一種艦載無人機IMU/GPS組合導航系統研究*

楊益興

(海軍駐武漢701所軍事代表室　武漢　430064)

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一種艦載無人機IMU/GPS組合導航系統研究*

楊益興

(海軍駐武漢701所軍事代表室武漢430064)

摘要針對艦載無人機的特點,設計了一種適用于艦載無人機的低成本IMU/GPS組合導航系統,提出了加入磁航向儀完成初始對準和提供航向基準的方法,并進行了相應仿真,仿真結果表明能滿足系統導航精度要求。

關鍵詞艦載無人機; 慣性測量元件; 全球定位系統; 組合導航

Study of IMU/GPS Composed Navigation System for Shipboard UAV

YANG Yixing

(Navy Representative Office in Wuhan 701 Research Institute, Wuhan430064)

AbstractIn view of the characteristics of shipboard unmanned aerial vehicle(UAV), a IMU/GPS composed navigation system is designed at a low cost. In this design, magnetic course indicator is used to complete initial alignment and provide heading reference. Simulation results indicate that the precision of the navigation system is able to satisfy the requirements of UAV.

Key Wordsshipboard UAV, IMU, GPS, composed navigation

Class NumberV249

1引言

艦載無人機以成本低、體積小、作戰靈活、無生命危險等優勢,得到了世界各國海軍的廣泛認可。為滿足未來艦艇作戰的需要,長航時成為艦載無人機的一個發展方向,這就對導航定位精度提出了很高的要求。同時,艦載無人機還要求其導航系統應當體積小、重量輕。本文在考慮艦載無人機特點及其對導航定位需求的基礎上,設計出一種低成本的IMU/GPS組合導航定位系統[1～3]。

2系統組成

導航系統可采用IMU(慣性測量元件)+GPS OEM板+磁航向儀(電子羅盤)實現[4]。其總體方案如圖1所示。

1) IMU(慣性測量元件)

由三個微加速度計和微陀螺儀組成,能夠輸出三軸的角速度和線加速度。與傳統的慣性傳感器相比,具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高和壽命長等優點,體積10cm×10cm×10cm左右,重量0.5kg～1.5kg,功耗2W～10W余。因而非常適合無人機上使用。然而由于精度比較低,必須和GPS組合使用。

圖1　無人機組合導航系統總體框圖

IMU主要作用在于提供無人機姿態信息和較高頻率的數據輸出[4]。

2) GPS OEM板

為減輕無人機負載,機上GPS采用OEM板。大小幾厘米到十幾厘米見方,厚度1cm～2cm,重量幾克到幾十克,功耗數瓦[5]。

3) 磁航向儀

使用磁敏感器件感測地球磁場的方向,即磁子午線方向,并給出飛機縱軸相對磁子午線在水平面內的夾角,及磁航向角。經過磁差補償獲得真航向。大小數厘米見方,重量幾十克,功耗數瓦[6]。

磁航向儀作用是幫助IMU實現初始方位對準。由于慣導系統方位對準精度主要受陀螺漂移的影響,對于高精度的慣導系統,對準精度可以達到幾個角分,但是對于低成本的IMU,方位對準精度為幾度或者十幾度,其陀螺漂移大于地球自轉角速度,不能自主完成方位對準,因而在總體方案中加入磁航向儀,利用磁航向儀給出的航向代替初始對準時的航向角ψ。同時磁航向儀也可作為無人機飛行時的航向基準[7～8]。

4) 導航計算機

主要完成數據采集、慣導初始對準、姿態解算,定位解算、速度解算、組合導航解算等。可以是單獨的計算機,也可以和飛行控制、通訊用計算機合二為一。根據高性能、低功耗、支持串口,具有數據存儲功能等要求,可采用ARM等嵌入式模塊[9]。

5) 電源

供給IMU、GPS、磁航向儀、計算機所需的直流電。

3組合導航方案

本文采用集中Kalman濾波器作為組合導航算法,組合方式見圖2,采用松散組合,即將IMU和GPS計算輸出的位置和速度信息的差值,以及IMU與磁航向儀輸出的航向信息差值作為量測值,送入Kalman濾波器估計IMU的誤差,然后對IMU進行校正。整個結構如圖2所示。這種組合方式比較簡單,易于工程實現,并且系統間仍然獨立工作,使導航信息有一定的冗余度。

圖2　組合方式

3.1組合導航系統狀態方程和量測方程

慣導系統誤差方程為[10]

其中

XINS=[δLI,δλI,δhI,δvIE,δvIN,δvIU,

δKgx,δKgy,δKgz,δKax,δKay,δKaz]T

GPS位置和速度誤差視為一階馬爾可夫過程,其誤差方程為

其中XGPS=[δLGPSδλGPSδhGPSδvEGPSδvNGPSδvUGPS]T

磁航向儀的航向誤差視為一階馬爾可夫過程

組合導航系統的狀態方程為

(1)

量測方程為

(2)

3.2卡爾曼濾波方程

將式(1)、(2)離散化可得

Kalman濾波方程為

4仿真結果

根據組合導航方案,按照如下初始條件,分別進行了IMU和IMU/GPS/磁航向儀組合導航仿真。

初始條件:

初始速度:25m/s,航向135°,高度0m,俯仰角15°;

加速度計:零偏重復性:2mg;隨機偏差:0.3mg;比例因子穩定性:0.2%;

GPS:水平定位精度:1.8m(1σ),垂直定位精度:5m(1σ),速度誤差0.1m/s(1σ);

磁航向儀:航向精度:0.5°(1σ);

航跡:爬升2500m→平飛2000s→轉彎40°→平飛2900s。

由于篇幅有限,只給出二維位置誤差仿真結果,如圖3～圖6所示。

圖3　IMU緯度誤差

圖4　IMU經度誤差

圖5　組合導航緯度誤差

圖6　組合導航經度誤差

從仿真結果可以看出:

1) 從仿真結果可以看出IMU漂移很大,無法單獨使用,但在一分鐘內定位精度可以保證在100m以內,因而可以作短時使用。

2) 由于IMU精度較低,整個導航系統精度主要取決于GPS精度,因而要根據系統導航精度指標要求選取相應的GPS。如果想減小工作量,也可以直接利用GPS和磁航向儀輸出修正慣導結果,精度影響不大,但輸出波動比較大。

5結語

在考慮艦載無人機特點及其對導航定位需求的基礎上,本文提出了一種IMU+GPS-OEM板+磁航向儀的組合導航方案。仿真結果表明,系統導航精度主要由GPS保證,而IMU則保證導航數據具有較高的更新率和提供姿態信息,兩者互為補充,提高了系統的可靠性和抗干擾能力,組合導航系統在精度和可靠性方面,較單一的導航系統都有明顯的改善。

參 考 文 獻

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中圖分類號V249

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.009

作者簡介:楊益興,男,高級工程師,研究方向:艦船電子武備設計與監造。

*收稿日期:2015年8月3日,修回日期:2015年9月25日