，陀螺儀(yi) 偏置和加速度計偏置。
圖：1.19 GNSS/INS 組件圖
與(yu) AHRS 濾波器不同，不做出有關(guan) 僅(jin) 測量重力的加速度計的假設。俯仰和橫滾仍然是通過了解重力方向來確定的，但 GNSS 測量可以考慮動態運動對加速度計讀數的影響。結合跟蹤加速度計偏差的能力，GNSS/INS 係統中俯仰和橫滾的動態精度通常比 AHRS 高 1-2 個(ge) 數量級。
在足夠的動態運動下，GNSS/INS 通過稱為(wei) 動態對準的過程來確定航向。該係統將加速度計的加速度測量值與(yu) GNSS 接收器的位置和速度測量值相關(guan) 聯，並能夠通過這種比較準確地得出航向。
例如，考慮一個(ge) 加速度計，它測量係統在車輛的負 y 軸上加速，而 GNSS 報告係統正在向西加速，如圖 1.20 所示。將這兩(liang) 個(ge) 測量值關(guan) 聯在一起得出負 y 軸必須與(yu) 西對齊，因此係統必須指向北。
一些係統（主要是遺留係統）需要特定的運動模式來實現動態對準。但大多數現代係統所需的隻是任何類型的水平加速，例如起飛時沿跑道加速、繞街區行駛或以 8 字形飛行。事實上，大多數小型車輛隻需要達到適當的速度即可觸發動態對準；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，動態對齊的過程與(yu) 假設航向與(yu) 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，完全獨立於(yu) 地麵航向 (COG)。
圖：1.20 動態對齊
將 GNSS 和 INS 係統組合在一起時，可以使用幾種不同的集成架構來耦合兩(liang) 個(ge) 係統的測量結果。這些不同的方法通常稱為(wei) 鬆耦合、緊耦合和超緊耦合，如圖 1.21 所示。
(a) 鬆耦合 (b) 緊耦合(c) 超緊耦合
圖：1.21 GNSS/INS 耦合
鬆耦合的 GNSS/INS 係統架構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(jue) 方案與(yu) 使用擴展卡爾曼濾波器的 INS 導航解決(jue) 方案相結合。該濾波器使用 INS 測量來預測組合係統的位置、速度和姿態。然後使用 GNSS 測量來更新該預測並估計 INS 中的陀螺儀(yi) 偏差和加速度計偏差。這些估計的偏差用於(yu) 補償(chang) INS 中的原始陀螺儀(yi) 和加速度計測量結果，並提高其積分精度。在這種方法中，GNSS 接收器必須至少有四顆衛星處於(yu) 視野中，才能計算接收器的位置和速度，並將其發送到擴展卡爾曼濾波器。如果接收器視野內(nei) 的衛星少於(yu) 四顆，組合係統將出現 GNSS 中斷並默認使用 INS。
如圖 1.21b 所示，GNSS/INS 係統架構的緊耦合方法比鬆耦合設計的集成更加緊密。該方法不使用 GNSS 計算的完整導航解決(jue) 方案，而是利用原始 GNSS 偽(wei) 距和多普勒測量結果。如圖 1.21b 所示，原始 GNSS 測量結果與(yu) INS 導航解決(jue) 方案相結合，INS 導航解決(jue) 方案包含集成位置、速度和姿態測量結果到擴展卡爾曼濾波器中。由於(yu) 這種方法使用原始 GNSS 偽(wei) 距和多普勒測量而不是完整的 PVT 解決(jue) 方案，因此單個(ge) 衛星可以為(wei) 係統提供有用的 GNSS 更新。因此，緊耦合方法在僅(jin) 具有部分天空視圖或容易受到多路徑錯誤影響的應用中最有用，例如城市峽穀。
雖然緊耦合方法在能見度有限的環境中具有潛在優(you) 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）的異常值抑製和自適應調諧算法決(jue) 定了即使在城市峽穀中緊耦合是否真正具有任何優(you) 勢。如果鬆耦合和緊耦合濾波器都天真地考慮每個(ge) GNSS 測量結果，則兩(liang) 者的結果將是相同的。雖然可以在緊耦合場景中創建卓越的異常值拒絕算法，但實際上，許多緊耦合係統在頭對頭評估中遠遠低於(yu) 鬆耦合係統。
超緊密耦合的 GNSS/INS 係統架構是最緊密集成的方法，如圖 1.21c 所示。 INS 不是讓 GNSS 和 INS 作為(wei) 獨立係統發揮作用，而是用於(yu) 幫助驅動 GNSS 接收器的跟蹤環路，跟蹤從(cong) GNSS 衛星傳(chuan) 輸的載波信號。當衛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係統精度，並使接收器跟蹤多路徑信號而不是來自衛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(ye) 界的應用並不廣泛，因為(wei) 這樣的反饋回路會(hui) 引入新的係統不穩定性，並消除獨立 GNSS 和 INS 係統在鬆散或緊密耦合係統中提供的冗餘(yu) 。
雖然 GNSS 和 INS 作為(wei) 獨立係統所麵臨(lin) 的許多限製可以通過將它們(men) 組合在一起來緩解，但使用 GNSS 輔助 INS 係統仍然存在一些挑戰，包括在靜態或低動態情況下丟(diu) 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 係統在低動態或靜態情況下會(hui) 失去航向可觀測性，在這種情況下動態對準變得不可能。在短時間內(nei) 的低動態期間，INS 可以保持準確的航向（盡管不斷退化）（工業(ye) 級約為(wei) 1 分鍾）。大多數 GNSS/INS 係統依靠集成磁力計來繼續穩定航向，盡管 AHRS 係統中遇到的磁航向問題開始發揮作用。
GNSS/INS 係統麵臨(lin) 的另一個(ge) 挑戰是 GNSS 測量誤差的本質是非高斯和非零均值。非高斯誤差的分布與(yu) 鍾形曲線形狀不同，而非零均值誤差則包含均值不為(wei) 零的分布，類似於(yu) 圖 1.22。用於(yu) 推導卡爾曼濾波器最優(you) 性的一個(ge) 關(guan) 鍵假設是係統中的任何誤差都是高斯誤差和零均值誤差。由於(yu) GNSS 誤差違反了這一假設，因此在調整 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(hui) 給 GNSS/INS 係統帶來問題，並且可能因信號阻塞或信號幹擾而發生。從(cong) 建築物到樹葉等任何事物都可能導致 GNSS 信號阻塞，從(cong) 而阻止 GNSS 衛星傳(chuan) 輸的信號到達 GNSS 接收器，如圖 1.23 所示。信號幹擾是由幹擾引起的，並且可能是有意的，例如幹擾或欺騙的情況，也可能是無意的，例如對信號造成幹擾的無線電廣播信號。當 GNSS 發生中斷時，GNSS/INS 係統默認使用 INS，僅(jin) 依靠 IMU 傳(chuan) 感器來得出導航解決(jue) 方案。根據 IMU 傳(chuan) 感器的分類，單獨使用 INS 來確定導航解決(jue) 方案可能會(hui) 導致估計值在短時間內(nei) 出現較大漂移。
圖：1.23 GNSS 信號阻塞和多路徑
• 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航係統
• 3DM-CV7-INS 戰術級嵌入式慣性導航係統
• 3DM-GV7-INS 戰術級加固慣性導航係統
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