張長輝??，魏旭冠

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

應用于復雜電磁環(huán)境下的一種新型船艇導航系統(tǒng)?

張長輝??，魏旭冠

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

復雜的電磁環(huán)境是未來信息化戰(zhàn)場最突出的特征，這樣的環(huán)境將會干擾現(xiàn)有依靠無線電波進行工作的導航系統(tǒng)。為有效解決船艇在復雜電磁環(huán)境下的導航問題，提出了一種以陸標定位為基礎的新型船艇導航系統(tǒng)。系統(tǒng)通過高清度攝像機和磁航向傳感器獲取觀測物標數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機解算，將位置信息顯示到電子海圖上。海上試驗情況表明，與傳統(tǒng)的陸標定位相比，本系統(tǒng)在定位時間、定位精度等方面具有明顯的優(yōu)越性，完全滿足軍事航海的要求，具有良好的軍事效益。

軍事航海；復雜電磁環(huán)境；船艇導航系統(tǒng)；陸標定位；高清度攝像機；磁航向傳感器

1 引言

復雜電磁戰(zhàn)場環(huán)境是信息化戰(zhàn)爭的產物。在信息化戰(zhàn)爭條件下，戰(zhàn)場感知、指揮控制手段的自動化、信息化程度越高，越有利于對戰(zhàn)場局勢的把握，越有利于指揮員做出及時準確的判斷決策，為贏得戰(zhàn)爭的勝利奠定基礎［1］。導航定位系統(tǒng)作為船艇戰(zhàn)場感知的重要內容，是保證船艇航渡安全、及時圓滿完成戰(zhàn)斗任務的前提和基礎保障。當前船艇上廣泛使用的GPS、羅蘭、“北斗”等無線電導航定位系統(tǒng)均對電磁波媒介的依賴程度很高，在復雜電磁環(huán)境下將受其影響，產生一定的定位誤差［2］。陸標定位是通過利用磁羅經(jīng)、六分儀，測定若干個所觀測物標的磁方位、物標之間的夾角大小以及物標高度來確定船位［3］，其定位原理是與電磁環(huán)境無關的平面幾何原理，但傳統(tǒng)的陸標定位采用人工觀測、手工繪算的方式，在紙制海圖上標繪船位點，所以定位速度緩慢，精度不高。隨著電子信息和傳感器技術的發(fā)展，陸標定位也可以逐漸向自動化、數(shù)字化方向發(fā)展。

本文提出了一種新的船艇導航系統(tǒng)，系統(tǒng)主要通過高清度攝像機和磁航向傳感器獲取觀測物標的方位以及兩物標的夾角等信息，由串口送至計算機處理，計算分析后可以得出船艇航行數(shù)據(jù)，包括航向、航速、經(jīng)緯度等。該系統(tǒng)的完成，可以有效地解決船艇在復雜電磁環(huán)境下的導航問題，也為當前許多船載的信息化作戰(zhàn)系統(tǒng)輸入相對準確的船位信息，因而有著良好的應用前景和軍事效益。

2 系統(tǒng)構成

新型船艇導航系統(tǒng)主要由“繪算部分”與“觀測部分”兩大部分組成［4］，其中觀測部分包括伺服平臺、圖像傳感設備、測角系統(tǒng)、推算系統(tǒng)等，繪算部分包括多源信息融合中心以及電子海圖上層軟件。其整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The system composition block diagram

圖1 中，圖像傳感設備和測角系統(tǒng)安裝在伺服平臺之上，整體固定安裝在船艇指揮臺上視野空曠的位置，圖像傳感設備用于采集并實時傳輸當前視景范圍內的圖像信息；伺服平臺用以控制圖像傳感設備的水平轉動和高低俯仰；測角系統(tǒng)用于對圖像傳感器中軸線當前所處位置的水平旋轉、高低俯仰等信息進行實時的采集與測量；推算系統(tǒng)安裝于伺服平臺底部的船艇首尾線方向上，用于檢測船艇首尾方向和左右舷方向上的累積對地位移，結合測角系統(tǒng)中磁航向傳感器所提供的航向信息［5］，從而計算出推算船位。

