綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合模擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

祝中磊，卞鴻巍，馬 恒，王榮穎

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

信息融合問題是船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱綜導(dǎo)系統(tǒng))的核心問題之一。目前，綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合研究存在以下問題：1)常用綜導(dǎo)系統(tǒng)的信息融合研究主要基于理想化假定模型，仿真條件與最終實(shí)際系統(tǒng)并不一致，難以充分驗(yàn)證仿真分析的有效性；2)在綜導(dǎo)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段，主要關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)外接口測(cè)試，對(duì)信息融合性能測(cè)試檢驗(yàn)尚不充分，也缺乏有效技術(shù)手段；3)實(shí)船海試考核階段，主要測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及不同模式的切換管理，信息融合對(duì)系統(tǒng)精度性能提升的最終貢獻(xiàn)度尚難以有效檢驗(yàn)。產(chǎn)生上述問題的原因是理論仿真階段缺乏基于實(shí)裝海試數(shù)據(jù)的設(shè)備誤差模型和統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)船條件缺乏評(píng)估所需的船舶各主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的基準(zhǔn)真值，同時(shí)在海試階段又難以遍歷各種復(fù)雜工況和邊界條件。

與此同時(shí)，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，綜導(dǎo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)水平大幅提升，特別是公共計(jì)算資源在全艦的不斷推廣應(yīng)用，為綜導(dǎo)系統(tǒng)采取更為復(fù)雜和多樣的信息融合技術(shù)提供了強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力支持。因此，有效開展面向未來船舶，充分發(fā)揮現(xiàn)有軟硬件技術(shù)能力的綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合技術(shù)研究十分必要和迫切。搭建新型的綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合模擬仿真研究平臺(tái)的目的就是為了在陸上實(shí)驗(yàn)室更加有效地開展綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合技術(shù)研究。

但目前國內(nèi)專門針對(duì)綜導(dǎo)信息融合的研究平臺(tái)并不完善，國內(nèi)相關(guān)研究單位對(duì)相應(yīng)平臺(tái)進(jìn)行了開發(fā)，但距離滿足上述要求還存在以下主要問題：1)關(guān)注多線程多通道綜導(dǎo)數(shù)據(jù)模擬交互、教學(xué)培訓(xùn)等需求，對(duì)信息融合的研究弱化；2)船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成時(shí)對(duì)外部環(huán)境影響的考慮不充分；3)研究信息融合的算法單一，多數(shù)只采用了卡爾曼濾波算法進(jìn)行信息融合。

針對(duì)上述問題，本文介紹了一種新型的綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合模擬仿真研究平臺(tái)。該平臺(tái)支持多種信息融合算法并行運(yùn)行，支持實(shí)際設(shè)備海試數(shù)據(jù)回放、接入測(cè)試和運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)重建，支持考慮多種海洋環(huán)境影響、更符合船舶實(shí)際運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成；并充分考慮未來全船公共計(jì)算資源的利用，為未來開展基于誤差特性機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等新型融合算法的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。本文將對(duì)該平臺(tái)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜導(dǎo)系統(tǒng)模擬仿真平臺(tái)主要由綜導(dǎo)信息融合模擬評(píng)估導(dǎo)調(diào)臺(tái)(以下簡稱導(dǎo)調(diào)臺(tái))、慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器、非慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器、綜合導(dǎo)航模擬器、電子海圖系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析服務(wù)器等6個(gè)模塊組成，總體架構(gòu)如圖1所示。各模塊分別安裝于6臺(tái)不同的計(jì)算機(jī)，采用千兆以太網(wǎng)相互連接。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System architecture

