王紀(jì)南,解春明,趙 剡,魯 浩

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191;2.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

多傳感器信息融合技術(shù)就是將多傳感器的測(cè)量信號(hào)加以綜合利用,最大限度地提取有用信息,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合,給出更正確的估計(jì)、識(shí)別和決策.本文提出采用高精度平臺(tái)主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀和高精度氣壓高度計(jì)等傳感器信息進(jìn)行融合.運(yùn)用信息融合技術(shù),合成目標(biāo)的多源信息,獲得比單一信源更精確的檢測(cè),以達(dá)到更完全的估計(jì)和判決,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).將多傳感器融合后的信息作為基準(zhǔn)信息,使評(píng)估基準(zhǔn)信息的精度更高,可靠性更強(qiáng).多傳感器信息融合技術(shù)在捷聯(lián)慣導(dǎo)評(píng)估專家系統(tǒng)得到應(yīng)用,起到提高系統(tǒng)評(píng)估精度,更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各被評(píng)估捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能、各環(huán)節(jié)算法、計(jì)算周期、時(shí)序、流程、試驗(yàn)環(huán)境等進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬分析和研究的作用[1-2].

1 捷聯(lián)慣導(dǎo)專家系統(tǒng)多傳感器信息融合方法設(shè)計(jì)

1.1 硬件組成

捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評(píng)估系統(tǒng)由試驗(yàn)總控系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),火控模擬系統(tǒng),高精度的平臺(tái)主慣導(dǎo)系統(tǒng),DGPS天線和接收機(jī),高分辨率的里程儀,高精度氣壓高度計(jì),組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī),信息采集 /存儲(chǔ)/處理計(jì)算機(jī)以及控制顯示單元等部分組成[3],如圖1所示.利用 DGPS的位置信息,高精度里程儀的速度信息,氣壓高度計(jì)的高度信息和平臺(tái)主慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合后,提供高精度的位置 /速度 /姿態(tài)信息,作為專家系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估基準(zhǔn).

1.2 多傳感器工作模式

在捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評(píng)估系統(tǒng)中,高精度平臺(tái)慣導(dǎo),高精度 GPS定姿定位系統(tǒng),高分辨率里程儀和高精度氣壓高度表等多傳感器的組成方式采用模塊化組合[3],系統(tǒng)各個(gè)模塊的安裝和拆卸簡(jiǎn)單易行,既能單獨(dú)工作,也可協(xié)同工作,工作模式可根據(jù)評(píng)估對(duì)象的要求任意組合,主要有以下幾種工作組合模式:

1)INS/DGPS;

2)INS/DGPS/高分辨率里程儀;

3)INS/DGPS/高分辨率里程儀 /高精度氣壓高度表;

4)INS/DGPS定姿定位系統(tǒng) /高分辨率里程儀 /高精度氣壓高度表.

1.3 多傳感器融合的實(shí)現(xiàn)和控制

信息融合過程原理如圖2所示.首先,對(duì)采集到的傳感器測(cè)量值進(jìn)行預(yù)處理;然后,將測(cè)量值轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)系下,進(jìn)行卡爾曼濾波處理.對(duì)處理之后的數(shù)據(jù)分出三路:一路發(fā)送回多傳感器數(shù)據(jù)的組網(wǎng)中,提供其他傳感器信息融合時(shí)所需信息;一路可直接轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系,作為本地傳感器的濾波結(jié)果;另一路用于和組網(wǎng)中其它傳感器傳出的有用信息進(jìn)行信息融合.最后,將各類數(shù)據(jù)融合結(jié)果總結(jié)處理得出局部融合結(jié)果,送入全局融合部分,再與其它局部融合結(jié)果進(jìn)行全局融合,得出系統(tǒng)所需融合信息.

1.3.1 傳感器量測(cè)值數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)

對(duì)傳感器量測(cè)值數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)和剔出野值,為融合提供合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).通常采用擬合預(yù)報(bào)法和差分檢測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)[3].