多源信息融合中心是一套以軍用工控機為平臺研制的集數(shù)據(jù)采集、處理與遠程控制于一體的硬件設施，安裝于駕駛室內，通過數(shù)據(jù)線路控制伺服平臺的旋轉和俯仰，而伺服平臺所承載的高分辨率圖像傳感設備的中心軸舷角、垂直高度角、當前船艇磁航向、視野場景數(shù)碼圖像等信息，也通過數(shù)據(jù)線路實時傳遞到多源信息融合中心，由安裝于軍用工控機內的采集卡和解碼器等設備完成船艇磁航向、物標舷角、數(shù)據(jù)圖像等信息的自動化處理，并在人工用鼠標標定基準點的情況下，迅速計算出當前船艇所處的位置，在電子海圖上自動標繪。系統(tǒng)設備組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設備組成Fig.2 The composition of equipment

3 測量物標夾角的基本原理

本系統(tǒng)在獲取物標之間的水平角時采用了“一次成像法”。所謂“一次成像法”就是針對小于70°的物標夾角，通過一次成像的方式，獲取兩個物標在同一幅數(shù)碼照片里所處的位置，通過計算，得到兩個物標之間的夾角。這種方法與傳統(tǒng)的測角法相比，能夠最大程度上消除分步測量所帶來的動態(tài)誤差，并且只需要兩個待測物標同時出現(xiàn)在成像范圍之內即可，對瞄準的準確度要求不高，卻能保證較好的測量精度?！耙淮纬上穹ā钡睦碚撏茖Э赏ㄟ^圖3說明。

圖3 一次成像法角度測量原理圖Fig.3 The principle of angle measurement with once imaging

圖3中，物標A、物標B與相機的相對位置關系如圖所示。利用相機對物標A、物標B進行一次成像，則圖中物標A、物標B在鏡頭后面底片上的成像點分別為A點和B點，假定這兩點與底片中心線之間的橫向距離分別為d2和d1，底片中心線到底片橫向外沿的距離為l，那么根據(jù)圖示不難得出

也

對應到相片中的場景，不難得到

式中，L為數(shù)碼相片橫向象素點數(shù)量，D1、D2為相片中物標點偏離相片中心線的象素點數(shù)量，β角可以預先測量得到。所以，要測量物標A、物標B相對于攝像機鏡頭的夾角大小，只需要在事先測得β角的前提下，從數(shù)碼相片上量出物標A、物標B的像偏離相片中心線的象素點值，即可根據(jù)上述公式計算出α角的大小。

4 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)硬件主要由伺服轉臺和固定模塊兩大部分組成。

4.1 伺服轉臺

伺服轉臺是本系統(tǒng)的核心部分，它安裝在船艇指揮臺視野空曠的位置，其主要作用是在船艇航行過程中承載由高清度透霧攝像機和紅外鏡頭組合而成的視頻系統(tǒng)快速、準確地指向燈塔、航標等助行標志，并實時回傳視頻中軸線相對于船首方向的夾角，為船艇進行快速定位提供關鍵信息。

伺服轉臺主要由方位座和俯仰包兩部分組成，包括方位軸系、俯仰軸系、驅動器、編碼器、軸承、匯流環(huán)、限位裝置、電子線路以及密封環(huán)節(jié)等。系統(tǒng)的總體結構如圖4所示。

圖4 轉臺模塊設計圖Fig.4 The design of turntable module

平臺的方位和俯仰傳動機構由支座、滾珠軸承、空心軸等組成，在其上安裝有電機轉子和角度測量單元，在俯仰傳動軸上固定有支架，用于安裝透霧攝像機和紅外鏡頭等組件。通過支架調整裝置進行調整以達到傳感器光軸與俯仰軸垂直。球型頭由方位軸支撐，其俯仰方向的旋轉由俯仰伺服傳動電機驅動。方位軸中嵌有小型匯流環(huán)，匯流環(huán)保證經(jīng)過方位機械傳動實現(xiàn)內外部電氣（電源、操控、狀態(tài)、視頻）信息的互連。方位、俯仰軸系通過密封環(huán)節(jié)嚴密水密，球形本身嚴格氣密，以保證內部各元器件的正常工作。

