一種用于慣導系統車載試驗的速度基準系統*

文 鋼 李志文 劉 波

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛科技集團有限公司 重慶 401121)

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一種用于慣導系統車載試驗的速度基準系統*

文 鋼1李志文2劉 波2

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛科技集團有限公司 重慶 401121)

介紹了一種自行研制的用于捷聯慣導車載試驗的速度基準系統。該系統由衛星導航裝置、車速采集裝置和主控計算機組成,能夠實時輸出滿足一定精度要求的速度數據,可作為捷聯慣導跑車試驗中的速度基準,用以模擬其它測速設備的輸出。經過實際車載試驗驗證,該基準系統組成簡單,功耗、體積、重量和速度精度滿足捷聯慣導車載試驗要求,能夠做到在無衛星導航信息條件下,模擬實現組合導航系統的測速功能。

捷聯慣導; 組合導航; 車載試驗; 速度基準系統

Class Number U674.7

1 引言

應用于水中的捷聯慣導,往往采用和水中測速設備(如水聲測速設備、槳速監測設備或流速監測設備)相結合的組合導航方式,以提高其長時間導航精度[1～4]。在研制過程中,為了驗證捷聯慣導系統和其他導航輔助設備的組合導航性能,需要做大量試驗。從控制試驗成本和縮短研制周期方面考慮,可用車載試驗[5～6]代替部分水中試驗。車載試驗中使用的試驗車,需要配置定位、姿態、速度等導航信息基準系統,本文介紹一種自行研制開發的速度基準系統,該基準系統以車速作為輔助設備的輸出,模擬水中多普勒計程儀輸出,實現類似捷聯慣導系統結合多普勒計程儀的組合導航方式和效果。

2 組合導航基本原理

將慣導系統的輸出信號與其他導航輔助設備的獨立測量結果進行比較,根據比較結果校正慣導系統的輸出,獲得比單獨使用慣導系統更好的導航性能,這種系統稱為組合導航系統。

組合導航系統的導航輔助設備中,較普遍使用的輔助設備有:GPS、星體跟蹤器、數字地圖、磁傳感器、雷達成像系統等。而在使用捷聯慣導的水中組合導航系統使用較多的輔助設備是提供實時速度測量結果的多普勒計程儀。

圖1給出了典型的組合導航系統基本工作原理。組合導航算法主要應用卡爾曼濾波技術,對輔助設備的傳感器輸出應用卡爾曼濾波方法進處理,得出慣性導航位置、速度、姿態以及其他參數的最優估計值,由最優估計值作為校正后的慣性導航系統輸出。圖中虛線表示該數據流在某些導航系統中不存在。

圖1 組合導航系統基本工作原理圖

3 系統設計

3.1 需求分析

本文研制的速度基準系統,主要實現兩個功能: 1) 提供一個可用于比較的速度基準; 2) 模擬實現水中組合導航系統的測速設備功能。

設計該基準系統時,主要考慮以下因素:

1) 為方便在試驗用機動車上使用,系統的功耗、體積、重量都不能過大;

2) 考慮到試驗車行駛在規劃線路過程中的一些實際情況,如經過隧道、峽谷等無法接收衛星導航信息的環境,系統必須能在這些環境下正常工作;

3) 根據應用于水中的捷聯慣導系統[7～8]實際要求,數據更新間隔滿足秒級、速度精度滿足厘米每秒級即可。

因此,該基準系統主要技術難點在于無衛星導航信息時,如何提供符合精度要求的速度基準數據。

3.2 基準系統組成

基準系統主要由衛星導航裝置、車速采集裝置及其軟件、主控計算機及其軟件等三部分構成。其中車速采集裝置及其軟件、主控計算機軟件為自行研制,其它采購自市場中成熟產品。

圖2 速度基準系統組成示意圖

車速采集裝置由自制電路板及其配套軟件組成。電路的核心處理器件采用ATMEL公司的AT89C51信號單片機。

主控計算機選用Lenovo公司的昭陽E46A型號筆記本計算機。安裝WindowsXP操作系統,運行的主控軟件用VC++6.0開發。

衛星定位裝置選用星網宇達公司的XW-3661。其單點定位精度達到1.8m RMS,速度精度達到0.02m/s,數據更新間隔最小可設置為100ms,發送標準＄GPGGA,＄GPVTG幀頭報文。該定位裝置由天線、電纜、接收機三部分組成。

