陳 思，仲啟媛，譚立龍，王 鵬，張彥濤

(火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

發(fā)射車車載定位定向技術(shù)是實現(xiàn)導(dǎo)彈無預(yù)設(shè)陣地機動發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)，本質(zhì)是指車載導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)射車行進過程中實時提供精確的經(jīng)緯度、高程、北向方位角和姿態(tài)角等導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)與發(fā)射所需的基本信息[1]?；谧鲬?zhàn)應(yīng)用的車載定位定向系統(tǒng)要求具有自主性、快速性、精確性和抗干擾性。從國內(nèi)外發(fā)展歷程上看，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)憑借其完全自主性和實用性得到廣泛認可，但由于誤差隨時間累積而不能長時單一使用[2]；最初采用零速修正或地標(biāo)點停車修正方式[3]的車載導(dǎo)航因其削弱了車載發(fā)射的機動性而不被青睞；采用SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)[4]雖然抑制了誤差發(fā)散，但GPS信號易受遮擋且技術(shù)受制于人，因此不能作戰(zhàn)使用，即使采用國產(chǎn)北斗系統(tǒng)來定位也存在衛(wèi)星信號被干擾等類似問題；采用地圖匹配技術(shù)[5]來輔助有一定效果，但存在地圖精度要求高、數(shù)據(jù)處理技術(shù)也有較高要求等問題；SINS/里程計(OD)組合導(dǎo)航采用航位推算技術(shù)，其自主性好，誤差發(fā)散得到一定程度抑制，但由于車輪空轉(zhuǎn)、打滑等因素導(dǎo)致長時導(dǎo)航誤差較大[6]，也無法解決野外導(dǎo)航系統(tǒng)誤差超范圍或者出現(xiàn)故障需要重新啟動而無法有效快速獲取初始地理信息的實際問題。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，帶動了射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification Devices，RFID)的快速提升與應(yīng)用。RFID利用射頻信號將儲存于標(biāo)簽內(nèi)的信息傳送給RFID閱讀器，是一種新興的識別與定位手段，具有構(gòu)造簡單、壽命長、抗惡劣環(huán)境、非接觸、快速、安全、準(zhǔn)確、價廉等優(yōu)勢[7]。RFID的軍事應(yīng)用可追溯到二戰(zhàn)時期，美軍將其用于識別盟軍飛機，近年來軍用射頻標(biāo)簽被應(yīng)用于軍事物流、軍車定位等領(lǐng)域。結(jié)合現(xiàn)階段普遍采用的SINS/OD組合定位定向系統(tǒng)的優(yōu)勢，在發(fā)射車作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置射頻定位系統(tǒng)，彌補其不足，輔助車載定位定向，具有可期的前景。

1 RFID定位系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 RFID工作原理

RFID由標(biāo)簽、閱讀器、天線組成：標(biāo)簽存儲數(shù)字信息，閱讀器控制射頻模塊通過天線發(fā)射射頻信號，讀取對應(yīng)標(biāo)簽信息，如圖1所示。RFID可識別高速運動物體、穿透塑料等材質(zhì)識別，并可同時識別多個標(biāo)簽[8]。

圖1 RFID工作原理圖Fig.1 RFID working principle

1.2 發(fā)射車利用RFID定位方案設(shè)計

標(biāo)簽分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽，鑒于作戰(zhàn)實際，采用無源標(biāo)簽并加密處理；閱讀器可采用高速閱讀器，其識別標(biāo)簽并讀取內(nèi)置信息的時間為20 ms左右；識別距離可根據(jù)需求調(diào)節(jié)選用頻率，幾十米內(nèi)的識別距離均可選。

1.2.1 方案一

射頻標(biāo)簽鋪設(shè)于車道路面中央，標(biāo)簽內(nèi)儲存該位置的地理信息代碼(經(jīng)緯度、高程等)，閱讀器安裝在發(fā)射車底部，車輛通過標(biāo)簽上方時，識別讀取并傳送至車載計算機，迅速與車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位信息進行融合處理。考慮到碾壓破壞等問題，可采用凹陷下沉或貼于路面反光路鈕內(nèi)的方法，如圖2所示。

