快速定位定向系統設計及車載實驗研究

李瑞濤劉 剛石志興2王 朕(.海軍航空工程學院控制工程系煙臺264002.北京自動化控制設備研究所北京00074)

快速定位定向系統設計及車載實驗研究

李瑞濤1，劉 剛1，石志興2，王 朕1
(1.海軍航空工程學院控制工程系，煙臺264001；2.北京自動化控制設備研究所，北京100074)

定位定向系統是能為載體提供精確地理位置坐標、指北方向和姿態角的導航系統，通常用于艦船、飛機、車輛等功能平臺，為平臺上的設備提供準確的位置和姿態參考信息。本文針對車載平臺機動性高的特點，設計能夠實現運動中對準的快速定位定向系統，開展捷聯慣導數字遞推算法、航位推算、多源信息組合導航、動基座對準算法、系統免標定、誤差補償等算法和技術研究。最后，開展靜態對準、靜態導航和動態車載實驗研究。實驗結果表明，動態對準時間小于5min，對準姿態精度小于1mil，方位保持精度小于1mil／2h，橫滾角、俯仰角保持精度小于0.5mil／2h，里程計／慣導組合水平定位精度小于0.15%D，衛星／慣導組合水平定位精度小于10m。

定位定向；捷聯慣導系統；航位推算；組合導航；初始對準

0 引言

車輛定位定向技術是利用定位定向傳感器實時獲取車輛位置和姿態信息的技術。車載定位定向系統能夠引導車輛行駛，并為車載設備提供準確的地理坐標、北向方位和姿態角參考信息，廣泛應用于軍事裝備中。軍事上，固定陣地武器平臺性能好、功能全面，但容易被敵方偵察到并摧毀。為提高武器裝備的戰場生存和作戰能力，各國軍隊列裝了大量機動岸防、防空、偵察、預警與電子對抗平臺，如自行火炮發射車、增程火箭炮、導彈發射車、指揮車、電子對抗車等。作戰平臺由固定陣地和預設陣地向隨機使用的轉變，要求平臺自身必須具備感知空間位置與方位的能力，可在靜止或機動過程中完成對準，并提供完整的滿足精度要求的導航信息。

按技術方案分類，車載定位定向系統可分為平臺式慣性導航系統、航位推算系統、捷聯慣性導航系統、捷聯慣導與多源信息(GNSS、里程計、高度表、地磁、重力、地理信息等)的組合導航系統［2］。其中，捷聯慣導與多源信息組合導航系統(以下簡稱多源系統)因結構簡單、可靠性高、可維修性強、使用方便，是目前定位定向系統的主要方案，特別是不依賴外部信息的多源自主導航系統。

國外陸用定位定向系統研究始于20世紀50年代。到20世紀90年代，已有大量定位定向系統裝備部隊［3?5］，例如：法國SIGMA30系統、美國數字化旅的俠士155自行火炮、以色列LANSMKIV地面導航系統等。90年代之后，國外定位定向系統結合新技術出現，處于不斷完善的階段。國內陸用定位定向系統研究始于20世紀80年代，研制單位有清華大學、國防科技大學等，最早研制了基于液浮陀螺或撓性陀螺的平臺慣導系統，并成規模裝備部隊。到21世紀國內光學陀螺技術成熟后，開始研制基于激光陀螺或光纖陀螺的捷聯式慣導系統。

本文針對各軍種電子對抗和偵察車輛，設計快速定位定向系統，以滿足電子對抗和偵察車輛靈活機動、快速定位定向的需求，最后開展車載實驗研究，驗證系統的各項性能指標。

1 系統組成

定位定向設備組成包括：光纖捷聯慣性導航單元、里程計、高度計、北斗接收機、導航計算機，以捷聯慣導信息為主，綜合里程計、北斗、地理信息等，采用Kalman濾波技術實現信息的最優綜合以獲得導航定位參數。其中，慣性導航單元由光纖陀螺、加速度計、信息處理電路、電源、結構與電氣、軟件組成，里程計、高度表、北斗用戶機均外置。系統組成框圖如圖1所示。

其中，光纖陀螺零偏穩定性為0.01(°)／h，標度因數穩定性為3×10－5；石英撓性加速度計零偏穩定性為20μg，標度因數穩定性為3×10－5；電子里程計輸出正反兩路脈沖，轉動一圈輸出120個脈沖信號；氣壓高度計測量精度為10m；北斗接收機可以同時接收GPS、Glonass、BeiDou?2民碼信號，水平定位精度優于10m。

