劉建，許友哲，賈軍強

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

車載組合導(dǎo)航在陣地勘測中的應(yīng)用設(shè)計*

劉建，許友哲，賈軍強

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

為提高陣地勘測的連續(xù)性、精確性和快速性，提高定位定向車陣地勘測的環(huán)境適應(yīng)性，在定位定向車陣地勘測中首次利用卡爾曼濾波算法進行數(shù)據(jù)融合的組合導(dǎo)航，綜合捷聯(lián)慣組、速率計和高程計的自主性以及北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航的精確性和快速性，通過定位定向車多批次的跑車試驗驗證，該設(shè)計實現(xiàn)了較高的陣地勘測連續(xù)性以及精確性，基本實現(xiàn)全區(qū)域的無縫定位導(dǎo)航陣地勘測。

BD2；SINS；速率計；高程計；組合導(dǎo)航；陣地勘測

0 引言

地空導(dǎo)彈作為一種精確制導(dǎo)防空武器，在機動過程中為了保證兵器投入正常使用需進行陣地勘測[1]。定位定向車是我國第3代地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的主戰(zhàn)裝備之一，它擔(dān)負(fù)著陣地測量、武器系統(tǒng)標(biāo)定、引導(dǎo)武器系統(tǒng)機動作戰(zhàn)等任務(wù)[2]，在定位定向車前期陣地勘測設(shè)計過程中，關(guān)注的重點一直是通過各種理論和應(yīng)用技術(shù)來提高定位定向精度，利用準(zhǔn)確的位置信息在陣地勘測過程中，通過軍圖實現(xiàn)行軍路線勘測和規(guī)劃[3]。對于陣地勘測領(lǐng)域，勘測的準(zhǔn)確性和連續(xù)性即環(huán)境適應(yīng)性，是2個主要指標(biāo)[4]。本文在原定位定向車捷聯(lián)慣組和北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備基礎(chǔ)上，根據(jù)底盤狀態(tài)設(shè)計速率采集方式，引入北斗雙天線定向提供快速方位基準(zhǔn)，采用最新的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，替代原先相對獨立工作方式，以捷聯(lián)慣組輸出的定位數(shù)據(jù)為主，利用北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行組合輸出，以提高陣地勘測的連續(xù)性。

1 SINS/速率計/高程計組合

捷聯(lián)慣組、速率計和高程計具有無依托測量自主性好的特點，它的工作原理建立在牛頓運動定律之上[5]。高程計通過測量大氣壓強，計算出高程變化值，通過串行口將高程數(shù)據(jù)發(fā)送給激光捷聯(lián)慣組，速率計拾取載車車輪轉(zhuǎn)速，形成脈沖，發(fā)給激光捷聯(lián)慣組，激光捷聯(lián)慣組定時計數(shù)，換算出載車的實時速度，根據(jù)測量的姿態(tài)，將速度分解到東西、南北方向，積分得到東西、南北方向載體移動的距離，實現(xiàn)慣性定位、捷聯(lián)慣組、速率計和高程計之間的線纜連接如圖1所示。

圖1 慣組、高程計和速率計連接示意圖Fig.1 Linking map of the SINS, speedometer and altimeter

定位定向車目前采用底盤有北奔和依維柯，北奔底盤變速箱上有專門的速率拾取口，通過軟軸與底盤的變速箱速率拾取口相連拾取車輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)化為脈沖信號，發(fā)送給捷聯(lián)慣組，速率計外形如圖2所示。

圖2 速率計外形圖Fig.2 Speedometer profile

依維柯底盤變速箱上沒有多余的速率拾取口，為拾取底盤速率信號，在底盤分動箱上安裝霍爾傳感器，傳動軸上新加一齒輪，當(dāng)傳動軸轉(zhuǎn)動的時候，霍爾傳感器可以敏感到齒輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)換成脈沖信號，發(fā)送給捷聯(lián)慣組，依維柯底盤速率拾取裝置如圖3所示。

圖3 依維柯底盤速率拾取裝置Fig.3 Iveco chassis speed pickup device

SINS/速率計/高程計組合根據(jù)慣組提供的航向角和俯仰角采用航位推算算法，利用姿態(tài)、方位和里程信息實時推算車輛相對于起始點的東向和北向位移[6]，利用高程計敏感的氣壓變化值結(jié)合曲率半徑算法，推算出車輛位置的經(jīng)緯度變化值，結(jié)合高程計輸出的高程值，實時輸出車輛位置的經(jīng)度、緯度和高度，SINS/速率計/高程計組合導(dǎo)航定位原理如圖4所示。

圖4 SINS/速率計/高程計組合導(dǎo)航定位原理圖Fig.4 Positioning principle diagram of integrated navigation of SINS/speedometer/altimeter

2 雙天線北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航

在區(qū)域防空中，防空兵將在一個或多個戰(zhàn)區(qū)參與抗、反一體的大縱深全區(qū)域防空作戰(zhàn)，信息傳遞的快速性要求非常高[7]。定位定向車在進行陣地勘測的過程中常需進行方位傳遞測量，陣地勘測過程中方位測量傳遞要求快速，精度在1°以內(nèi)，利用北斗衛(wèi)星載波相位雙天線定向，可以快速提供方位基準(zhǔn)。北斗定向基本原理與GPS相似，都是利用衛(wèi)星載波相位干涉測量原理來確定基線矢量在相應(yīng)坐標(biāo)系下表示[8]。

