基于自主導航微終端的衛星導航深耦合技術及應用*

肖　勝

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室　武漢　430223)

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基于自主導航微終端的衛星導航深耦合技術及應用*

肖勝

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室武漢430223)

摘要簡要介紹衛星導航深耦合技術的概念、基本原理及應用,對常用的深組合方案進行分析比較,闡述了開展基于自主導航微終端的北斗衛星組合導航深耦合技術應用研究的必要性。

關鍵詞自主導航微終端; 組合導航; 深耦合

Introduction and Application of Deep Coupling Technology of Satellite Navigation Based on Autonomous Navigation Terminal

XIAO Sheng

(Navy Representative Office of Optoelectronic System in Zhongnan Area, Wuhan430223)

AbstractThis paper briefly introduces the concept, basic principle and application of the deep coupling technology of satellite navigation, and expounds the necessity of the application of the integrated navigation system based on autonomous navigation terminal.

Key Wordsautonomous navigation terminal, integrated navigation, deep coupling

Class NumberP228

1引言

自主導航微終端(Mirco-PNT)與衛星導航系統的深度耦合技術,是指在衛星信號被遮擋或受干擾,用戶接收機不能捕獲或跟蹤衛星的情況下,利用自主導航微終端的精確時鐘和高精度慣性測量技術輔助衛星導航系統的數據進行估計、修正、融合,實現快速選星、捕獲跟蹤衛星信號,達到精確導航和定位的目的。同時,在用戶接收機正常工作時,利用衛星導航系統的高精度授時和定位,校準原子鐘的時間,修正微機電系統(MEMS)和微慣性測量單元(MIMU)的積累誤差,提高微終端的授時和定位精度。

在現代高科技戰爭的背景下,自主導航微終端與衛星導航系統的深耦合技術能夠實現不依賴任何外部信息和設施、不向外部輻射能量的自主式導航,抗干擾以及抗敵對破壞能力更強,隱蔽性更好,將會廣泛地應用于軍用飛機、水面艦艇、潛艇、戰略導彈和戰術導彈、戰車、人造衛星等領域,有助于獲得戰場上的主動權。我國自行研制的北斗衛星導航系統已經成為世界上第三個成熟的全球衛星定位與通信系統,北斗衛星導航系統以及輔助導航技術,將會挑戰美國GPS用戶設備在全球市場壟斷的地位[1~3]。

2國外發展現狀及趨勢

國外深耦合技術研究起步較早,從20世紀80年代開始,美、英、法等國的軍方和民用部門開始研究慣性導航系統與GPS的耦合技術。Honeywell、Northrop、SALEM、TI、Litton等主要的慣性導航制造廠家,國際知名學者WillnerD、Speyer KerrT.H等,開始致力于慣性導航系統與GPS的耦合技術研究。國外普遍采用以下五種深組合導航技術方案[4~9]:

1) 常規模式

根據INS信息和GPS衛星星歷計算載體相對GPS衛星的偽距和偽距變化率,與GPS接收機輸出的偽距和偽距率作差,作為Kalman濾波器的測量信息,對INS的誤差進行濾波估計,以提高GPS的精度。同時,校正后的INS速度信息用于輔助GPS碼環鎖相過程,增強了GPS接收機快速捕獲GPS衛星信號和抗干擾的能力。

該方案原理簡單,較易實施。但存在一個正反饋過程,容易導致系統不穩定。GPS接收機碼環處于窄帶狀態,時間常數較大,跟蹤誤差和時間與INS的狀態相關。而且Kalman濾波器的量測噪聲是有色噪聲,必須對有色噪聲精確建模才能提高INS/GPS組合系統的性能。

