李瑞濤劉 剛石志興2王 朕(.海軍航空工程學(xué)院控制工程系煙臺264002.北京自動化控制設(shè)備研究所北京00074)

快速定位定向系統(tǒng)設(shè)計及車載實驗研究

李瑞濤1，劉 剛1，石志興2，王 朕1
(1.海軍航空工程學(xué)院控制工程系，煙臺264001；2.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074)

定位定向系統(tǒng)是能為載體提供精確地理位置坐標、指北方向和姿態(tài)角的導(dǎo)航系統(tǒng)，通常用于艦船、飛機、車輛等功能平臺，為平臺上的設(shè)備提供準確的位置和姿態(tài)參考信息。本文針對車載平臺機動性高的特點，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)運動中對準的快速定位定向系統(tǒng)，開展捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)字遞推算法、航位推算、多源信息組合導(dǎo)航、動基座對準算法、系統(tǒng)免標定、誤差補償?shù)人惴ê图夹g(shù)研究。最后，開展靜態(tài)對準、靜態(tài)導(dǎo)航和動態(tài)車載實驗研究。實驗結(jié)果表明，動態(tài)對準時間小于5min，對準姿態(tài)精度小于1mil，方位保持精度小于1mil／2h，橫滾角、俯仰角保持精度小于0.5mil／2h，里程計／慣導(dǎo)組合水平定位精度小于0.15%D，衛(wèi)星／慣導(dǎo)組合水平定位精度小于10m。

定位定向；捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；航位推算；組合導(dǎo)航；初始對準

0 引言

車輛定位定向技術(shù)是利用定位定向傳感器實時獲取車輛位置和姿態(tài)信息的技術(shù)。車載定位定向系統(tǒng)能夠引導(dǎo)車輛行駛，并為車載設(shè)備提供準確的地理坐標、北向方位和姿態(tài)角參考信息，廣泛應(yīng)用于軍事裝備中。軍事上，固定陣地武器平臺性能好、功能全面，但容易被敵方偵察到并摧毀。為提高武器裝備的戰(zhàn)場生存和作戰(zhàn)能力，各國軍隊列裝了大量機動岸防、防空、偵察、預(yù)警與電子對抗平臺，如自行火炮發(fā)射車、增程火箭炮、導(dǎo)彈發(fā)射車、指揮車、電子對抗車等。作戰(zhàn)平臺由固定陣地和預(yù)設(shè)陣地向隨機使用的轉(zhuǎn)變，要求平臺自身必須具備感知空間位置與方位的能力，可在靜止或機動過程中完成對準，并提供完整的滿足精度要求的導(dǎo)航信息。

按技術(shù)方案分類，車載定位定向系統(tǒng)可分為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、航位推算系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、捷聯(lián)慣導(dǎo)與多源信息(GNSS、里程計、高度表、地磁、重力、地理信息等)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。其中，捷聯(lián)慣導(dǎo)與多源信息組合導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱多源系統(tǒng))因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、可維修性強、使用方便，是目前定位定向系統(tǒng)的主要方案，特別是不依賴外部信息的多源自主導(dǎo)航系統(tǒng)。

國外陸用定位定向系統(tǒng)研究始于20世紀50年代。到20世紀90年代，已有大量定位定向系統(tǒng)裝備部隊［3?5］，例如：法國SIGMA30系統(tǒng)、美國數(shù)字化旅的俠士155自行火炮、以色列LANSMKIV地面導(dǎo)航系統(tǒng)等。90年代之后，國外定位定向系統(tǒng)結(jié)合新技術(shù)出現(xiàn)，處于不斷完善的階段。國內(nèi)陸用定位定向系統(tǒng)研究始于20世紀80年代，研制單位有清華大學(xué)、國防科技大學(xué)等，最早研制了基于液浮陀螺或撓性陀螺的平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并成規(guī)模裝備部隊。到21世紀國內(nèi)光學(xué)陀螺技術(shù)成熟后，開始研制基于激光陀螺或光纖陀螺的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。

本文針對各軍種電子對抗和偵察車輛，設(shè)計快速定位定向系統(tǒng)，以滿足電子對抗和偵察車輛靈活機動、快速定位定向的需求，最后開展車載實驗研究，驗證系統(tǒng)的各項性能指標。