此外，在慣性導航系統側面設置了姿態基準棱鏡，用于在車載平臺上安裝時，借助光學儀器，使得車輛坐標系和慣導敏感軸對齊；另一方面也可以借助光學儀器，完成對其他車輛或系統的方位與位置傳遞。

系統實物如圖2所示，慣性導航系統組裝圖如圖3所示。

系統電壓輸入為18V～36V，工作電流小于3A，使用RS422串口輸出導航信息。

2 關鍵導航算法

慣性導航系統通過陀螺儀敏感轉動，建立數學平臺，通過加速度計敏感加速度，經過積分后得到速度和位置，由于慣性器件誤差漂移的存在，慣導系統短時精度高，長時間導航誤差呈指數發散；氣壓高度表測量高度差、里程計測量載車的速度和總路程，能夠對慣導速度、位置發散進行約束，進一步對姿態發散進行約束，是慣導系統實現長時間自主定位定向的重要保障；北斗用戶機可用于和慣性導航系統進行組合導航，也可以作為路標點與慣性／里程計組合導航系統使用［2］。至此，本文算法設計的思路是以高精度慣導為中心，利用外圍傳感器信息來有效約束慣導系統誤差發散，實現長時間高精度定位定向功能。

本文用到的坐標系有地心慣性坐標系(i系)、地球坐標系(e系)、導航坐標系(n系)和載體坐標系(b系)，其定義詳見文獻[1]。

2.1 捷聯慣導數字遞推算法

與平臺式慣導系統建立機械平臺不同，捷聯式慣導系統采集陀螺的角速率信息，利用導航計算機計算姿態矩陣，實時在計算機內構造數學平臺，利用該數學平臺，將加速度計測量值投影到地理坐標系中，經過積分后得到速度和位置信息。因此，捷聯式慣導算法通常分為姿態更新、速度更新和位置更新3個步驟完成，而姿態更新對于捷聯式慣導系統尤其重要［6］。

本文中，姿態更新使用旋轉矢量方法實現，對圓錐誤差優化補償后，得到雙子樣更新算法，有效解決了旋轉中不可交換性誤差的問題；速度更新算法引入劃船誤差補償，解決了載體在既有線振動又存在角振動環境中引入的速度誤差問題；位置更新算法中引入渦卷誤差補償，消除載體做劃船運動時引入的位置解算誤差［1，6?8］。

2.2 航位推算算法

航位推算使用三軸陀螺和里程計作為傳感器，得到姿態和里程信息后，用于推算載車相對于起始點的相對位置。通常，里程計輸出采樣時段內行駛的路程增量，陀螺輸出采樣時段內的角增量。航位推算由位置更新算法和姿態更新算法組成，原理與捷聯慣性解算相似［9］。

假設車輛緊貼路面行駛，沒有發生彈跳和側滑，里程計輸出沿車輛主軸方向的速度大小，選取里程計坐標系m系，其原點位于地面，x?y?z軸分別指向載車右?前?上，則里程計輸出在m系表示為：

其中，vD為里程計測量的速度大小。假設慣導敏感軸與m系重合，即b和m系重合，假設從b系到n系轉換矩陣已知，則里程計輸出在地理系中表示為：

經過積分后，即可得到航位推算位置更新算法：

航位推算姿態更新算法和捷聯慣導姿態更新算法類似，唯一不同在于使用航位推算的速度代替捷聯慣導解算的速度，用于計算導航坐標系的轉動，由于航位推算的速度誤差不發散，因此航位推算姿態更新算法擁有更高的精度。

2.3 多源信息組合導航算法

慣導系統不依賴外部信息，是自主導航系統的理想方案，但其導航誤差隨時間累積，且呈指數發散。定位定向車輛通常需要長時間工作，僅用慣導系統無法滿足精度需求。利用外部測量信息和慣導信息融合，能有效修正或約束慣導誤差，本系統中外部信息有里程計測量的里程信息、高度表測量的高度信息、北斗接收機測量的位置速度信息。

