曲春旭，喬惠君

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機(jī)場(chǎng)搶建中新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用

曲春旭，喬惠君

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

開(kāi)展機(jī)場(chǎng)搶建工作時(shí)，需要考量的工程及技術(shù)要素比較多，該項(xiàng)工作專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，實(shí)施過(guò)程復(fù)雜。其中，測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠精準(zhǔn)定位，還要具備較高的可靠性，同時(shí)，也對(duì)這一系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間提出了明確限制。在激光跟蹤定位/慣性組合導(dǎo)航理念基礎(chǔ)上，對(duì)IMU/TS組合定位導(dǎo)航方法予以應(yīng)用，明確各系統(tǒng)組成元素及傳感器誤差項(xiàng)，通過(guò)延遲系統(tǒng)時(shí)間，估計(jì)相關(guān)狀態(tài)，選擇卡爾曼濾波器，實(shí)現(xiàn)IMU與TS數(shù)據(jù)之間的融合，在對(duì)比分析過(guò)程中，驗(yàn)證新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)在機(jī)場(chǎng)搶建中的應(yīng)用。

機(jī)場(chǎng)；導(dǎo)航定位技術(shù)；激光跟蹤；GNSS

機(jī)場(chǎng)搶建工作實(shí)施難度比較大，為了達(dá)到良好的工程效果，需要考量新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際工程目標(biāo)，執(zhí)行具體工作。自動(dòng)化系統(tǒng)中，導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用普遍，其定位精確及系統(tǒng)可靠與否，與該系統(tǒng)工作能力和應(yīng)用潛能相關(guān)，要依據(jù)實(shí)際工程情況加以選擇和實(shí)施，方能達(dá)到良好的應(yīng)用效果。該背景下，無(wú)論是GNSS系統(tǒng)，還是作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS/INS，應(yīng)用都非常普遍。但倘若選擇衛(wèi)星導(dǎo)航方式，其對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)中相關(guān)信息的依賴(lài)度大，在高層樓房區(qū)域、隧道、橋梁等衛(wèi)星信號(hào)不是很強(qiáng)的地方，使用效果不好。此外，機(jī)場(chǎng)搶建工作中，涉及到深空探測(cè)、交會(huì)對(duì)接測(cè)量等相關(guān)工作，還需要及時(shí)清除空間碎片，因此，采用全自主綜合定位導(dǎo)航系統(tǒng)，方能滿足實(shí)際工作要求。倘若借助激光跟蹤定位/慣性組合導(dǎo)航理念，即使無(wú)GNSS信號(hào)，系統(tǒng)的定位和定姿仍然會(huì)比較精準(zhǔn)。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)情況

1.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)概述

組合導(dǎo)航系統(tǒng)即INS，通常組合飛機(jī)和艦船等運(yùn)載體上兩種或多種導(dǎo)航設(shè)備，其本質(zhì)是一種綜合信息系統(tǒng)，旨在實(shí)施導(dǎo)航定位，控制運(yùn)動(dòng)及執(zhí)行設(shè)備標(biāo)定對(duì)準(zhǔn)等相關(guān)工作。該系統(tǒng)無(wú)論是精度還是可靠性都較高，且具備自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，從根本上實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。因單一導(dǎo)航系統(tǒng)利弊兼具，所以通過(guò)導(dǎo)航定位技術(shù)的組合，同時(shí)采用多種信息源，實(shí)施多功能系統(tǒng)構(gòu)建，增加系統(tǒng)維度的同時(shí)，使定位更加精準(zhǔn)[1]。

1.2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)為載體，組合導(dǎo)航設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)更加完備，包含輸入裝置、輸出裝置、數(shù)據(jù)處理和控制及外圍設(shè)備等。輸入裝置能夠?qū)Ω黝?lèi)測(cè)量信息進(jìn)行精準(zhǔn)接收，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理之后，對(duì)飛機(jī)航向和航速等進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行相關(guān)天文測(cè)算，而顯示器、打印機(jī)等輸出裝置的功能主要顯示優(yōu)化和處理之后的信息。在機(jī)場(chǎng)搶建過(guò)程中應(yīng)用新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)，能夠彌補(bǔ)單一導(dǎo)航系統(tǒng)定位過(guò)程中的不足，使系統(tǒng)精確性和可靠性兼具。