1 系統(tǒng)組成

定位定向設(shè)備組成包括：光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元、里程計、高度計、北斗接收機、導(dǎo)航計算機，以捷聯(lián)慣導(dǎo)信息為主，綜合里程計、北斗、地理信息等，采用Kalman濾波技術(shù)實現(xiàn)信息的最優(yōu)綜合以獲得導(dǎo)航定位參數(shù)。其中，慣性導(dǎo)航單元由光纖陀螺、加速度計、信息處理電路、電源、結(jié)構(gòu)與電氣、軟件組成，里程計、高度表、北斗用戶機均外置。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中，光纖陀螺零偏穩(wěn)定性為0.01(°)／h，標度因數(shù)穩(wěn)定性為3×10－5；石英撓性加速度計零偏穩(wěn)定性為20μg，標度因數(shù)穩(wěn)定性為3×10－5；電子里程計輸出正反兩路脈沖，轉(zhuǎn)動一圈輸出120個脈沖信號；氣壓高度計測量精度為10m；北斗接收機可以同時接收GPS、Glonass、BeiDou?2民碼信號，水平定位精度優(yōu)于10m。

此外，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)側(cè)面設(shè)置了姿態(tài)基準棱鏡，用于在車載平臺上安裝時，借助光學(xué)儀器，使得車輛坐標系和慣導(dǎo)敏感軸對齊；另一方面也可以借助光學(xué)儀器，完成對其他車輛或系統(tǒng)的方位與位置傳遞。

系統(tǒng)實物如圖2所示，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組裝圖如圖3所示。

系統(tǒng)電壓輸入為18V～36V，工作電流小于3A，使用RS422串口輸出導(dǎo)航信息。

2 關(guān)鍵導(dǎo)航算法

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過陀螺儀敏感轉(zhuǎn)動，建立數(shù)學(xué)平臺，通過加速度計敏感加速度，經(jīng)過積分后得到速度和位置，由于慣性器件誤差漂移的存在，慣導(dǎo)系統(tǒng)短時精度高，長時間導(dǎo)航誤差呈指數(shù)發(fā)散；氣壓高度表測量高度差、里程計測量載車的速度和總路程，能夠?qū)T導(dǎo)速度、位置發(fā)散進行約束，進一步對姿態(tài)發(fā)散進行約束，是慣導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)長時間自主定位定向的重要保障；北斗用戶機可用于和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行組合導(dǎo)航，也可以作為路標點與慣性／里程計組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用［2］。至此，本文算法設(shè)計的思路是以高精度慣導(dǎo)為中心，利用外圍傳感器信息來有效約束慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差發(fā)散，實現(xiàn)長時間高精度定位定向功能。

本文用到的坐標系有地心慣性坐標系(i系)、地球坐標系(e系)、導(dǎo)航坐標系(n系)和載體坐標系(b系)，其定義詳見文獻[1]。

2.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)字遞推算法

與平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)建立機械平臺不同，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)采集陀螺的角速率信息，利用導(dǎo)航計算機計算姿態(tài)矩陣，實時在計算機內(nèi)構(gòu)造數(shù)學(xué)平臺，利用該數(shù)學(xué)平臺，將加速度計測量值投影到地理坐標系中，經(jīng)過積分后得到速度和位置信息。因此，捷聯(lián)式慣導(dǎo)算法通常分為姿態(tài)更新、速度更新和位置更新3個步驟完成，而姿態(tài)更新對于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)尤其重要［6］。

本文中，姿態(tài)更新使用旋轉(zhuǎn)矢量方法實現(xiàn)，對圓錐誤差優(yōu)化補償后，得到雙子樣更新算法，有效解決了旋轉(zhuǎn)中不可交換性誤差的問題；速度更新算法引入劃船誤差補償，解決了載體在既有線振動又存在角振動環(huán)境中引入的速度誤差問題；位置更新算法中引入渦卷誤差補償，消除載體做劃船運動時引入的位置解算誤差［1，6?8］。