里程計和高度表不容易受干擾，但誤差緩慢發散，有偏系統；北斗接收機測量無偏，但容易受干擾。設計組合導航系統可以使用慣導分別與里程計、高度表、衛星組合濾波，然后再用聯邦Kalman濾波算法對子濾波器結果進行綜合。該方案子系統之間不相互干擾，系統魯棒性強，但算法復雜且運算量大。在使用高精度慣導的情況下，系統誤差發散緩慢，由慣導、航位推算、衛星導航解算的姿態、速度、位置相近，因此可以使用一個擴展Kalman濾波器實現慣導／里程計／高度表／衛星組合導航系統，簡化系統設計復雜度，增加使用的靈活性。

根據各個系統的需求，擴展Kalman濾波器的狀態量選擇為：

狀態量分別為三維姿態誤差、速度誤差、位置誤差、陀螺零偏誤差、加速度計零偏誤差、鐘差、鐘漂。狀態轉移方程根據各誤差的定義來設置。

觀測量分別為航位推算位置誤差、高度表高度誤差、衛星導航偽距誤差。當某個分系統失效時，則去除相應的觀測量，如此便可靈活地實現各種組合方式，典型的如慣性／衛星組合導航、慣性／里程計／高度表組合導航等。

2.4 動基座對準算法

慣導系統工作之前要對其姿態、速度、位置進行初始化(對準)，初始化精度越高，則純慣性導航誤差發散越慢。通常慣導系統初始對準分為粗對準和精對準兩個階段。

粗對準利用重力矢量和地球自轉矢量，通過解析的方法求取初始姿態矩陣，矩陣形式為：

粗對準結束后，通常使用Kalman濾波器開始靜基座精對準。但存在兩個問題，一是載車要求靜止，限制了機動性能；二是航向角可觀測性差導致收斂速度慢且精度一般。在靜基座精對準過程中，俯仰角和橫滾角收斂快，而航向角收斂慢。針對這一特點，本文的精對準思路是：粗對準結束后，先用靜基座Kalman濾波器進行精對準，約30s俯仰角和橫滾角收斂后，載車開始行駛，利用慣導軌跡與航位推算軌跡相似性實現航向角對準［6，10?11］：

其中，Δ~Sh是起始點到終點的航位推算水平面內位移，ΔSh是起始點到終點的真實水平面內位移(由衛星導航接收機給出)，φDU為航向角誤差，對航向角進行修正后即完成了航向角精對準，終點到起始點的位移越大，則航向角對準精度越高。

3 誤差補償算法

3.1 杠桿臂補償

當衛星導航天線、慣導坐標原點、里程計坐標原點不重合，載車發生轉動時，將引起各子系統位移不一致而將誤差引入系統中。因此，需要對杠桿臂進行誤差補償。以北斗衛星天線與慣導之間的杠桿臂為例，設從慣導坐標原點到衛星天線中心的杠桿臂向量為lb，則慣導與衛星導航系統之間速度、位置關系為：

其中，Mpv是僅與緯度有關的常值轉換矩陣。

3.2 免標定技術

本文設計的組合導航系統在衛星導航、航位推算功能正常時，能夠估計陀螺零位、加速度計零位、里程計誤差系數等標定參數，并寫入flash存儲，實現自標定功能，具有實用意義。

4 實驗驗證

為了驗證本文設計的定位定向系統性能，在實驗室環境開展了靜態對準、靜態導航實驗，之后開展動態跑車實驗。

4.1 靜基座對準實驗

將慣導放置在轉臺上，轉臺分別旋轉至1～4象限，每個位置進行6次靜基座對準實驗，對準結果如表1所示。

6次對準結果取均值，得到1～4象限對準誤差依次為：0.1737mil、0.4239mil、0.2754mil、0.3598mil，誤差均值為0.4239mil。

4.2 靜態導航實驗

調整轉臺傾角為0°，在水平方向均勻選取6個方位，作為測試方位依次進行。設備通電，進行初始對準，對準結束后進入導航狀態，記錄初始方位角和水平姿態角。每隔10min轉動轉臺方位10°、俯仰轉動5°后回到當前初始位置，查看轉動過程中方位和姿態變化情況，每20min記錄一次方位角和水平姿態角。在一個方位上連續工作2h后，在進行下一個方位的測量。實驗結果如表2～表4所示。

表1 靜基座對準實驗結果Table 1 Test results of stationary alignment ［unit：(°)］

表3 俯仰角保持精度測試結果Table 3 Test results of pitch holding accuracy ［unit：(°)］

表4 橫滾角保持精度測試結果Table 4 Test results of roll holding accuracy ［unit：(°)］

航向角1～6次保持精度均值依次為：0.6250mil、 0.5717mil、 0.4283mil、 0.4517mil、0.2517mil、1.0000mil，均值為0.6011mil；俯仰角1 ～6次保持精度均值依次為：0.115mil、0.1166mil、0.1066mil、0.0883mil、0.0916mil、0.12mil，均值為0.12mil；橫滾角1～6次保持精度均值依次為：0.1683mil、0.118mil、0.13mil、0.095mil、0.15mil、0.1466mil，均值為0.1683mil。