1.3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)多傳感器多源導(dǎo)航信息的集成和優(yōu)化，該過(guò)程中，信息的融合和處理非常關(guān)鍵，會(huì)用到卡爾曼濾波。其依托遠(yuǎn)動(dòng)、測(cè)量方程，在參量值已知的前提下，執(zhí)行相關(guān)推測(cè)、校正和估算工作。這一背景下，倘若同時(shí)有多種分系統(tǒng)參與組合，可對(duì)狀態(tài)矢量概念進(jìn)行應(yīng)用。誤差多被用作狀態(tài)矢量，用以對(duì)速度和方位誤差等進(jìn)行科學(xué)估算。計(jì)算機(jī)是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的主設(shè)備，其作用在于借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，整合、優(yōu)化、處理各導(dǎo)航傳感器發(fā)送的信息，繼而顯示出來(lái)[2]。

2 IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成

IMU和TS分別為慣性測(cè)量單元和全站儀。IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中涉及到的相關(guān)要素包括慣性測(cè)量單元、全站儀、時(shí)間同步器、數(shù)據(jù)采集處理單元。

將各傳感器部件之間的分布關(guān)系作為劃分依據(jù)，還可將IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為觀測(cè)站和流動(dòng)站兩項(xiàng)。前者囊括全站儀、時(shí)間同步器、數(shù)據(jù)采集處理單元，已知控制點(diǎn)為其主要分布區(qū)。在流動(dòng)站上布置IMU和激光棱鏡，從而增強(qiáng)移動(dòng)載體位置、角速度、加速度等各指標(biāo)敏感度。當(dāng)這一系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，全站儀的作用在于對(duì)激光棱鏡進(jìn)行跟蹤，在這一過(guò)程中，獲取棱鏡位置斜距、航向、俯仰角等關(guān)鍵性指標(biāo)信息，并在卡爾曼濾波器中，與經(jīng)過(guò)時(shí)間同步后的慣性數(shù)據(jù)同時(shí)解算，達(dá)到良好的信息處理效果。采用正確的方式，科學(xué)比對(duì)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)和IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此為背景，對(duì)后者的位置測(cè)量精度進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，繼而對(duì)該系統(tǒng)原理進(jìn)行驗(yàn)證。

3 IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)模型

3.1 狀態(tài)和量測(cè)模型

以慣性系統(tǒng)為載體，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方程進(jìn)行構(gòu)建，選擇Ts作為采樣時(shí)間設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，離散方程：

k=k-1+k-1. （1）

該背景下，狀態(tài)向量已知，選擇一階馬爾科夫過(guò)程，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行假設(shè)，得出測(cè)量方程（）=（）×（）+（）.得出TS=[10×10，10×10].

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器

借用卡爾曼濾波公司，得出最優(yōu)濾波方程：

經(jīng)過(guò)正確的計(jì)算，分別對(duì)狀態(tài)和均方程差進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)測(cè)，分別得出以下內(nèi)容。卡爾曼增益矩陣為：

狀態(tài)估計(jì)和均方程誤差估計(jì)分別為：

4 分析傳感器誤差模型

采用科學(xué)的方法，優(yōu)選正確的濾波器結(jié)構(gòu)，并對(duì)各類(lèi)傳感器誤差模型和各誤差源之間的關(guān)系具備清晰的認(rèn)識(shí)，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況，科學(xué)標(biāo)定和補(bǔ)償系統(tǒng)級(jí)誤差，避免在精確度方面對(duì)傳感器提出過(guò)高要求，以此為根本，使組合導(dǎo)航定位更加精確，達(dá)到良好的定位效果。IMU誤差、全站儀動(dòng)態(tài)誤差和系統(tǒng)時(shí)間同步誤差共同構(gòu)成了TS/IMU組合導(dǎo)航誤差源。

4.1 IMU誤差

在IMU的角誤差方程表達(dá)式已知的情況下，等效北向和東向加速度計(jì)誤差分別為▽N和▽E，而等效北向、東向、天向陀螺常值漂移分別為N，E，D.計(jì)算得出，等效北向和東向誤差為100 μg，陀螺隨機(jī)漂移為每小時(shí)0.1°。

4.2 全站儀動(dòng)態(tài)誤差

在高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，全站儀的誤差模型已知，其中包含測(cè)距標(biāo)度系數(shù)、測(cè)距動(dòng)態(tài)誤差、俯仰角測(cè)量誤差、航向角測(cè)量誤差等重點(diǎn)內(nèi)容和相關(guān)要素。

