機場搶建中新型組合導航定位技術的應用

曲春旭，喬惠君

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機場搶建中新型組合導航定位技術的應用

曲春旭，喬惠君

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

開展機場搶建工作時，需要考量的工程及技術要素比較多，該項工作專業性強，實施過程復雜。其中，測量系統不僅能夠精準定位，還要具備較高的可靠性，同時，也對這一系統作業時間提出了明確限制。在激光跟蹤定位/慣性組合導航理念基礎上，對IMU/TS組合定位導航方法予以應用，明確各系統組成元素及傳感器誤差項，通過延遲系統時間，估計相關狀態，選擇卡爾曼濾波器，實現IMU與TS數據之間的融合，在對比分析過程中，驗證新型組合導航定位技術在機場搶建中的應用。

機場；導航定位技術；激光跟蹤；GNSS

機場搶建工作實施難度比較大，為了達到良好的工程效果，需要考量新型組合導航定位技術的應用，結合實際工程目標，執行具體工作。自動化系統中，導航定位技術應用普遍，其定位精確及系統可靠與否，與該系統工作能力和應用潛能相關，要依據實際工程情況加以選擇和實施，方能達到良好的應用效果。該背景下，無論是GNSS系統，還是作為組合導航系統的GNSS/INS，應用都非常普遍。但倘若選擇衛星導航方式，其對衛星系統中相關信息的依賴度大，在高層樓房區域、隧道、橋梁等衛星信號不是很強的地方，使用效果不好。此外，機場搶建工作中，涉及到深空探測、交會對接測量等相關工作，還需要及時清除空間碎片，因此，采用全自主綜合定位導航系統，方能滿足實際工作要求。倘若借助激光跟蹤定位/慣性組合導航理念，即使無GNSS信號，系統的定位和定姿仍然會比較精準。

1 組合導航系統相關情況

1.1 組合導航系統概述

組合導航系統即INS，通常組合飛機和艦船等運載體上兩種或多種導航設備，其本質是一種綜合信息系統，旨在實施導航定位，控制運動及執行設備標定對準等相關工作。該系統無論是精度還是可靠性都較高，且具備自動化優勢，從根本上實現了導航系統網絡化。因單一導航系統利弊兼具，所以通過導航定位技術的組合，同時采用多種信息源，實施多功能系統構建，增加系統維度的同時，使定位更加精準[1]。

1.2 組合導航系統現狀及優勢

組合導航系統以計算機和數據處理技術為載體，組合導航設備，實現系統優化，使系統更加完備，包含輸入裝置、輸出裝置、數據處理和控制及外圍設備等。輸入裝置能夠對各類測量信息進行精準接收，經計算機處理之后，對飛機航向和航速等進行測定，并進行相關天文測算，而顯示器、打印機等輸出裝置的功能主要顯示優化和處理之后的信息。在機場搶建過程中應用新型組合導航定位技術，能夠彌補單一導航系統定位過程中的不足，使系統精確性和可靠性兼具。

1.3 組合導航系統關鍵技術

組合導航系統實際上是對多傳感器多源導航信息的集成和優化，該過程中，信息的融合和處理非常關鍵，會用到卡爾曼濾波。其依托遠動、測量方程，在參量值已知的前提下，執行相關推測、校正和估算工作。這一背景下，倘若同時有多種分系統參與組合，可對狀態矢量概念進行應用。誤差多被用作狀態矢量，用以對速度和方位誤差等進行科學估算。計算機是組合導航系統中的主設備，其作用在于借助相應的數學方法，整合、優化、處理各導航傳感器發送的信息，繼而顯示出來[2]。

2 IMU/TS組合定位導航系統組成

IMU和TS分別為慣性測量單元和全站儀。IMU/TS組合定位導航系統中涉及到的相關要素包括慣性測量單元、全站儀、時間同步器、數據采集處理單元。

將各傳感器部件之間的分布關系作為劃分依據，還可將IMU/TS組合定位導航系統劃分為觀測站和流動站兩項。前者囊括全站儀、時間同步器、數據采集處理單元，已知控制點為其主要分布區。在流動站上布置IMU和激光棱鏡，從而增強移動載體位置、角速度、加速度等各指標敏感度。當這一系統處于工作狀態時，全站儀的作用在于對激光棱鏡進行跟蹤，在這一過程中，獲取棱鏡位置斜距、航向、俯仰角等關鍵性指標信息，并在卡爾曼濾波器中，與經過時間同步后的慣性數據同時解算，達到良好的信息處理效果。采用正確的方式，科學比對GPS/IMU組合導航系統和IMU/TS組合定位導航系統中的相關實驗數據，以此為背景，對后者的位置測量精度進行科學評估，繼而對該系統原理進行驗證。

3 IMU/TS組合定位導航系統模型

3.1 狀態和量測模型

以慣性系統為載體，對目標運動參數估計方程進行構建，選擇Ts作為采樣時間設計標準，離散方程：

k=k-1+k-1. （1）

該背景下，狀態向量已知，選擇一階馬爾科夫過程，對目標運動模型進行假設，得出測量方程（）=（）×（）+（）.得出TS=[10×10，10×10].