工作時采用不間斷電源給系統供電,系統各部分電路連接方式如圖3所示。

圖3 車載速度基準系統各部分電路連接示意圖

3.3 工作原理

用衛星定位裝置接收衛星導航信息,輔以監測試驗車車輪轉動獲得速度信息,應用數據融合技術實現全地形工作。其流程如圖4所示。

圖4 速度基準獲取原理圖

3.3.1 車速采集

車速采集裝置檢測試驗機動車車輪轉動形成的脈沖信號,采集兩次脈沖信號間的時間間隔,通過串口發送給主控計算機。這些脈沖信號來自試驗車車輪上的霍爾器件。記下連續兩次脈沖信號間的時間間隔,實際上就是記錄了車輪轉過一圈的時間。

主控計算機獲得脈沖間隔時間后,帶入以下公式計算出車速:

(1)

式中:V為車速,單位是km/h;Thi為脈沖寬度,常量,單位是0.1ms;T為脈沖間隔時間,單位是ms。

這里需要說明的是,試驗車型不同,計算車速的公式可能不同。

3.3.2 數據融合

利用數據融合[9～10]技術對按時序獲得的觀測信號,按照一定準則進行自動分析、綜合,以完成系統要求的決策任務。

該基準系統應用數據融合技術實現以下功能:

1) 用衛星導航速度標定車速;

2) 用車速剔除衛星導航的跳點數據;

3) 在衛星導航速度無法獲得時,輸出標定后的車速;

4) 轉彎時,由于衛星導航速度實時性不足,系統輸出標定后的車速。

4 系統樣機試驗結果

4.1 功耗、重量和體積

系統樣機組成部分的功耗、重量、體積如表1所示。

表1 系統組成部分功耗、重量、體積統計表

表1給出的測試結果表明,樣機完全適用于車載方式。

4.2 速度精度

在正常無遮擋環境下,該基準系統能接收到衛星導航信息,性能主要由衛星導航裝置決定。針對無法接收衛星導航信息的情況,設計了以下步驟的實驗來驗證系統樣機精度:

1) 斷開衛星導航裝置和主控計算機間的物理連接,使主控計算機無法接收衛星導航信息;

2) 系統一直工作在無衛星導航信息的狀態。然后,用另一臺計算機同步實時記錄衛星導航裝置和速度基準系統輸出;

3) 實驗結束后,用衛星導航裝置輸出的定位數據計算航程和平均速度,將計算結果作為基準和系統車速采集裝置在該段時間內輸出的平均速度做比較。

實際車載試驗共進行了6次,試驗測試結果見表2。表中基準值是衛星導航數據計算的速度值,與系統樣機的速度采集輸出值的差值滿足設計的厘米每秒的精度要求。

表2 車載試驗速度測試結果

試驗中,記錄的系統輸出數據更新間隔如圖5所示,平均更新間隔1s,最大1.001s,最小0.9984s。

圖5 試驗中速度基準系統數據更新間隔

使用本系統提供的速度數據,做一個時間同步,再引入一些特定特征量,即可模擬其他水中速度測試設備,從而實現車載試驗對水中試驗的模擬。圖6為某次實際試驗中模擬多普勒計程儀速度輸出的數據曲線。

圖6 模擬多普勒計程儀速度輸出數據曲線圖

5 結語

本文研制開發的車載速度基準系統,組成簡單,功耗、體積、重量和精度等都滿足車載試驗要求。系統樣機經過實際使用驗證,工作可靠,能夠滿足水下捷聯慣導研制過程中的車載試驗需求。使用該車載速度基準系統作為輔助測速設備,一方面可以降低水下捷聯慣導的研制成本,另一方面能有效縮短研制周期,有很高的實用價值。該系統具有良好擴展性,可結合實際應用需要,進一步擴展完善。

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A Kind of Speed Reference System for INS Vehicle-Carried Test

WEN Gang1LI Zhiwen2LIU Bo2

(1. Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing, Chongqing 400042) (2. Chongqing QianWei Tech ltd, Chongqing 401121)

This paper introduces a kind of speed reference system, which is used for SINS’ vehicle-carried test. This system is composed of GNSS, vehicle speed acquisition instrument, and a master computer. It can provide the vehicle’s real-time speed data satisfying given precision requirement as the speed reference, or simulating the output of other speed acquisition instrument. Based on the vehicle-carried test, this system composition is simple, and its power dissipation, size, weight and speed data precision can meet the requirements of SINS vehicle-carried test. It also can simulate speed acquisition function of integrated navigation system without satellite navigation information.

strapdown inertial navigation system, integrated navigation, vehicle-carried test, speed reference system

2014年11月5日,

2014年12月7日

文鋼,男,博士,工程師,研究方向:捷聯慣導系統研發、水中目標體的回聲特性。李志文,男,工程師,研究方向:捷聯慣導系統研發。劉波,男,工程師,研究方向:捷聯慣導系統研發。

U674.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.011