2) 對碼環跟蹤誤差建模

該模式是針對常規模式存在的問題提出的,即對有色噪聲精確建模,并消除正反饋作用。相應于GPS接收機一階或二階碼跟蹤環,可建立一階或二階跟蹤誤差模型。

該模式的優點是提高了Kalman濾波器量測模型的精度,可改善INS/GPS組合系統的不穩定性,但沒有消除問題的根源,且增大了計算量。

3) 解相關偽距法

該模式改變了GPS碼環編排方式,添加了跟蹤誤差估計器來獲得具有白噪聲特征的量測殘差,使得Kalman濾波器的估計結果最優,消除了跟蹤誤差相關問題,去除了Kalman濾波器不穩定的根源。其缺點是對GPS碼環進行了重新編排,實施難度較大。

4) 濾波跟蹤法

該模式取消解相關偽距法中的比例控制環節,使Kalman濾波器在估計INS與GPS誤差的同時參與碼環濾波,并將Kalman濾波器的最優估計結果作為初值提供給碼環C/A碼發生器。

該方案的優點是在獲得理想量測輸入的同時,增強了回路的抗干擾能力。但因取消了比例控制,動態跟蹤性能較解相關偽距法稍差。

5) 碼誤差跟蹤法

該模式用相關器控制回路取代碼環,Kalman濾波器直接跟蹤碼誤差,INS的偽距和偽距率分別加入C/A碼發生器和驅動碼數控振蕩器NCO,Kalman濾波器的量測殘差直接來自GPS接收機的相關檢測網絡。

該方案的優點是Kalman濾波器的量測輸入取自偽距殘差,消除了誤差根源,根據量測殘差的大小控制相關器的過零點,因而大大提高了系統對INS誤差的容限。同時,Kalman濾波器被包在跟蹤環路之中,帶寬很窄,提高了系統對干擾的容限。

上述五種深組合模式中,常規模式是傳統的做法,存在一定的缺陷。其他四種模式都不同程度地涉及GPS接收機內部的編排,甚至重新設計,實施難度較大。

目前,實際產品早已批量生產,是美國和其他北約國家軍用飛機改裝計劃中的重點,其工作結果也較為理想。美國絕大部分主戰飛機上,已經采用深耦合技術EGI(Embedded-GPS/INS)逐步取代單GPS接收機,并最終淘汰單GPS接收機。

美國McDonnell Douglas導彈系統部為其空對地導彈SLAM研制的深耦合制導系統,采用Rockwell Collins提供的單通道序貫P碼接收機,并應用了SINS輔助GPS接收機技術。

2013年4月10日,美國國防部高級研究計劃署(DARPA)的微定位導航授時技術(Mirco-PNT)項目研制的單芯片樣機,包含6坐標軸慣性測量裝置(3個陀螺儀和3個加速度計),并集成了高精度的主時鐘,功率為1W。目前,該項目將微終端提供的精確時鐘和慣性測量結合到了美國GPS中,研究內容與成果處于世界前列。

3基于自主導航微終端的衛星導航組合導航系統

該組合導航系統主要研究在衛星信號受干擾、遮擋、高動態等情況下,保證接收機輸出導航數據的可靠、高精度。

1) 在高動態、遮擋、干擾條件下,出現衛星失鎖的情況時,組合導航系統采用SINS輔助跟星的組合導航算法?；贛IMU輔助跟蹤環路的深耦合算法框圖如圖1所示。

圖1　基于MIMU輔助跟蹤衛星的深耦合算法框圖

一方面,MIMU測量得到的角增量、速度增量,經過誤差補償后,進行導航解算;另一方面,衛星接收射頻信號,經過射頻前端后進行捕獲跟蹤,當成功跟蹤信號時,解析導航數據,將導航數據輸入至卡爾曼濾波器進行最優估計,將估計得到的MIMU器件誤差反饋回MIMU器件測量的誤差模型中補償,卡爾曼濾波后速度信息輔助捕獲跟蹤衛星信號,調整本地信號的產生,從而保持跟蹤環路的穩定。