該方案經(jīng)多次參數(shù)調(diào)整、行車實驗驗證，一旦識別，定位精度能達到0.5 m以內(nèi)，完全滿足行進間定位修正要求，而且無需停車，簡單易行，快速行車(30 km/h左右)時單點識別效果最佳。

圖2 路面安裝射頻定位示意圖Fig.2 Driveway installation of RFID positioning devices

1.2.2 方案二

射頻標(biāo)簽等距安裝在路中隔離帶或者路邊防護樁上，閱讀器安裝于發(fā)射車左(右)側(cè)與標(biāo)簽同高位置，在行進間讀取位置信息，稱之為路標(biāo)定位，如圖3所示。

圖3 路側(cè)安裝射頻定位示意圖Fig.3 Roadside installation of RFID positioning devices

圖中：D為車道寬；d為發(fā)射車寬；d1為該標(biāo)簽垂直對應(yīng)車道中線處距離，標(biāo)簽內(nèi)存儲該標(biāo)簽垂直對應(yīng)車道中線處位置坐標(biāo)代碼。根據(jù)向有特種超寬車輛駕駛經(jīng)驗的駕駛員問卷調(diào)查可知，所有被調(diào)查人員均表示駕駛車輛保持在單一車道內(nèi)行駛非常容易，以此為實際可行條件進行定位誤差分析。

由圖3可知，在發(fā)射車保持同一車道內(nèi)行駛的條件下，橫向理論定位誤差為

(1)

縱向誤差由識別距離、識別角度和車速共同決定。縱向定位誤差示意圖見圖4。

圖4 縱向定位誤差示意圖Fig.4 The longitudinal positioning error

圖中：x，y分別為射頻卡接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號時兩者的橫向距離和縱向距離；θ為標(biāo)簽接收到信號時的角度。則縱向誤差為

δy=xtanθ-v·t0

(2)

式中：v為車速；t0為射頻識別時間。

則定位坐標(biāo)點概率偏差為

(3)

在實際工程應(yīng)用中，通過調(diào)整射頻識別距離、功率、識別角度，在正常行車速度20～50 km/h情況下可以忽略反應(yīng)距離，因為實地實驗時也無法測量，只需測量識別到標(biāo)簽時車輛實際位置與理論位置之差。在一段廢棄高速公路上進行實地實驗，標(biāo)簽間隔10 m，共計30個，鋪設(shè)300 m長距離，合理調(diào)節(jié)配置射頻識別參數(shù)，實驗采用民用斯太爾大貨車(寬2.5 m)分別以20 km/h，30 km/h，50 km/h進入識別區(qū)域，以差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)定位數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)，有效識別率達到97.7%，所以每組取24個實驗定位數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 不同車速下射頻定位偏差

從實驗結(jié)果來看，RFID在車輛運動中識別標(biāo)簽時幾乎沒有丟失，同一參數(shù)下，過快或過慢車速均使得誤差增大，在該實驗條件下，30 km/h的行車速度定位精度最高。

1.2.3 方案三

在長隧道或者洞庫頂壁上安裝多個閱讀器，識別貼于發(fā)射車上方的無源標(biāo)簽，在車輛正常行進中實時定位，并將定位信息通過數(shù)據(jù)鏈同步傳給車載計算機進行信息融合。根據(jù)相關(guān)實驗表明，該方式下定位精度能達到0.3 m以內(nèi)。相關(guān)硬件設(shè)施投入較大，但可以與民用RFID車輛識別發(fā)展思路契合，通過軍民融合方式解決隱蔽性和高成本問題。限于篇幅，在此不過多闡述此類較復(fù)雜方案的原理。