2.2 航位推算算法

航位推算使用三軸陀螺和里程計作為傳感器，得到姿態(tài)和里程信息后，用于推算載車相對于起始點的相對位置。通常，里程計輸出采樣時段內(nèi)行駛的路程增量，陀螺輸出采樣時段內(nèi)的角增量。航位推算由位置更新算法和姿態(tài)更新算法組成，原理與捷聯(lián)慣性解算相似［9］。

假設(shè)車輛緊貼路面行駛，沒有發(fā)生彈跳和側(cè)滑，里程計輸出沿車輛主軸方向的速度大小，選取里程計坐標系m系，其原點位于地面，x?y?z軸分別指向載車右?前?上，則里程計輸出在m系表示為：

其中，vD為里程計測量的速度大小。假設(shè)慣導(dǎo)敏感軸與m系重合，即b和m系重合，假設(shè)從b系到n系轉(zhuǎn)換矩陣已知，則里程計輸出在地理系中表示為：

經(jīng)過積分后，即可得到航位推算位置更新算法：

航位推算姿態(tài)更新算法和捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)更新算法類似，唯一不同在于使用航位推算的速度代替捷聯(lián)慣導(dǎo)解算的速度，用于計算導(dǎo)航坐標系的轉(zhuǎn)動，由于航位推算的速度誤差不發(fā)散，因此航位推算姿態(tài)更新算法擁有更高的精度。

2.3 多源信息組合導(dǎo)航算法

慣導(dǎo)系統(tǒng)不依賴外部信息，是自主導(dǎo)航系統(tǒng)的理想方案，但其導(dǎo)航誤差隨時間累積，且呈指數(shù)發(fā)散。定位定向車輛通常需要長時間工作，僅用慣導(dǎo)系統(tǒng)無法滿足精度需求。利用外部測量信息和慣導(dǎo)信息融合，能有效修正或約束慣導(dǎo)誤差，本系統(tǒng)中外部信息有里程計測量的里程信息、高度表測量的高度信息、北斗接收機測量的位置速度信息。

里程計和高度表不容易受干擾，但誤差緩慢發(fā)散，有偏系統(tǒng)；北斗接收機測量無偏，但容易受干擾。設(shè)計組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以使用慣導(dǎo)分別與里程計、高度表、衛(wèi)星組合濾波，然后再用聯(lián)邦Kalman濾波算法對子濾波器結(jié)果進行綜合。該方案子系統(tǒng)之間不相互干擾，系統(tǒng)魯棒性強，但算法復(fù)雜且運算量大。在使用高精度慣導(dǎo)的情況下，系統(tǒng)誤差發(fā)散緩慢，由慣導(dǎo)、航位推算、衛(wèi)星導(dǎo)航解算的姿態(tài)、速度、位置相近，因此可以使用一個擴展Kalman濾波器實現(xiàn)慣導(dǎo)／里程計／高度表／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度，增加使用的靈活性。

根據(jù)各個系統(tǒng)的需求，擴展Kalman濾波器的狀態(tài)量選擇為：

狀態(tài)量分別為三維姿態(tài)誤差、速度誤差、位置誤差、陀螺零偏誤差、加速度計零偏誤差、鐘差、鐘漂。狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程根據(jù)各誤差的定義來設(shè)置。

觀測量分別為航位推算位置誤差、高度表高度誤差、衛(wèi)星導(dǎo)航偽距誤差。當某個分系統(tǒng)失效時，則去除相應(yīng)的觀測量，如此便可靈活地實現(xiàn)各種組合方式，典型的如慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航、慣性／里程計／高度表組合導(dǎo)航等。

2.4 動基座對準算法

慣導(dǎo)系統(tǒng)工作之前要對其姿態(tài)、速度、位置進行初始化(對準)，初始化精度越高，則純慣性導(dǎo)航誤差發(fā)散越慢。通常慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準分為粗對準和精對準兩個階段。

粗對準利用重力矢量和地球自轉(zhuǎn)矢量，通過解析的方法求取初始姿態(tài)矩陣，矩陣形式為：

粗對準結(jié)束后，通常使用Kalman濾波器開始靜基座精對準。但存在兩個問題，一是載車要求靜止，限制了機動性能；二是航向角可觀測性差導(dǎo)致收斂速度慢且精度一般。在靜基座精對準過程中，俯仰角和橫滾角收斂快，而航向角收斂慢。針對這一特點，本文的精對準思路是：粗對準結(jié)束后，先用靜基座Kalman濾波器進行精對準，約30s俯仰角和橫滾角收斂后，載車開始行駛，利用慣導(dǎo)軌跡與航位推算軌跡相似性實現(xiàn)航向角對準［6，10?11］：