組合導航系統雖然可以依靠SINS進行不間斷導航,但導航精度會降低。而采用SINS輔助跟星的組合導航模式可以提高導航精度,同時也提高了導航接收機的抗干擾能力。

2) 在衛星缺失條件下,組合導航系統采用組合增強設計算法。組合導航系統主要由卡爾曼濾波器、ANFIS系統和綜合模塊三部分組成,其原理框圖如圖2所示。

圖2　基于ANFIS輔助KF的組合導航原理框圖

卡爾曼濾波器以MIMU的誤差方程和器件誤差模型作為系統狀態方程,以偽距、偽距率的MIMU估計值與衛星接收機測量值之差作為觀測量,輸入初始參數驅動濾波器對衛星/MIMU數據進行最優估計和誤差估計。ANFIS系統能夠較好地對于非線性系統進行建模,慣性導航是典型的非線性系統,因此利用訓練數據建立模糊推理結構,采用神經網絡訓練模糊推理隸屬度函數,使模糊推理系統穩定且滿足精度要求,從而得到可用的ANFIS系統。該ANFIS系統對于輸入的MIMU導航信息進行在線估計,輸出導航誤差。綜合模塊根據衛星狀態信息對于卡爾曼濾波與ANFIS系統的輸出信息進行加權計算作為導航誤差的估計值,并且將導航信息通過反饋回路校正MIMU的導航解算,從而抑制慣性導航的發散。

實驗表明該算法在衛星信號失鎖100s內,仍能保持位置、速度精度不降低。

3) 當衛星信號恢復正常時,組合導航系統重新啟用正常的卡爾曼濾波器進行深耦合組合導航設計。其設計框架如圖3所示。

采用偽距誤差、偽距率誤差的深組合導航算法,該組合中沒有單獨的衛星信號跟蹤環路,而是采用先進的矢量跟蹤環(VDLL)結構與濾波器相結合,通過導航濾波器將每個信號通道融合為一體,從而實現通道間的信息交互。聯合MIMU狀態誤差方程與衛星接收機相關的誤差方程作為導航濾波器的狀態誤差方程:

誤差方程:X=[XSINSXBD]T

圖3　深耦合導航系統結構圖

4) 軟件設計

模型建立后,采用高速的數字信號處理器(DSP 6000+系列)來完成導航算法的解算與數據處理,主要是導航解算、姿態矩陣的計算、坐標系的轉換和導航算法的實現。軟件結構流程如圖4所示。

圖4　基于微終端的衛星/MIMU組合導航系統軟件結構圖

在只能收到一顆衛星信號的情況下,采用改進的卡爾曼濾波算法,選擇自適應卡爾曼濾波算法進行組合導航設計,該類算法可以減小衛星失鎖導致的系統誤差積累。當衛星提供的時間可用時,用其校準原子鐘的時間;當衛星不可用時,為保證接收機有準確的時間,可使用原子鐘提供的時間,解決了整個系統的授時問題。

4結語

導航系統深耦合方式作為導航系統組合的最優方法,有利于充分發揮各導航系統的優勢,可以獲得比單獨導航系統更高的精度和更強的抗干擾能力,已成為目前導航系統發展的方向。而基于自主導航微終端的衛星導航深耦合技術,由于能更好地滿足在局部戰爭中微型的精確制導武器體積小、成本低、生產周期短、打擊目標準確率高、負面效應小、更高的可靠性和更強的抗干擾能力的要求,其工程化應用領域將逐步擴大。

我國對于導航微終端輔助北斗導航系統定位和導航的研究起步較晚,但潛力巨大,眾多研究所和高校正在進行輔助導航系統的研究工作,主要表現為北斗導航系統與導航微終端的位置信息的組合,取得了初步成果。例如,在飛艇組合導航系統中,將低精度光纖陀螺和石英加速度計構造成慣性測量裝置,應用于北斗組合導航,具有較高的導航精度和較好的抗干擾能力。因此,通過分析、借鑒國外INS/GPS深耦合系統的發展現狀,在該領域取得突破,將有效拓展北斗衛星導航的應用范圍,有著廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

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中圖分類號P228

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.015

作者簡介:肖勝,男,博士,工程師,研究方向:作戰指控,信息融合。

收稿日期:2015年9月4日,修回日期:2015年10月25日