定位定向車北斗雙天線設(shè)置如圖5所示，后天線為主天線，中心指向前天線，后天線與前天線中心連線為基線，基線與定位定向車的縱軸平行。定位定向車后安裝有基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面法線方向與車軸方向平行，定位定向車進行陣地勘測時可以利用基準(zhǔn)面快速將衛(wèi)星雙天線所確定的方位角引出，實現(xiàn)陣地勘測方位的快速引出測量。在北斗雙天線定向系統(tǒng)中，主天線除了與副天線進行載波相位差分定向之外，還負(fù)責(zé)定位測速，定位定向車位置和速度信息都是基于主天線的[9]。

圖5 定位定向車北斗雙天線示意圖Fig.5 Schematic diagram of BD2 dual antenna of POV

3 組合導(dǎo)航

衛(wèi)星定位系統(tǒng)[10]定位和測速精度高，基本不受地域和時域限制。受載體機動的影響較大，在復(fù)雜電磁環(huán)境下易受干擾和人為控制[11-12]。北斗衛(wèi)星要求收到4顆星以上才能導(dǎo)航，所以在城市、峽谷、森林等地區(qū)，由于受遮擋衛(wèi)星信號衰減或失鎖，造成定位精度的下降甚至無法正常工作[13]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能靠系統(tǒng)本身在全天候條件下，全球范圍內(nèi)自主地、隱蔽地提供多種較高精度的導(dǎo)航參數(shù)，但其位置誤差隨時間累計[14]。衛(wèi)星和慣組組合導(dǎo)航綜合克服各自的缺點，取長補短，利用卡爾曼濾波融合方法使衛(wèi)星信息修正慣組信息，以保證較高的定位精度和定位連續(xù)性。

本文以定位定向車中慣性測量組合和北斗2差分測量設(shè)備為主進行組合導(dǎo)航。定位定向車原工作方式為：導(dǎo)航信息處理器為數(shù)據(jù)信息處理器的中心單元，北斗2差分測量設(shè)備和慣性測量組合各自把定位信息數(shù)據(jù)傳到導(dǎo)航信息處理器，導(dǎo)航信息處理器中的導(dǎo)航軟件根據(jù)設(shè)置選擇采用哪個設(shè)備的數(shù)據(jù)，北斗2差分測量設(shè)備和慣性測量組合各自單獨工作。導(dǎo)航信息處理器定時將北斗2差分測量移動站發(fā)出的位置信息裝訂到慣性測量設(shè)備中，以校正慣組的位置基準(zhǔn)。慣性測量設(shè)備和北斗2差分測量設(shè)備之間沒有直接數(shù)據(jù)通信，也沒有通信接口。

在不更改定位定向車設(shè)備和硬件接口基礎(chǔ)上，導(dǎo)航信息處理器不顯示北斗2差分測量設(shè)備數(shù)據(jù)，直接將其數(shù)據(jù)傳遞到慣性測量設(shè)備，慣性測量設(shè)備進行組合導(dǎo)航計算后將組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳遞給導(dǎo)航信息處理器，導(dǎo)航信息處理器直接采用組合導(dǎo)航后的數(shù)據(jù)，提高陣地勘測導(dǎo)航的連續(xù)性，定位定向車組合導(dǎo)航更改設(shè)計如圖6所示。

圖6 定位定向車組合導(dǎo)航工作示意圖Fig.6 Schematic diagram of the integrated navigation of POV

捷聯(lián)慣組和北斗2組合導(dǎo)航以兩者各自輸出測量的速度和位置為Kalman濾波器的觀測量，通過濾波對慣性測量設(shè)備的誤差和北斗2差分測量設(shè)備的誤差進行最優(yōu)估計。系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(1)

慣性/北斗組合的綜合濾波器是一個12維的Kalaman濾波器，導(dǎo)航坐標(biāo)系選用東北天坐標(biāo)系。狀態(tài)變量X選取經(jīng)度、緯度、東向速度、北向速度、3個姿態(tài)角、陀螺儀的2個漂移和3個加速度計的零漂。

(2)

量測方程為

(3)

組合導(dǎo)航的觀測量選取位置和速度：位置觀測量，通過捷聯(lián)慣組系統(tǒng)與北斗2導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置信息的差值作為觀測量，位置信息主要是經(jīng)緯度信息。速度觀測量，通過捷聯(lián)慣組系統(tǒng)與北斗2導(dǎo)航系統(tǒng)提供的速度信息的差值作為觀測量。

捷聯(lián)慣組給出的位置信息：

(4)

北斗2接收機給出的位置信息：

(5)

式中：λ，L為位置的真值；NE，NN為衛(wèi)星沿東、北方向的位置誤差。

捷聯(lián)慣組給出的速度信息：

(6)

北斗2接收機給出的速度信息：

(7)