3.2 優化設計卡爾曼濾波器

借用卡爾曼濾波公司，得出最優濾波方程：

經過正確的計算，分別對狀態和均方程差進行進一步預測，分別得出以下內容。卡爾曼增益矩陣為：

狀態估計和均方程誤差估計分別為：

4 分析傳感器誤差模型

采用科學的方法，優選正確的濾波器結構，并對各類傳感器誤差模型和各誤差源之間的關系具備清晰的認識，結合系統實際情況，科學標定和補償系統級誤差，避免在精確度方面對傳感器提出過高要求，以此為根本，使組合導航定位更加精確，達到良好的定位效果。IMU誤差、全站儀動態誤差和系統時間同步誤差共同構成了TS/IMU組合導航誤差源。

4.1 IMU誤差

在IMU的角誤差方程表達式已知的情況下，等效北向和東向加速度計誤差分別為▽N和▽E，而等效北向、東向、天向陀螺常值漂移分別為N，E，D.計算得出，等效北向和東向誤差為100 μg，陀螺隨機漂移為每小時0.1°。

4.2 全站儀動態誤差

在高精度動態測量過程中，全站儀的誤差模型已知，其中包含測距標度系數、測距動態誤差、俯仰角測量誤差、航向角測量誤差等重點內容和相關要素。

4.3 系統時間同步誤差

該誤差的形成是全站儀采樣時延、IMU采樣時延、全站儀時間基準和IMU時間基準的同步誤差共同作用的結果。其中，在時間同步誤差中起關鍵作用的是全站儀，該誤差通常在0.1～0.2 s，而其余兩項誤差相對較小，可忽略。執行全站儀動態測量工作時，初步測量至測量結果輸出再到測量數據傳入計算機，共同構成了時滯。

b+r+ω作為全站儀時延模型，b和r分別指代固定時間延遲和慢變漂移，一階馬爾可夫過程描述在該背景下極具適用性。具體實踐過程中，對時延模型起主導作用的是b和ω，前者的數值大約為100 ms，而的取值范圍通常在50～100 ms。

5 實驗結果

優選一段坡度相對平整的路面，該路面既要具備較好的衛星觀測條件，又要有足夠長的直線距離。將控制點設置在道路一端，架設全站儀，并依托時間同步器對其進行同步，提升測量信息精確度。同時，還要依據相關測量要求，選定某處作為基線控制點，并在執行具體工作之前，通過GPS精確測量這兩個部位的坐標。在試驗車頂端，采用科學的方法，固定GPS接收機和激光棱鏡，嚴格控制二者之間的平面距離，以0.440 m為宜。在試驗車頂部固定IMU和GPS接收機，使之處于開啟狀態，平面距離與前者等同。IMU和GPS接收機開啟之后，借助全站儀，將與基線相關的信息作為主要測量對象，以此為背景，對基線方位角進行計算。使棱鏡中心和全站儀保持對齊，之后，啟動自動追蹤。當試驗車處于移動狀態時，全站儀需要對鏡頭進行自動旋轉，以此鎖定棱鏡。把GPS接收機相位中心和激光棱鏡平面距離作為比較對象，經過比較之后，對可跟蹤全站儀測距進行驗證，看其是否精確。當GPS/IMU組合導航系統處于動態環境下時，定位精度是cm級，明確精度實驗原理及激光棱鏡和GPS接收機相位中心平面距離變化趨勢。

6 結束語

綜上所述，組合導航定位系統屬新型技術，應用范圍比較廣。結合機場搶建工作要求，對新型組合導航定位技術進行科學應用。當TS和TMU處于組合狀態，在IMU導航數據已知的情況下，借助組合平滑的方式，將定位數據跳變濾除，使TS具備較強的動態精度和位置分辨精度，達到良好的定位數據更新及動態跟蹤效果，提升組合導航定位精確度，使其更加可靠。TS/IMU組合定位導航系統以其獨特的技術優勢，對dm級進行精準定位，很大程度上提升了機場搶修速度及效率。

［1］王何巍，洪勇.新型組合導航定位技術在機場搶建中的應用［J］.地理信息世界，2014（01）：116-119.

［2］司文靜，趙銀祥，陳周，等.一種組合式水下導航定位方法研究［J］.水能經濟，2017（05）：331-332.

2095－6835（2018）23－0152－02

U675.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.152

〔編輯：張思楠〕