導(dǎo)調(diào)臺(tái)主要包括船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)生器和性能評(píng)估模塊，船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)生器生成導(dǎo)航基準(zhǔn)信息以及導(dǎo)航設(shè)備的模擬輸入值，性能評(píng)估模塊主要用于對(duì)綜合導(dǎo)航模擬器的結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)估；慣性與非慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器用于生成多種導(dǎo)航設(shè)備的模擬測(cè)量值；綜合導(dǎo)航模擬器對(duì)導(dǎo)航設(shè)備模擬器的模擬測(cè)量值進(jìn)行預(yù)處理、可用性評(píng)估、信息融合等處理工作，其結(jié)果與測(cè)量值一同送入數(shù)據(jù)分析服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)分析；數(shù)據(jù)分析服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)、事后處理分析數(shù)據(jù)，以高性能計(jì)算機(jī)為硬件模擬公共計(jì)算資源，提高系統(tǒng)存儲(chǔ)和計(jì)算能力，并協(xié)助綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合決策；電子海圖系統(tǒng)主要用于協(xié)助導(dǎo)調(diào)臺(tái)規(guī)劃航路、顯示導(dǎo)調(diào)臺(tái)和綜合導(dǎo)航模擬器的軌跡。

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 綜導(dǎo)信息融合模擬評(píng)估導(dǎo)調(diào)臺(tái)

導(dǎo)調(diào)臺(tái)主要用于模擬船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，提供載體基準(zhǔn)真值，并利用模擬基準(zhǔn)對(duì)綜合導(dǎo)航模擬器的輸出結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)估。下面主要介紹導(dǎo)調(diào)臺(tái)中船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)情況。

船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)生器是導(dǎo)調(diào)臺(tái)的主要模塊，其功能為生成船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位置、速度、航向及姿態(tài)等信息)以及為導(dǎo)航設(shè)備模擬數(shù)據(jù)生成所需的基準(zhǔn)參量(如艦船運(yùn)動(dòng)角加速度、線加速度等)和海況信息(如流速、流向、風(fēng)速、風(fēng)向等)。下面介紹發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路。

首先，根據(jù)航路規(guī)劃得到船舶的航路段，設(shè)計(jì)各航路段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；其次，基于船舶加速度運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和風(fēng)流浪海況等信息，求解出每一時(shí)刻的船舶線加速度、角加速度；最后，通過船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算方程求解位置、速度、航向和姿態(tài)信息，得到船舶運(yùn)動(dòng)參考信息(如圖2所示)。

圖2 船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成圖Fig.2 Ship motion parameters generation diagram

可以看出，求解每個(gè)時(shí)刻船舶線加速度、角加速度為設(shè)計(jì)發(fā)生器的重點(diǎn)。但由于船舶線加速度、角加速度的解析式求解難度大，而用于信息融合研究的船舶實(shí)際運(yùn)動(dòng)的模擬并不需要特別精確的解析式。為此，本文采用近似解析船舶運(yùn)動(dòng)加速度的求解方法。

(1)船舶機(jī)動(dòng)加速度模型

船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有勻速、變速、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，海況有海風(fēng)、海流、海浪等。設(shè)船舶在載體坐標(biāo)系下線加速度、角加速度分別為、；勻速、變速、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、海風(fēng)、海流、海浪等導(dǎo)致的船舶線加速度分別表示為～，角加速度為～。船舶加速度模型為

(1)

其中，為6×1的控制系數(shù)向量。如當(dāng)船舶處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，海況為無風(fēng)、無流、有浪時(shí)，=[1 0 0 0 0 1]，其余情況以此類推。

(2)船舶線加速度模擬表達(dá)式

以船舶變加速為例，求解式(1)中的近似表達(dá)式。

通常船舶沿直線加速時(shí)的實(shí)際線加速度很難保持恒定常值，而是連續(xù)不斷變化。文獻(xiàn)[15]提出了一種采用指數(shù)函數(shù)(見式(2))描述線加速度模型的方法，能體現(xiàn)載體線加速度變化，但在初始時(shí)刻線加速度指數(shù)函數(shù)的初始值設(shè)置不為0，與變速的初始時(shí)刻線加速度接近為0的實(shí)際情況不符。

()=35e-009

(2)

為保證船舶線加速度連續(xù)平穩(wěn)變化，本文采用平滑的二階系統(tǒng)欠阻尼階躍響應(yīng)作為船舶變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度變化函數(shù)，然后再對(duì)其求導(dǎo)得到船舶線加速度。假定在零初始條件下，船舶速度及其導(dǎo)數(shù)線加速度的值均為0。設(shè)零時(shí)刻船舶經(jīng)過加速后速度穩(wěn)定在m/s附近(如圖3所示)，則速度表達(dá)式為