2 車載SINS/OD組合導(dǎo)航分析

SINS具有自主性，是作戰(zhàn)時車載定位的首選設(shè)備，通過高精度的陀螺和加表進行導(dǎo)航解算，從出發(fā)點進行位置、姿態(tài)的累積推算[9]，如圖5所示。

圖5 捷聯(lián)慣導(dǎo)解算圖

短航時下，SINS解算精度特別高，但由于常值漂移和隨機漂移存在，長航時下，誤差不斷累積，直至超出誤差允許范圍，定位數(shù)據(jù)失去作戰(zhàn)使用價值。因此,現(xiàn)階段在研設(shè)備普遍采用高精度里程計(10-4m/s)測速來抑制其誤差發(fā)散，延長了滿足戰(zhàn)標(biāo)要求精度下的導(dǎo)航定位時間，達到了較好的效果。

2.1 慣導(dǎo)和里程計誤差分析

2.1.1 里程計誤差分析

參考系選東-北-天(ENU)地理系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)，慣組坐標(biāo)系與載車坐標(biāo)系認定重合(b系)，OD坐標(biāo)系(m系)為與車體固連的“右-前-上”右手直角坐標(biāo)系，因此OD的理論輸出在m系上可以表示為

(4)

(5)

(6)

合理舍去δKD和φ的高階小量，展開得到

(7)

至此，推導(dǎo)出OD的輸出速度誤差為

(8)

2.1.2 SINS誤差

根據(jù)文獻[10]，推導(dǎo)分析小失準(zhǔn)角下SINS誤差模型如下所述。

姿態(tài)誤差為

(9)

速度誤差為

(10)

位置誤差為

(11)

式中：

2.2 SINS/OD組合導(dǎo)航模型

在分析誤差模型的基礎(chǔ)上，建立SINS/OD組合導(dǎo)航模型，其原理如圖6所示。

圖6 SINS/OD組合導(dǎo)航圖Fig.6 SINS/OD integrated navigation

3 RFID輔助修正SINS/OD組合定位模型

3.1 方案設(shè)計

如果不考慮作戰(zhàn)應(yīng)用，民用領(lǐng)域?qū)INS/OD系統(tǒng)的最佳修正方式莫過于GPS、北斗和已知點停車修正。軍用領(lǐng)域可以轉(zhuǎn)換思維模式，提出“將衛(wèi)星定位移到地上，讓靜態(tài)地標(biāo)活動起來”的思想，利用RFID定位方式彌補戰(zhàn)時衛(wèi)星受損、停車定位限制機動等傳統(tǒng)方式的缺陷。

方案設(shè)計如下：如圖7所示，車載SINS/OD在戰(zhàn)區(qū)內(nèi)按預(yù)定作戰(zhàn)計劃行進，不必刻意行駛至布置有無源RFID標(biāo)簽的區(qū)域，而是在經(jīng)過長航時、定位誤差增大時，在行車過程中順便路過某個RFID定位區(qū)，輔助修正SINS/OD，使之降低誤差，然后再度續(xù)航，投入戰(zhàn)斗。

圖7 方案示意圖Fig.7 The proposed scheme

3.2 SINS/OD/RFID組合模型建立

3.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

OD和RFID的定位修正都能提供Kalman濾波觀測值，給予SINS狀態(tài)量兩個不同的誤差修正量。兩者觀測精度不同，協(xié)方差矩陣存在差異，并且RFID定位修正的采樣頻率遠遠低于OD，導(dǎo)致觀測量輸入濾波器具有時間不同步性。采用并行Kalman濾波(PKF)可以解決該問題。

如圖8所示，OD對加表、陀螺和姿態(tài)誤差的觀測性較強，可以同時修正速度、位置、姿態(tài)、加表和陀螺；RFID定位修正點只提供絕對位置坐標(biāo)，除狀態(tài)量中的速度、位置以外，其余量可觀測性較弱，但是其觀測值精度高(0～2 m)。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置斷點，當(dāng)采集到OD或RFID定位數(shù)據(jù)時，自動判斷選擇相應(yīng)濾波器進行導(dǎo)航修正。其中，SINS高度通道的發(fā)散由車載氣壓高度計抑制，RFID定位信息包含經(jīng)緯度、高程、重力加速度，高程誤差幾乎為零，直接用于替換解算值。