其中，Δ~Sh是起始點到終點的航位推算水平面內(nèi)位移，ΔSh是起始點到終點的真實水平面內(nèi)位移(由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機給出)，φDU為航向角誤差，對航向角進行修正后即完成了航向角精對準，終點到起始點的位移越大，則航向角對準精度越高。

3 誤差補償算法

3.1 杠桿臂補償

當衛(wèi)星導(dǎo)航天線、慣導(dǎo)坐標原點、里程計坐標原點不重合，載車發(fā)生轉(zhuǎn)動時，將引起各子系統(tǒng)位移不一致而將誤差引入系統(tǒng)中。因此，需要對杠桿臂進行誤差補償。以北斗衛(wèi)星天線與慣導(dǎo)之間的杠桿臂為例，設(shè)從慣導(dǎo)坐標原點到衛(wèi)星天線中心的杠桿臂向量為lb，則慣導(dǎo)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間速度、位置關(guān)系為：

其中，Mpv是僅與緯度有關(guān)的常值轉(zhuǎn)換矩陣。

3.2 免標定技術(shù)

本文設(shè)計的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航、航位推算功能正常時，能夠估計陀螺零位、加速度計零位、里程計誤差系數(shù)等標定參數(shù)，并寫入flash存儲，實現(xiàn)自標定功能，具有實用意義。

4 實驗驗證

為了驗證本文設(shè)計的定位定向系統(tǒng)性能，在實驗室環(huán)境開展了靜態(tài)對準、靜態(tài)導(dǎo)航實驗，之后開展動態(tài)跑車實驗。

4.1 靜基座對準實驗

將慣導(dǎo)放置在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺分別旋轉(zhuǎn)至1～4象限，每個位置進行6次靜基座對準實驗，對準結(jié)果如表1所示。

6次對準結(jié)果取均值，得到1～4象限對準誤差依次為：0.1737mil、0.4239mil、0.2754mil、0.3598mil，誤差均值為0.4239mil。

4.2 靜態(tài)導(dǎo)航實驗

調(diào)整轉(zhuǎn)臺傾角為0°，在水平方向均勻選取6個方位，作為測試方位依次進行。設(shè)備通電，進行初始對準，對準結(jié)束后進入導(dǎo)航狀態(tài)，記錄初始方位角和水平姿態(tài)角。每隔10min轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺方位10°、俯仰轉(zhuǎn)動5°后回到當前初始位置，查看轉(zhuǎn)動過程中方位和姿態(tài)變化情況，每20min記錄一次方位角和水平姿態(tài)角。在一個方位上連續(xù)工作2h后，在進行下一個方位的測量。實驗結(jié)果如表2～表4所示。

表1 靜基座對準實驗結(jié)果Table 1 Test results of stationary alignment ［unit：(°)］

表3 俯仰角保持精度測試結(jié)果Table 3 Test results of pitch holding accuracy ［unit：(°)］

表4 橫滾角保持精度測試結(jié)果Table 4 Test results of roll holding accuracy ［unit：(°)］

航向角1～6次保持精度均值依次為：0.6250mil、 0.5717mil、 0.4283mil、 0.4517mil、0.2517mil、1.0000mil，均值為0.6011mil；俯仰角1 ～6次保持精度均值依次為：0.115mil、0.1166mil、0.1066mil、0.0883mil、0.0916mil、0.12mil，均值為0.12mil；橫滾角1～6次保持精度均值依次為：0.1683mil、0.118mil、0.13mil、0.095mil、0.15mil、0.1466mil，均值為0.1683mil。

4.3 動基座對準實驗

本文設(shè)計的定位定向系統(tǒng)具有快速啟動和行進間對準功能。定位定向系統(tǒng)通電以后，不需要載車保持靜止長時間停車狀態(tài)完成對準后再行駛，初始完成30s粗對準后即可行車，在行車過程中利用里程計信息完成定位定向系統(tǒng)的初始對準，整個對準時間不大于10min。開展了11次動基座對準實驗，結(jié)果如表5所示。