式中：vE，vN為速度的真值；δvE，δvN為慣性導(dǎo)航速度誤差；ME2，MN2為衛(wèi)星的測速誤差。

定義位置的量測方程：

(8)

定義速度測量方程：

(9)

最后得到位置和速度組合的量測方程：

(10)

組合導(dǎo)航軟件除了應(yīng)用Kalman濾波算法外還采用序貫處理技術(shù)、容錯處理技術(shù)和時間同步技術(shù)等輔助手段，以保證濾波的穩(wěn)定性、正確性和可靠性。組合導(dǎo)航軟件是嵌入式實時軟件，在進行導(dǎo)航解算、信息融合、故障檢測和導(dǎo)航功能控制的同時，還要定時處理復(fù)雜的輸入和輸出。在滿足定位定向指標(biāo)需求的基礎(chǔ)上，做到程序內(nèi)容清晰，程序結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，模塊獨立性強，低耦合，高內(nèi)聚，以提高軟件的可靠性、可維護性、可移植性和可測試性，保證軟件的設(shè)計質(zhì)量。組合導(dǎo)航軟件包括控制管理模塊、捷聯(lián)解算模塊、組合導(dǎo)航模塊、數(shù)據(jù)I/O模塊，組合導(dǎo)航軟件框圖如圖7所示。

圖7 組合導(dǎo)航軟件示意框圖Fig.7 Flow chart of the integrated navigation software

4 陣地勘測

定位定向車總裝調(diào)試完后，在京西選擇了一段含有平坦開闊的公路、林區(qū)和山路的跑車測試路線，總長近30 km。在整條跑車勘測路線上設(shè)置8個基準(zhǔn)記錄點，分別對單北斗導(dǎo)航和組合導(dǎo)航2種方式進行跑車勘測測試，行駛最大時速40 km，每種導(dǎo)航方式分別進行6遍跑車勘測[15]，以真實實際情況對比對2種導(dǎo)航方式，驗證組合導(dǎo)航對定位定向車陣地勘測導(dǎo)航帶來的改進，分別記錄每種定位模式下在基準(zhǔn)點的的跑車數(shù)據(jù)，對記錄數(shù)據(jù)與8個基準(zhǔn)測量點進行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 北斗導(dǎo)航測試數(shù)據(jù)Fig.8 Test data of BD navigation

圖9 組合導(dǎo)航測試數(shù)據(jù)Fig.9 Test data of integrated navigation

通過圖8，9的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，單北斗導(dǎo)航模式下定位定向車在開到4，5，6點處時，衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)重大偏移，與基準(zhǔn)點數(shù)據(jù)偏差較大，在該區(qū)域衛(wèi)星信號遮擋干擾較為嚴(yán)重，這種狀態(tài)下定位定向車陣地勘測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差；組合導(dǎo)航模式下，定位定向車在開到4，5，6點處時，數(shù)據(jù)也出現(xiàn)偏差，與基準(zhǔn)點相比，偏差在6 m以內(nèi)，比北斗10 m定位精度稍有改善，驗證了定位定向車在組合導(dǎo)航模式下，經(jīng)過衛(wèi)星信號受遮擋干擾的區(qū)域時，勘測數(shù)據(jù)精度滿足要求。

5 結(jié)束語

本文通過在原定位定向車捷聯(lián)慣組和北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備基礎(chǔ)上，根據(jù)底盤狀態(tài)設(shè)計速率采集方式，引入了基于位置和速度的卡爾曼濾波算法，通過跑車勘測試驗驗證組合導(dǎo)航有效的提高了定位定向車陣地勘測的環(huán)境適應(yīng)性，在有衛(wèi)星信號遮擋的區(qū)域能順利完成陣地勘測。引入北斗雙天線定向提供快速方位基準(zhǔn)，提高了定位定向車陣地勘測方位引出的快速性。該設(shè)計對定位定向車有較大應(yīng)用價值，基本實現(xiàn)全區(qū)域的無縫定位導(dǎo)航陣地勘測。

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Application Design of Vehicle Integrated Navigation in Battlefield Reconnaissance

LIU Jian，XU You-zhe，JIA Jun-qiang

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

In order to improve the continuity, accuracy and rapidity of the battlefield reconnaissance, and to increase the battlefield reconnaissance environmental adaptability of position and orientation vehicle (POV), the Kalman filtering algorithm is for the first time used for data fusion in the integrated navigation in the battlefield reconnaissance of the POV with comprehensive characteristics of each device such as BD2(BeiDou 2), SINS，speedometer and altimeter. The experimental results show that the design effectively improves the environmental adaptability of the battlefield reconnaissance of the POV, and a high position accuracy, continuity and basically seamless navigation positioning in the whole region is achieved.

BD2；SINS；speedometer；altimeter；combined navigation；battlefield reconnaissance

2016-06-15；

2016-11-18

有

劉建(1986-)，男，山東青島人。工程師，碩士，研究方向為定位定向總體設(shè)計。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱17號 E-mail：jidaliujian2008@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.007

V249.32+8

A

1009-086X(2017)-03-0040-06