基于MEMS的GPS/SINS艦船組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 薇廖林煒

（1.海軍駐武漢438廠軍事代表室 武漢430064；2.海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢430073）

0 引 言

GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是組合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的一種重要類型，它包括捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）和全球定位系統(tǒng)（Globe Position System，GPS）兩個(gè)部分。其中，GPS易受地形地物的影響而導(dǎo)致定位中斷，并且受制于人；SINS導(dǎo)航精度高、自主性強(qiáng)、隱蔽性好，但定位誤差隨時(shí)間積累。GPS和SINS這種互補(bǔ)的特點(diǎn)使得兩者的組合有很好的效果，并且可以廣泛應(yīng)用于艦載導(dǎo)航、機(jī)載導(dǎo)航和提高反艦導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)效率等場合［1-2］。

MEMS（Micro Electro Mechanical System）即微機(jī)電系統(tǒng)，是指可以批量制造的，集微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理電路、接口、通訊和電源于一體的微型器件或系統(tǒng)。它以硅半導(dǎo)體材料為加工對象，采取專用集成電路制造技術(shù)把功能強(qiáng)大、復(fù)雜可靠的系統(tǒng)置于一個(gè)小小的硅片上，從而極大地拓寬了其設(shè)計(jì)及運(yùn)用空間。自上世紀(jì)80年代MEMS概念被提出以來，MEMS技術(shù)在汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，微型慣性導(dǎo)航器件體積越來越小，精度越來越高。這就使得加速度計(jì)和陀螺儀安裝在載體上變得簡單易行，從而使GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性大大提高。一直以來，海軍艦艇對導(dǎo)航的要求是在海洋的任何一個(gè)區(qū)域長時(shí)間工作，這就對導(dǎo)航的精度和穩(wěn)定性有著很高的要求。本文設(shè)計(jì)的基于MEMS的艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)恰好滿足了這一需求。

1 原理和結(jié)構(gòu)

1.1 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)

捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將加速度計(jì)和陀螺儀的基座與載體直接固聯(lián)，載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)和陀螺儀的敏感軸指向也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)通過陀螺儀測量載體的角運(yùn)動(dòng)，計(jì)算得到載體的姿態(tài)角，確定加速度計(jì)敏感軸的指向；通過坐標(biāo)變換，將加速度計(jì)輸出的比力信號轉(zhuǎn)換到另一計(jì)算比較方便的導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。與平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)沒有復(fù)雜的機(jī)械式慣性平臺，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，容易安裝與維護(hù)。捷聯(lián)式系統(tǒng)也存在明顯缺點(diǎn)：陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在載體上，要承受較大的振動(dòng)和沖擊且工作的動(dòng)態(tài)范圍較大，因此需要有高精度的陀螺儀和進(jìn)行捷聯(lián)陀螺的誤差補(bǔ)償才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠，同時(shí)計(jì)算量大，精度較低。

1.2 GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS是以人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在地球的任何位置、任何時(shí)刻只要能同時(shí)觀測到4顆以上的衛(wèi)星，就可以得到用戶的三維坐標(biāo)、三維速度分量和精確定位，其精度不隨時(shí)間變化而變化。因此，可以將高精度的GPS信息作為外部量測輸入，在載體的運(yùn)動(dòng)過程中頻繁修正SINS以控制其誤差隨時(shí)間的積累，通過此法可大幅度提高微慣性測量的精度。這就是基于MEMS的GPS/SINS組合導(dǎo)航的基本思想，其設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)包括捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)兩部分。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）是其核心部分，包含3個(gè)微激光陀螺和3個(gè)微加速度計(jì)，可將GPS部分的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波器輔助系統(tǒng)對捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行修正。另外將微加速度計(jì)和微陀螺儀安裝在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上，一方面可以隔離系統(tǒng)受艦船運(yùn)動(dòng)的影響，另一方面作為船塢對準(zhǔn)中的一個(gè)部分，易于對單個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定［3］。

圖1 基于MEMS的GPS/SINS艦船導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SINS系統(tǒng)的計(jì)算

為從微陀螺儀及加速運(yùn)動(dòng)計(jì)的測量值中提取姿態(tài)、位置、速度的信息，需對SINS系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行求解，包括姿態(tài)確定、比力分解和導(dǎo)航方程等的解，計(jì)算框圖如圖2所示。其中姿態(tài)計(jì)算和導(dǎo)航計(jì)算是技術(shù)中較難實(shí)現(xiàn)的部分。

