密結合は、堅牢かつ高精度なGNSS（全地球測位衛星システム）とINS（慣性航法システム）の統合に不可欠な、高度なデータ融合戦略です。このアプローチは、GNSSからの長期的な安定性とINSからの高レートかつ短期的な精度という両システムの強みを、通常カルマンフィルターである単一のエスティメーター内でコア測定値を直接融合することで組み合わせます。特にGNSS信号が部分的に遮断されたり劣化したりする場合に、パフォーマンスは劇的に向上します。
GNSS受信機は、複数の衛星から信号が伝播する時間を測定することで位置を決定します。このプロセスにより、衛星の可視性と配置に依存する精度で絶対位置を確定します。しかし、GNSSは都市の峡谷や森林のような環境では信号途絶の影響を受けやすく、データ欠損や測位喪失（ドリフト）につながります。
密結合システムは、補助信号パラメーターの測定値を使用してINSのドリフトを軽減します。疎結合システムと比較して、密結合はGNSSデータが不十分で位置を確定できない場合でも、INSのエラー状態を更新します。この状況は、4つ未満のGNSS衛星しか見えない場合に発生し、GNSS情報のみを使用して位置解を決定することが不可能になります。
疎結合システムでは、この状況は完全なデータ途絶を引き起こします。しかし、密結合システムは限られたGNSS測定値を使用できるため、INSのエラードリフトを部分的に軽減できます。
この目的を達成するために、密結合システムは、特にGNSS信号が遮られていない期間に焦点を当てて、IMU（慣性計測ユニット）をリアルタイムで校正する必要があります。この校正により、IMUバイアスの正確な知識が保証され、IMUがGNSS信号の将来の位置を予測するように訓練されます（予測モデリング）。
IMUがGNSS信号の有効性と精度を評価し、その予測に対応するGNSS信号を選択できるようにすることで、システムはIMUとGNSSの間に強力な接続を確立します。
緊密結合アーキテクチャ
タイトカップリングのコアコンセプトは、GNSS疑似距離と搬送波位相測定をカルマンフィルターの観測更新ステップで直接使用することです。これは、カルマンフィルターが完全に処理されたスタンドアロンのGNSS位置および速度ソリューションを使用するルーズカップリングからの大きな逸脱です。
タイトカップリングシステムでは、カルマンフィルターの状態ベクトルには通常、INS誤差状態が含まれます。
- 位置誤差 (δr)
- 速度誤差（δv)
- 姿勢誤差（δ𝛙）
- IMUセンサーのバイアス（加速度計とジャイロスコープ）
カルマンフィルターは、時間伝播（予測）ステップにINSメカニズム方程式を使用します。これにより、高レートのIMUデータを使用してINS状態が前方に伝播されます。
タイトカップリングの利点
タイトカップリングは、特にミッション後にすべてのセンサーデータが利用できるポストプロセッシングアプリケーションに、いくつかの強力な利点をもたらします。少なくとも4つのGNSS衛星からのソリューションを必要とするルースカップリングとは異なり、タイトカップリングは1つの可視衛星のみを必要とします。単一の疑似距離測定を使用すると、カルマンフィルターはINSドリフトを効果的に抑制する誤差補正ベクトルを導き出すことができます。この機能は、部分的に遮られた領域で不可欠です。
生のGNSS測定を利用することにより、フィルタリングは状態ベクトル内のGNSS受信機のクロックバイアスを直接モデル化および推定できます。この深いレベルの統合により、特にリアルタイムキネマティック（RTK）または精密単独測位（PPP）ポストプロセッシング技術のために搬送波位相測定を組み合わせる場合、より正確で精密な全体的なナビゲーションソリューションが得られます。
シームレスな統合補正プロセスにより、よりスムーズで一貫したナビゲーション品質が保証されます。アルゴリズムは、多くの場合ノイズの多いGNSS観測値で高精度のINSデータを最適に重み付けします。GNSS停止中、（継続的なバイアス推定により）適切にキャリブレーションされたINSは、優れたデッドレコニングソリューションを提供します。
ポストプロセッシングには、順方向および逆方向のフィルタリングが含まれます。データは最初に時系列順に処理されます（順方向フィルター）。次に、逆方向フィルターは、順方向の最終推定値を初期条件として使用して、データを逆方向に処理します。固定間隔スムーザー（例：Rauch-Tung-Striebelスムーザー）は、両方のフィルターからの結果を平滑化します。この平滑化ステップは、ミッション全体のタイムライン全体で利用可能なすべてのデータを活用して、最も正確で統計的に最適な軌道ソリューションを提供します。これにより、タイトカップリングは、マッピングや測量などの高精度アプリケーションのゴールドスタンダードになります。