4.3 動基座對準實驗

本文設計的定位定向系統具有快速啟動和行進間對準功能。定位定向系統通電以后，不需要載車保持靜止長時間停車狀態完成對準后再行駛，初始完成30s粗對準后即可行車，在行車過程中利用里程計信息完成定位定向系統的初始對準，整個對準時間不大于10min。開展了11次動基座對準實驗，結果如表5所示。

表5 里程計輔助動基座對準實驗數據Table 5 Test results of odometer aided in?motion alignment

對航向精度求均值，得定位定向系統動基座對準精度為0.59mil。

4.4 動態跑車實驗

為了驗證定位定向系統的動態導航性能，開展了跑車實驗測試工作，以差分GPS(精度優于1m)定位結果作為基準，跑車路線為北京六環或京石高速公路，定位定向設備完成對準后轉導航，最快行駛速度超過120km／h。

跑車路線如圖4所示，跑車過程中由北斗接收機和高度表測量的高度信息如圖5所示，組合導航系統位置與差分GPS接收機位置誤差如圖6所示。

由于跑車過程中，差分GPS天線容易被高樓遮擋，出現跳點，因此圖中出現很多尖峰，剔除尖峰后，定位定向系統位置誤差峰峰值在50m以內。

為進一步量化定位定向系統的位置誤差，選取一段開闊的直線路段，開展6次測試，水平定位精度結果如表6所示。

表6 定位定向系統位置精度測試數據Table 6 Test results of position accuracy

對上述結果取均值，得慣導／衛星組合導航水平誤差為5.71m，慣導／里程計組合導航水平誤差為58.45m(0.085%D，D為總里程)，高度誤差為4.46m。

5 結論

本文針對軍用武器裝備平臺對定位定向精度、機動性能等的要求，設計了慣導／衛星／里程計／高度表組合定位定向系統，開展了捷聯慣導數字遞推算法、航位推算算法、多源信息組合導航算法、動基座對準算法、誤差補償算法的研究。靜態實驗和動態實驗表明，本文設計的定位定向系統動態對準時間小于8min，對準姿態精度小于1mil，方位保持精度小于1mil／2h，橫滾角、俯仰角保持精度小于0.5mil／2h，里程計／慣導組合水平定位精度小于0.15%D，衛星／慣導組合水平定位精度小于10m。

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Design and Field?test of Vehicle Position and Azimuth Fast Determining System

LI Rui?tao1，LIU Gang1，SHI Zhi?xing2，WANG Zhen1
(1.Department of Control Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001; 2.Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074)

Position and azimuth determining system(PADS)are systems providing accurate geographical coordinate，azimuth and attitude information for vehicle.The PADS is usually mounted on warship，airplane，vehicle，adopted as posi?tion and attitude reference standards.To enhance the vehicle weapon platform's fast reaction ability，this paper designed a PADS which carries out initial alignment in moving mode.A set of strapdown inertial navigation system(SINS)algorithms，high accuracy dead reckoning(DR)algorithms，multi?source integrated navigation algorithms，initial alignment algorithms in moving base，calibration free algorithms and error compensation algorithms are studied in this paper.Static and field test results show the flowing performances：initial alignment time cast in moving base is less than 5 minutes，initial alignment attitude accuracy and azimuth holding accuracy are prior to 1 mil，pitch and roll attitude accuracy are 0.5 mil per 2 hours，horizontal position errors of SINS／DR integrated system are below 0.15%D，where D is the total mileage，horizontal posi?tion errors of SINS／GNSS integrated system are below 10 meters.

position and azimuth determining;inertial navigation system;dead reckoning;integrated navigation; initial alignment

U<666.134 文獻標志碼：A class="emphasis_bold">666.134 文獻標志碼：A 文章編號：1674?5558(2017)01?01297666.134 文獻標志碼：A

1674?5558(2017)01?01297

A 文章編號：1674?5558(2017)01?01297

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.003

李瑞濤，男，碩士，副教授，研究方向為飛行器導航制導與控制技術。

2016?07?27