圖3 船舶加速時(shí)速度變化曲線Fig.3 Speed curve during ship accelerating

(3)

假定在載體坐標(biāo)系下，船舶做直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)右向和天向的線加速度為0，對(duì)式(3)求導(dǎo)可得前向加速度的表達(dá)式為

(4)

式(1)中其余各項(xiàng)表達(dá)式的求解方法與類似，在此不再贅述。

(3)船舶機(jī)動(dòng)性能指標(biāo)

除確保船舶線加速度連續(xù)變化外，采用二階系統(tǒng)響應(yīng)作為速度函數(shù)還可使船舶的性能分析相對(duì)簡單。由二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)公式可知，上升時(shí)間為

(5)

假定選取誤差帶為= 0.05時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間為

(6)

上升時(shí)間反映了船舶的變速響應(yīng)速度，體現(xiàn)了船舶的機(jī)動(dòng)性；調(diào)節(jié)時(shí)間反映了船舶速度維持在期望值附近的快慢，體現(xiàn)了船舶的穩(wěn)定性等特性。

2.2 導(dǎo)航設(shè)備模擬器

導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)可采用理論建模生成和原始數(shù)據(jù)回放等形式。理論建模通過建立的數(shù)學(xué)模型模擬導(dǎo)航設(shè)備的輸出，相關(guān)內(nèi)容在此不展開；原始數(shù)據(jù)回放則直接將實(shí)際導(dǎo)航設(shè)備海試數(shù)據(jù)作為導(dǎo)航設(shè)備模擬器的輸出。原始數(shù)據(jù)回放形式僅需顯示和發(fā)送信息，能反映導(dǎo)航設(shè)備的真實(shí)試驗(yàn)情況。

2.3 綜合導(dǎo)航模擬器

綜合導(dǎo)航模擬器模擬綜導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能，完成對(duì)導(dǎo)航信息的預(yù)處理、可用性評(píng)估、信息融合等工作(如圖4所示)。預(yù)處理完成有效性判定、坐標(biāo)統(tǒng)一、時(shí)間同步、野值剔除等操作。可用性評(píng)估算法利用各設(shè)備同類導(dǎo)航信息間關(guān)系計(jì)算評(píng)估信息可靠性和可用性，可信度低于50%視為導(dǎo)航設(shè)備出現(xiàn)故障，并將結(jié)果在綜合導(dǎo)航模擬器的顯控界面顯示。擇源算法包括位置、速度和姿態(tài)擇源算法，根據(jù)可用性評(píng)估的結(jié)果，手動(dòng)或自動(dòng)選擇信息來源。推算算法有多普勒速度儀(Doppler Velocity Log，DVL)/羅經(jīng)和電磁計(jì)程儀/羅經(jīng)兩種推算模式，根據(jù)導(dǎo)航信息和選擇的推算模式進(jìn)行船舶航跡推算。在綜合模式下，設(shè)定組合模式后，利用選擇的融合算法對(duì)各導(dǎo)航設(shè)備信息進(jìn)行融合處理。融合算法包括自適應(yīng)加權(quán)算法、卡爾曼濾波算法、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，綜合導(dǎo)航模擬器采用多任務(wù)多線程方式并行運(yùn)行上述融合算法。

圖4 綜合導(dǎo)航模擬器信息流程圖Fig.4 Information flow chart of integrated navigation simulator

2.4 數(shù)據(jù)分析服務(wù)器

數(shù)據(jù)分析服務(wù)器主要用于在線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線與離線數(shù)據(jù)處理分析。采用配備高性能圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)的計(jì)算機(jī)模擬公共計(jì)算環(huán)境，使得數(shù)據(jù)分析服務(wù)器具備較強(qiáng)的存儲(chǔ)與計(jì)算能力。