圖8 SINS/OD/RFID組合導(dǎo)航原理Fig.8 SINS/OD/RFID integrated navigation principle

3.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)方程

系統(tǒng)狀態(tài)方程為

(12)

3.2.3 系統(tǒng)觀測方程

SINS/OD濾波器觀測方程為

ZOD(t)=HOD(t)X(t)+VOD(t)

(13)

式中，VOD(t)是零均值方差為ROD的量測噪聲向量。

觀測量ZOD(t)算式為

(14)

量測矩陣HOD(t)展開式為

SINS/RFID濾波器量測方程為

ZRFID(t)=HRFID(t)X(t)+VRFID(t)

(15)

根據(jù)上述各RFID定位結(jié)果分析，觀測噪聲方差RRFID選擇為Rλ=(1.2 m)2，RL=(1.2 m)2。

4 車載實驗及分析

為了驗證RFID輔助修正SINS/OD長航時組合定位效果，采用某車載定位定向設(shè)備進行了一次長達3.6 h的跑車實驗，行程約300 km。實驗用車載定位定向系統(tǒng)參數(shù)如下：SINS系統(tǒng)誤差是：陀螺常值漂移0.01 (°)/h，加速度計常值漂移10-4g，標(biāo)定OD刻度系數(shù)誤差是0.001 31。實驗全程模擬實際應(yīng)用情況，行車路線如圖9所示。

圖9 行車軌跡圖Fig.9 Driving track

從某火車站1點出發(fā)，途徑2，3，4點，并在4點折返至4-3-2-5點，從2點開始假定里程儀損壞。長航時(約1 h)后，在行車過程中隨機大間隔引入RFID定位，定位偏差合理認定為1.2 m。行車過程中定位基準(zhǔn)由車載GPS提供。

SINS/OD定位偏差如圖10所示。

圖10 SINS/OD定位偏差Fig.10 SINS/OD positioning errors

分析圖10可知，SINS/OD組合能較長時間保持較高的定位結(jié)果。根據(jù)高精度定位應(yīng)用需求，以20 m為參考精度要求，那么在該條件下能保持約1.5 h，之后誤差逐漸發(fā)散，在模擬里程計損壞后更是達到100 m以上的定位誤差。

若根據(jù)使用情況，模擬車輛分別在5000 s，5800 s，7900 s，10 000 s 時經(jīng)過4個RFID定位區(qū)域，獲取了修正信息，則結(jié)果如圖11所示。

圖11 RFID輔助修正后的定位偏差Fig.11 Positioning errors revised by RFID

由圖11可知，定位誤差大幅減小，誤差控制在精度要求范圍內(nèi)，達到米級，有效定位航時延長了一倍多，達3.6 h以上。

5 結(jié)束語

本文從作戰(zhàn)應(yīng)用背景下的現(xiàn)階段發(fā)射車車載定位定向技術(shù)存在的問題出發(fā)，探討并提出了應(yīng)用RFID定位修正SINS/OD方案。對工程背景下的RFID行車定位方式進行設(shè)計與驗證，得出其定位精度高、易于實現(xiàn)的結(jié)論；同時，為解決長航時下SINS/OD精度不滿足要求的問題，建立SINS/OD/RFID模型對其進行了修正改進，并結(jié)合解決問題的實際情況，進行一次模擬長航時跑車實驗。實驗結(jié)果表明，隨機4次RFID定位輔助的SINS/OD抑制了誤差發(fā)散，將滿足精度要求的導(dǎo)航時間延長近一倍，提高了發(fā)射車在野外無陣地依托時的作戰(zhàn)能力，為工程實現(xiàn)提供一定的參考。