圖2 SINS系統(tǒng)計(jì)算框圖

2.1.1 姿態(tài)估計(jì)

運(yùn)載體相對于一個(gè)坐標(biāo)系的姿態(tài)對導(dǎo)航起著至關(guān)重要的作用，通過使用微陀螺儀提供的回轉(zhuǎn)速率測量值，可以不斷更新運(yùn)載體的姿態(tài)值。姿態(tài)表達(dá)式的一般形式有方向余弦表達(dá)式、歐拉角表達(dá)式和四元數(shù)表達(dá)式。

方向余弦陣是一個(gè)3×3的矩陣，矩陣的列代表單位矢量在載體系中沿參考軸系的投影，可表示為式（1）：

其中第i行和第j列的元素代表參考系i軸和載體系j軸之間夾角的余弦。

歐拉角的表示法是基于坐標(biāo)變換時(shí)繞軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，例如從參考軸系到新坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程中，繞參考系z軸旋轉(zhuǎn)ψ角；繞新坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)θ角；繞新坐標(biāo)系x軸旋轉(zhuǎn)φ角。其中θ，ψ和φ為歐拉旋轉(zhuǎn)角。從參考系到運(yùn)載體軸系的轉(zhuǎn)換可表述為式（2）：

四元數(shù)姿態(tài)表達(dá)式是基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)可以用定義在參考坐標(biāo)系的一個(gè)矢量的單個(gè)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，四元數(shù)表示為，將載體系上的矢量用四元數(shù)來表示，通過公式即可得到參考系上的表示為=C，其中

2.1.2 導(dǎo)航計(jì)算

以導(dǎo)航坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，導(dǎo)航方程可表示為式（4）：

通過導(dǎo)航計(jì)算可以實(shí)時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)速度，參與SINS系統(tǒng)計(jì)算。

2.1.3 數(shù)據(jù)獲取

通過以上計(jì)算和估計(jì)，按照圖1中的步驟完成GPS與MEMS捷聯(lián)系統(tǒng)的組合導(dǎo)航解算，獲得定位信息，另外通過誤差補(bǔ)償進(jìn)一步提高定位信息的精度。

2.2 誤差補(bǔ)償

MEMS中的微加速度計(jì)精度要求已很高，如加速度芯片ADXL250標(biāo)度因數(shù)為38 mV/g，在±1g范圍內(nèi)靈敏度為0.0380 mV/g，線性度為0.73%，基本滿足艦船系統(tǒng)的導(dǎo)航要求。事實(shí)上，陀螺儀誤差才是影響系統(tǒng)性能和精度的重要方面，這部分誤差包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)游走誤差。其中系統(tǒng)誤差可以通過轉(zhuǎn)位程序?qū)ν勇葸M(jìn)行標(biāo)定，這需要用到卡爾曼濾波。從圖1可以看出，接收位置（緯度／經(jīng)度）信息，并與慣導(dǎo)系統(tǒng)得到的精度和緯度的估計(jì)值進(jìn)行比較，該差值作為卡爾曼濾波器的輸入信息，通過卡爾曼濾波器后給出系統(tǒng)誤差狀態(tài)的估計(jì)值來修正系統(tǒng)。

3 應(yīng)用前景

基于MEMS的GPS/SINS艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合了GPS系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的組合導(dǎo)航方式，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等方面，且整套系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、微小型等特點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的基于MEMS的GPS/SINS艦船導(dǎo)航系統(tǒng)充分利用了MEMS導(dǎo)航設(shè)備的精度高、體積小、成本低等優(yōu)良特性，實(shí)現(xiàn)了自主式慣性測量，且隱蔽性好、重量輕，在GPS的輔助下具有更可靠的準(zhǔn)確性，為未來艦船導(dǎo)航提供了一個(gè)重要的發(fā)展方向。

［1］劉愛元，李彪，祝萌.卡爾曼濾波在某型組合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬器中的應(yīng)用［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，20（1）：127-129.

［2］段鳳陽，常麗敏.某型飛機(jī)航姿系統(tǒng)綜合檢查儀的研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14（5）：698-700.

［3］MARLAND P.The NATO ships inertial navigation system（SINS）［J］.Journal of Naval Engineering，1992，33（3）：688-700.