數(shù)據(jù)分析服務(wù)器主要有存儲(chǔ)、建模、可用性分析、信息融合等功能。存儲(chǔ)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理；以在線和歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多種方法完成導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差建模；根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)，自適應(yīng)選取有效算法實(shí)現(xiàn)對(duì)各導(dǎo)航系統(tǒng)信息的可用性分析，并根據(jù)要求反饋結(jié)果；信息融合功能要求實(shí)現(xiàn)在多種不同工況、不同導(dǎo)航信息條件下采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法的信息融合，提高系統(tǒng)精度，協(xié)助綜導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理和決策。

2.5 電子海圖系統(tǒng)

電子海圖系統(tǒng)是導(dǎo)航系統(tǒng)航海作業(yè)的核心設(shè)備，為船舶航行提供引導(dǎo)決策。為使系統(tǒng)更加貼近實(shí)際設(shè)備效果、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、體現(xiàn)演示系統(tǒng)的完整性，并為未來模擬訓(xùn)練提供功能支持，選取基于S57等標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖系統(tǒng)嵌入平臺(tái)。電子海圖模塊還可協(xié)助導(dǎo)調(diào)臺(tái)規(guī)劃航路，顯示導(dǎo)調(diào)臺(tái)生成的基準(zhǔn)軌跡與綜導(dǎo)模擬器輸出的融合軌跡。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 功能測(cè)試

慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器和綜合導(dǎo)航模擬器的功能測(cè)試過程如下。

如圖5所示，導(dǎo)調(diào)臺(tái)將運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息發(fā)送到慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器后，模擬器按照設(shè)置的工作模式、初始參數(shù)等信息生成慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬數(shù)據(jù)，并在界面上實(shí)時(shí)顯示。

圖5 慣性類導(dǎo)航設(shè)備模擬器Fig.5 Inertial navigation equipment simulator

如圖6所示，在采取多種融合算法并行運(yùn)行完成對(duì)各導(dǎo)航信息融合之后，綜合導(dǎo)航模擬器將在界面上顯示處理結(jié)果以及設(shè)置的相關(guān)環(huán)境模擬信息。

圖6 綜合導(dǎo)航模擬器Fig.6 Integrated navigation simulator

其余模塊的功能測(cè)試與上類似，在此不再贅述。經(jīng)過多次運(yùn)行測(cè)試，各模擬器工作正常。

3.2 信息融合性能測(cè)試

測(cè)試一種信息融合方法的性能，首先需要在平臺(tái)中配置好信息融合算法，通常需要配置融合算法名稱、參數(shù)列表、融合算法和流程、初始化等內(nèi)容。在配置好融合算法后，可利用平臺(tái)測(cè)試其性能。

本文以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation Sys-tem，INS)/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)組合卡爾曼濾波算法為例，選取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測(cè)試。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括INS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite Sys-tem，BDS)、GNSS、組合接收機(jī)等。以組合接收機(jī)的位置信息為基準(zhǔn)，將INS/GNSS組合卡爾曼濾波的融合結(jié)果與單一設(shè)備中精度最高的GNSS進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖7所示，平臺(tái)能按照所選擇的融合算法融合，并以誤差曲線形式對(duì)比展示融合效果。相較于單一設(shè)備中精度最高的GNSS，采用INS/GNSS組合后的精度較高，位置誤差基本維持在10m內(nèi)。

圖7 位置誤差對(duì)比Fig.7 Position error comparison

4 結(jié)論

1)本文提出了一種船舶綜導(dǎo)系統(tǒng)信息融合模擬仿真平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案。

2)該平臺(tái)生成船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)，充分考慮了多種海況環(huán)境干擾，使綜導(dǎo)系統(tǒng)的仿真條件更加接近實(shí)際系統(tǒng)；采取并行運(yùn)行多種融合算法，比較不同算法的性能差異；嵌入基于S57等標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖系統(tǒng)，具有貼近實(shí)際設(shè)備效果、用戶體驗(yàn)感強(qiáng)的特點(diǎn)；采用高性能計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)分析服務(wù)器的硬件，具備更強(qiáng)的存儲(chǔ)與計(jì)算能力。

3)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合模擬仿真平臺(tái)可用于船舶信息融合算法的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試評(píng)估等工程研發(fā)工作，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值。