4.3 系統(tǒng)時(shí)間同步誤差

該誤差的形成是全站儀采樣時(shí)延、IMU采樣時(shí)延、全站儀時(shí)間基準(zhǔn)和IMU時(shí)間基準(zhǔn)的同步誤差共同作用的結(jié)果。其中，在時(shí)間同步誤差中起關(guān)鍵作用的是全站儀，該誤差通常在0.1～0.2 s，而其余兩項(xiàng)誤差相對(duì)較小，可忽略。執(zhí)行全站儀動(dòng)態(tài)測(cè)量工作時(shí)，初步測(cè)量至測(cè)量結(jié)果輸出再到測(cè)量數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，共同構(gòu)成了時(shí)滯。

b+r+ω作為全站儀時(shí)延模型，b和r分別指代固定時(shí)間延遲和慢變漂移，一階馬爾可夫過(guò)程描述在該背景下極具適用性。具體實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)時(shí)延模型起主導(dǎo)作用的是b和ω，前者的數(shù)值大約為100 ms，而的取值范圍通常在50～100 ms。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)選一段坡度相對(duì)平整的路面，該路面既要具備較好的衛(wèi)星觀測(cè)條件，又要有足夠長(zhǎng)的直線距離。將控制點(diǎn)設(shè)置在道路一端，架設(shè)全站儀，并依托時(shí)間同步器對(duì)其進(jìn)行同步，提升測(cè)量信息精確度。同時(shí)，還要依據(jù)相關(guān)測(cè)量要求，選定某處作為基線控制點(diǎn)，并在執(zhí)行具體工作之前，通過(guò)GPS精確測(cè)量這兩個(gè)部位的坐標(biāo)。在試驗(yàn)車(chē)頂端，采用科學(xué)的方法，固定GPS接收機(jī)和激光棱鏡，嚴(yán)格控制二者之間的平面距離，以0.440 m為宜。在試驗(yàn)車(chē)頂部固定IMU和GPS接收機(jī)，使之處于開(kāi)啟狀態(tài)，平面距離與前者等同。IMU和GPS接收機(jī)開(kāi)啟之后，借助全站儀，將與基線相關(guān)的信息作為主要測(cè)量對(duì)象，以此為背景，對(duì)基線方位角進(jìn)行計(jì)算。使棱鏡中心和全站儀保持對(duì)齊，之后，啟動(dòng)自動(dòng)追蹤。當(dāng)試驗(yàn)車(chē)處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，全站儀需要對(duì)鏡頭進(jìn)行自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以此鎖定棱鏡。把GPS接收機(jī)相位中心和激光棱鏡平面距離作為比較對(duì)象，經(jīng)過(guò)比較之后，對(duì)可跟蹤全站儀測(cè)距進(jìn)行驗(yàn)證，看其是否精確。當(dāng)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)環(huán)境下時(shí)，定位精度是cm級(jí)，明確精度實(shí)驗(yàn)原理及激光棱鏡和GPS接收機(jī)相位中心平面距離變化趨勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)屬新型技術(shù)，應(yīng)用范圍比較廣。結(jié)合機(jī)場(chǎng)搶建工作要求，對(duì)新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行科學(xué)應(yīng)用。當(dāng)TS和TMU處于組合狀態(tài)，在IMU導(dǎo)航數(shù)據(jù)已知的情況下，借助組合平滑的方式，將定位數(shù)據(jù)跳變?yōu)V除，使TS具備較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)精度和位置分辨精度，達(dá)到良好的定位數(shù)據(jù)更新及動(dòng)態(tài)跟蹤效果，提升組合導(dǎo)航定位精確度，使其更加可靠。TS/IMU組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)dm級(jí)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，很大程度上提升了機(jī)場(chǎng)搶修速度及效率。

［1］王何巍，洪勇.新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)在機(jī)場(chǎng)搶建中的應(yīng)用［J］.地理信息世界，2014（01）：116-119.

［2］司文靜，趙銀祥，陳周，等.一種組合式水下導(dǎo)航定位方法研究［J］.水能經(jīng)濟(jì)，2017（05）：331-332.

2095－6835（2018）23－0152－02

U675.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.152

〔編輯：張思楠〕