1.3.2 量測(cè)信息的時(shí)間和空間統(tǒng)一

在進(jìn)行融合時(shí),來自高精度平臺(tái)主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀,高精度氣壓高度計(jì)等傳感器的各種信息,其得到的量測(cè)數(shù)據(jù)一般均在各自的慣性坐標(biāo)系下,時(shí)間和空間并不統(tǒng)一,具有時(shí)空相對(duì)獨(dú)立性,因此首先需要進(jìn)行時(shí)空對(duì)準(zhǔn)和各自數(shù)據(jù)的預(yù)處理.對(duì)各自的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一,只有在統(tǒng)一的時(shí)間和和坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)才能進(jìn)行多傳感器的融合.如果不能很好地處理時(shí)空統(tǒng)一,使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,就會(huì)使數(shù)據(jù)處理精度大大下降,大大影響后繼信息處理的可信度.所以在信息融合中,應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn),然后利用相關(guān)算法進(jìn)行融合處理[3-5].

1)空間匹配算法

捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評(píng)估系統(tǒng)中的各傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)均在各自的慣性坐標(biāo)系下獲得,為避免組網(wǎng)內(nèi)各分布傳感器信息融合時(shí)復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算,在各傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)得到之初就統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到地心大地坐標(biāo)系下,進(jìn)行濾波和融合,這樣一方面可以減少運(yùn)算量,提高融合精度,另一方面方便了組網(wǎng)上各傳感器融合信息的直接獲取和利用.

傳感器本地北-天-東坐標(biāo)系與地心大地坐標(biāo)系存在以下轉(zhuǎn)換關(guān)系

其中:

式中:X E為地心地固坐標(biāo)系下觀測(cè)矢量;X NUE為本地坐標(biāo)系下觀測(cè)矢量;e為第一偏心率;Ae為大地橢球長(zhǎng)半軸.

2)時(shí)間匹配算法

在信息融合算法中,要求各傳感器信息在時(shí)間上嚴(yán)格同步,才能利用濾波算法,保證系統(tǒng)信息的精度.在本系統(tǒng)中,GPS接收機(jī)有很準(zhǔn)確的秒脈沖輸出,GPS的秒同步脈沖(1 PPS,每秒一個(gè)脈沖)和UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))秒點(diǎn)是對(duì)齊的,是非常精確的.GPS接收機(jī)嚴(yán)格地在每一個(gè) 1 PPS脈沖的邊沿時(shí)刻進(jìn)行一次偽距、偽距變化率、載波相位測(cè)量、GPS標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)、定位等測(cè)量,因此,可以認(rèn)為 GPS的數(shù)據(jù)更新頻率就是準(zhǔn)確的 1 Hz.主慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)更新周期 T INS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 s,在 10 ms以下,所以利用 GPS的1 PPS脈沖作為同步的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻,進(jìn)行融合數(shù)據(jù)的同步是很好的選擇.本文采用基于 GPS的 PPS秒脈沖和高精度晶振的一種軟硬件相結(jié)合的實(shí)時(shí)系統(tǒng)[6].

圖3 時(shí)間同步示意圖Fig.3 Schematic diagram of time synchronization

兩路數(shù)據(jù)的同步示意圖如圖3所示.圖中,長(zhǎng)豎線表示 GPS的 1 PPS脈沖,即 GPS數(shù)據(jù)更新點(diǎn);短豎線表示 INS數(shù)據(jù)更新時(shí)刻.從圖3中可以看出,在 GPS數(shù)據(jù)更新點(diǎn)上,INS沒有數(shù)據(jù)輸出.設(shè) INS和 GPS的同步時(shí)間差為Δt,故有 T INS=T GPS+Δt.