表5 里程計輔助動基座對準實驗數(shù)據(jù)Table 5 Test results of odometer aided in?motion alignment

對航向精度求均值，得定位定向系統(tǒng)動基座對準精度為0.59mil。

4.4 動態(tài)跑車實驗

為了驗證定位定向系統(tǒng)的動態(tài)導(dǎo)航性能，開展了跑車實驗測試工作，以差分GPS(精度優(yōu)于1m)定位結(jié)果作為基準，跑車路線為北京六環(huán)或京石高速公路，定位定向設(shè)備完成對準后轉(zhuǎn)導(dǎo)航，最快行駛速度超過120km／h。

跑車路線如圖4所示，跑車過程中由北斗接收機和高度表測量的高度信息如圖5所示，組合導(dǎo)航系統(tǒng)位置與差分GPS接收機位置誤差如圖6所示。

由于跑車過程中，差分GPS天線容易被高樓遮擋，出現(xiàn)跳點，因此圖中出現(xiàn)很多尖峰，剔除尖峰后，定位定向系統(tǒng)位置誤差峰峰值在50m以內(nèi)。

為進一步量化定位定向系統(tǒng)的位置誤差，選取一段開闊的直線路段，開展6次測試，水平定位精度結(jié)果如表6所示。

表6 定位定向系統(tǒng)位置精度測試數(shù)據(jù)Table 6 Test results of position accuracy

對上述結(jié)果取均值，得慣導(dǎo)／衛(wèi)星組合導(dǎo)航水平誤差為5.71m，慣導(dǎo)／里程計組合導(dǎo)航水平誤差為58.45m(0.085%D，D為總里程)，高度誤差為4.46m。

5 結(jié)論

本文針對軍用武器裝備平臺對定位定向精度、機動性能等的要求，設(shè)計了慣導(dǎo)／衛(wèi)星／里程計／高度表組合定位定向系統(tǒng)，開展了捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)字遞推算法、航位推算算法、多源信息組合導(dǎo)航算法、動基座對準算法、誤差補償算法的研究。靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗表明，本文設(shè)計的定位定向系統(tǒng)動態(tài)對準時間小于8min，對準姿態(tài)精度小于1mil，方位保持精度小于1mil／2h，橫滾角、俯仰角保持精度小于0.5mil／2h，里程計／慣導(dǎo)組合水平定位精度小于0.15%D，衛(wèi)星／慣導(dǎo)組合水平定位精度小于10m。

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Design and Field?test of Vehicle Position and Azimuth Fast Determining System

LI Rui?tao1，LIU Gang1，SHI Zhi?xing2，WANG Zhen1
(1.Department of Control Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001; 2.Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074)

Position and azimuth determining system(PADS)are systems providing accurate geographical coordinate，azimuth and attitude information for vehicle.The PADS is usually mounted on warship，airplane，vehicle，adopted as posi?tion and attitude reference standards.To enhance the vehicle weapon platform's fast reaction ability，this paper designed a PADS which carries out initial alignment in moving mode.A set of strapdown inertial navigation system(SINS)algorithms，high accuracy dead reckoning(DR)algorithms，multi?source integrated navigation algorithms，initial alignment algorithms in moving base，calibration free algorithms and error compensation algorithms are studied in this paper.Static and field test results show the flowing performances：initial alignment time cast in moving base is less than 5 minutes，initial alignment attitude accuracy and azimuth holding accuracy are prior to 1 mil，pitch and roll attitude accuracy are 0.5 mil per 2 hours，horizontal position errors of SINS／DR integrated system are below 0.15%D，where D is the total mileage，horizontal posi?tion errors of SINS／GNSS integrated system are below 10 meters.

position and azimuth determining;inertial navigation system;dead reckoning;integrated navigation; initial alignment

U<666.134 文獻標志碼：A class="emphasis_bold">666.134 文獻標志碼：A 文章編號：1674?5558(2017)01?01297666.134 文獻標志碼：A

1674?5558(2017)01?01297

A 文章編號：1674?5558(2017)01?01297

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.003

李瑞濤，男，碩士，副教授，研究方向為飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)。

2016?07?27