4.2 固定模塊

由于傳統(tǒng)的磁羅經(jīng)無法直接輸出航向電信號，若要提供航向信息，必須利用磁場傳感器直接敏感周圍磁場，把隨外界磁場變化的感應信號進行處理后，直接輸出羅經(jīng)航向，即電子磁羅經(jīng)。本系統(tǒng)中固定模塊指的就是電子磁羅經(jīng)及安裝在船艇首尾和正橫方向上的一組加速度計，分別用來傳感船艇羅航向和船艇水平加速度，以供推算船位使用。電子磁羅經(jīng)主要包括磁性傳感器（如圖5所示）和船載磁羅經(jīng)。

圖5 磁性傳感器Fig.5 The magnetic heading sensor

電子磁羅經(jīng)的核心部分是磁性傳感器，不同工作原理的磁傳感器構成了不同類型的羅經(jīng)。目前在航海上應用的磁性傳感器種類很多，主要有線圈式的、基于霍爾效應原理的、磁通門效應原理的、磁阻效應原理的和巨磁電阻效應原理的傳感器，它們可以檢測磁場的大小、方向，確定載體的角度、位置和位移等參量。本系統(tǒng)中采用EZ-COMPASS磁航向傳感器作為相機中軸線磁方位信息的傳感器，該型磁航向傳感器具備軟硬鐵補償算法，傾角重復精度0.05°，方位測量精度小于0.5°，能夠滿足航海繪算對物標磁方位精度的要求。

5 系統(tǒng)的軟件設計

軟件系統(tǒng)包括伺服轉臺中下位機軟件和多源信息融合中上位機軟件。下位機的軟件設計包括雙串口接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預處理、RS232數(shù)據(jù)通信，上位機軟件設計包括RS232端口的驅動程序和船位融合算法的實現(xiàn)。

5.1 軟件整體流程

本系統(tǒng)通過RS232通信實現(xiàn)下位機的數(shù)據(jù)和上位機數(shù)據(jù)交互。下位機軟件主要實現(xiàn)如下功能：根據(jù)不同的指令進行相應的操作控制；完成平臺內部的數(shù)據(jù)處理功能；建立RS232數(shù)據(jù)包發(fā)送所測數(shù)據(jù)。上位機軟件實現(xiàn)RS232接口的驅動，解算從磁傳感器和加速度計傳過來的數(shù)據(jù)和Kalman濾波器模型的建立。根據(jù)讀取的RS232數(shù)據(jù)包中的標識，判定該數(shù)據(jù)包是推算定位數(shù)據(jù)還是陸標定位數(shù)據(jù)，如果是推算定位數(shù)據(jù)則先將該數(shù)據(jù)包保存起來以便和陸標定位數(shù)據(jù)結合起來作為Kalman濾波器的輸入，之后進行推算定位數(shù)據(jù)解算；若是陸標定位數(shù)據(jù)，則將其和鄰近的推算定位數(shù)據(jù)結合起來進行Kalman濾波。上位機的程序流程如圖6所示。

圖6 上位機軟件流程圖Fig.6 The flow chart of software in computers

5.2 船位的融合算法模型

系統(tǒng)的定位方法有兩種，一種是通過推算船位，另一種是通過陸標定位。這兩種定位方法各有所長，并具有互補性，如將它們組合起來可形成優(yōu)勢互補，使定位在短期和長期精度上都有保證，但在組合定位中應用最廣泛的信息融合算法就是卡爾曼濾波［6］?；诳柭鼮V波的組合導航系統(tǒng)的總體結構如圖7所示。

圖7 卡爾曼濾波算法模型Fig.7 The model of Kalman filtering hybrid algorithm

其工作原理是：航跡推算系統(tǒng)利用磁航向傳感器、加速度計測量的航向和航速信息確定船艇的位置、航速和航向。當陸標定位定位條件好時，航跡推算系統(tǒng)和陸標定位導航信息都輸入綜合卡爾曼濾波器中，以航跡推算系統(tǒng)的誤差作為組合導航系統(tǒng)的狀態(tài)，通過卡爾曼濾波估計出航跡推算系統(tǒng)的誤差，然后用估計出的誤差修正航跡推算系統(tǒng)［7］。當陸標定位的條件不滿足時，轉入航跡推算系統(tǒng)單獨工作。由于經(jīng)組合濾波后測量元件的誤差己被校正，因此單獨使用航跡推算系統(tǒng)可以在較長時間內保持一定精度，并且系統(tǒng)整體精度比較高。