設(shè)置統(tǒng)一時(shí)標(biāo),GPS和 INS相對(duì)于該時(shí)標(biāo)計(jì)時(shí),以 GPS的第一次計(jì)時(shí)值作為時(shí)間起點(diǎn) (t=0),存儲(chǔ) INS的最新輸出時(shí)間,若在 INS的最新輸出時(shí)間 t s之后獲得 GPS的輸出,GPS的輸出時(shí)間為 t GPS,則慣導(dǎo)相對(duì)于 GPS的同步時(shí)間差為

式中:f k-1為同步時(shí)間差.

另外,依據(jù)圖3的各種時(shí)間節(jié)點(diǎn)的關(guān)系有

式中:Δtk為同步時(shí)間延遲量;Δfk為同步時(shí)間差.

因?yàn)?Nk為整周期數(shù),所以其可簡(jiǎn)化為

由于Δt0是 t=0時(shí)刻 INS相對(duì)于 GPS的時(shí)間遲后,可以測(cè)得.所以可以利用以上公式遞推得到fk,即得到各個(gè) INS輸出時(shí)間的同步差.

1.3.3 卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

采用聯(lián)邦濾波融合方案,如圖4所示.采用 INS的誤差方程和慣性器件的誤差方程組成組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程,以 DGPS提供的位置和里程儀提供的速度作為觀測(cè)量.利用 DGPS提供的位置校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置,利用高分辨率里程儀的速度來校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度.由局部濾波到全局濾波的融合算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、數(shù)據(jù)通訊少,便于實(shí)時(shí)執(zhí)行[7-8].

系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測(cè)方程的離散形式為

式中:X k為被估計(jì)的狀態(tài)變量;Z k為量測(cè)變量;

Φk+1,k為狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣;Hk為量測(cè)陣;Wk為系統(tǒng)激勵(lì)噪聲,其方差陣為 Qk;Vk為量測(cè)噪聲陣,其方差陣為R k.

初始狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特性為 E[X 0]=m x 0,var[X0]=P0.X 0,W k和 V k互不相關(guān).

設(shè)局部子濾波器的狀態(tài)估計(jì)分別為 X^1,X^2和 X^3,其對(duì)應(yīng)的估計(jì)誤差方差分別為 P^11,P^12和 P^13,則全局最優(yōu)估計(jì)為局部估計(jì)的線性組合,即

選擇待定系數(shù)矩陣 w1,w2和 w3,以使 X^為最小方差估計(jì),則

通過解算可知,全局最優(yōu)估計(jì)的誤差要小于局部估計(jì)的誤差,也就是說全局估計(jì)優(yōu)于每一個(gè)局部估計(jì).

2 仿真結(jié)果

本文對(duì)載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)包括高精度平臺(tái)主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀和高精度氣壓高度表.各傳感器子系統(tǒng)的更新頻率 (Hz)或測(cè)量間隔 (s)分別為:①主慣導(dǎo) 50 Hz;② DGPS接收機(jī) 1～ 2 s,高分辨率里程儀+高精度氣壓高度表1/4～ 1/2 s.假設(shè)載機(jī)以 45°航向角平飛,在 20～40 s的時(shí)間作盤旋機(jī)動(dòng),其余時(shí)間勻速飛行.對(duì)準(zhǔn)誤差均為 5′,在傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后,120 s的共同飛行期間,應(yīng)用卡爾曼濾波器專家系統(tǒng)進(jìn)行失準(zhǔn)角估計(jì),h E0,h L0的收斂速度較快,h u0的收斂速度較慢,在 120 s時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn),準(zhǔn)精度可以達(dá)到 0.3°以下[9-10].

3 結(jié) 論

本文所論述的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法,在捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評(píng)估系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,經(jīng)初步仿真試驗(yàn),利用系統(tǒng)中的多傳感器融合信息進(jìn)行濾波解算,能夠提高系統(tǒng)的評(píng)估基準(zhǔn)精度,從而提高整個(gè)專家系統(tǒng)的評(píng)估精度,更好地完成評(píng)估任務(wù),同時(shí)也為導(dǎo)航系統(tǒng)中的多傳感器信息融合提供了參考.

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