6 海上試驗與結果分析

本系統(tǒng)在海上試驗主要有兩個目的：一是通過本系統(tǒng)所測得船位與GPS所測得船位相比來檢驗誤差大小；二是通過本系統(tǒng)單獨使用陸標定位與綜合使用分別進行定位，與GPS測得船位相比，看誤差有多大，以檢驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合算法是否正確。為此，我們在舟山本島以東的中街山列島附近進行了海上試驗。試驗航行海區(qū)和計劃航線如圖8所示。

圖8 海上試驗航行海區(qū)及計劃航線Fig.8 The area and planned route of sea trials

試驗船艇08∶00從長途港出發(fā)，經(jīng)過40 min的航行，于08∶40到達試驗計劃航線的第一個航路點（φ30°12′08″N，λ122°25′17″E），按照計劃航向和航速航行，每隔30 s分別用GPS、本組合導航系統(tǒng)和本系統(tǒng)中單獨使用陸標定位，分別得出3條航跡線，如圖9所示，誤差曲線圖如圖10所示。

圖9 不同導航定位方法所測得的航跡圖Fig.9 The voyage chart with different navigation methods

圖10 誤差曲線圖Fig.10 The error curve

從圖10可知，采用本系統(tǒng)的誤差比單獨用陸標定位的方法有明顯的提高（采用本組合系統(tǒng)定位誤差在200 m以內，單個系統(tǒng)定位誤差在400 m以內）。本組合系統(tǒng)實時給出了船艇的位置信息，保證了定位的連續(xù)性，又達到了較高的精度。同時，組合系統(tǒng)在可靠性方面比單獨采用陸標定位的方法更有優(yōu)勢。

7 結論

針對復雜電磁環(huán)境下現(xiàn)有的船艇導航定位系統(tǒng)易受干擾等難題，本文提出并實現(xiàn)了一種以不受電磁干擾的傳統(tǒng)定位理論為基礎的新型船艇導航系統(tǒng)。海上實驗表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，程序結構設計合理，定位精度能夠滿足軍事航海上的要求。但研究中也發(fā)現(xiàn)，采用信息融合算法中采用傳統(tǒng)的卡爾曼濾波存在濾波發(fā)散傾向，這樣常使濾波器發(fā)散失去作用，從而影響定位精度，下一步將研究如何采用其他數(shù)據(jù)融合算法抑制濾波器發(fā)散的問題。

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ZHANG Chang-hui was born in Jixi，Anhui Province，in 1981.He received the M.S.degree from Wuhan University in 2010.He is now a lecturer.His research concerns watercraft maritime technology.

Email：stronglight＠163.com

魏旭冠（1963—），男，江蘇泰州人，1985年于上海海事學院獲學士學位，現(xiàn)為教授，主要從事計算機技術在軍事航海上的應用研究。

WEI Xu-guan was born in Taizhou，Jiangsu Province，in 1963. He received the B.S.degree from Shanghai Maritime College in 1963.He is now a lecturer.His research concerns application of computer technology in military navigation.

A New Watercraft Navigation System Applied in Complex Electromagnetic Environment

ZHANG Chang-hui，WEI Xu-guan
（Zhenjiang Watercraft College of PLA，Zhenjiang 212003，China）

Complex electromagnetic environment is the most outstanding characteristic of future informatization battle field，and it will interfere with the existing navigation system depending on the radio waves.In order to solve the problem of the navigation under the complex electromagnetic environment effectively，a new watercraft navigation system based on terrestrial fixing is proposed.The system captures the data of positioning objects through high definition camcorders and magnetic heading sensors，and then displays the information on the electronic chart after computer processing.The trial on the sea shows that the system goes far beyond the traditional terrestrial fixing in the aspect of time and accuracy.It can completely meet the requirement of military navigation and will definitely have good benefit.

military marine；complex electromagnetic environment；watercraft navigation system；terrestrial fixing；high definition camcorder；magnetic heading sensor

The Scientific Research Project of Weapon Equipment（［2008］447）

date：2013－04－02；Revised date：2013－06－24

武器裝備科研計劃資助項目（陸裝［2008］447號）

??通訊作者：stronglight＠163.comCorresponding author：stronglight＠163.com

TN967.7

A

1001－893X（2013）09－1126－05

張長輝（1981—），男，安徽績溪人，2010年于武漢大學獲碩士學位，現(xiàn)為講師，主要從事船艇航海技術研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.002

2013－04－02；

2013－06－24