基于地理信息的火炮綜合導航系統(tǒng)方案設計

趙 濤，王屹華, 李凌峰，龐 煒

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

基于地理信息傳感器(地形識別裝置、地磁傳感器和重力梯度儀等)和同步定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)構成的地理信息導航設備的成本較慣導系統(tǒng)低，因此在巡航飛行器、水中兵器和地面車輛系統(tǒng)中有廣闊的應用前景。開展關于基于地理信息(地形、地磁和重力等)的導航技術研究，無論在學科基礎前沿，還是工程應用方面，均具有迫切的需求。

本文討論了基于地理信息綜合導航研究的必要性及其國內外的發(fā)展概況，指出了發(fā)展所存在的問題和關鍵技術。最后，在如何提高地理信息綜合導航技術在火炮導航系統(tǒng)中的應用，提出了幾點建議。

1 基于地理信息的綜合導航研究現(xiàn)狀

1.1 基于地磁導航的研究現(xiàn)狀

地磁導航作為一種自主導航技術，具有隱蔽性好、穩(wěn)定和精度高的特點。2003年8月，美國國防部軍事關鍵技術名單里提到地磁數據參考導航系統(tǒng)，國防部的文件稱，所研制的純地磁導航系統(tǒng)的導航精度為：地面和空中定位精度優(yōu)于30 m(CEP)，水下定位精度優(yōu)于500m (CEP)。美國NASA Goddard空間中心和有關大學對地磁導航進行了研究，并進行了大量的地面試驗。同時，國外正在建立更高精度的地磁信息圖并重點研制高精度的磁傳感器，以進一步提高導航精度。

美國生產的波音飛機上配備有地磁匹配制導系統(tǒng)，在飛機起飛降落時使用。俄羅斯的新型機動變軌的SS-19導彈采用地磁等高線制導系統(tǒng)，實現(xiàn)導彈的變軌制導，以對抗美國的反彈道導彈攔截系統(tǒng)。SS-19導彈再入大氣層后，不是按拋物線飛行，而是沿稠密大氣層沿地磁等高線飛行，使美國導彈防御系統(tǒng)無法準確預測來襲導彈的飛行彈道軌跡，從而大大增強了導彈的突防能力。

由我國研制的磁力儀，靈敏度和采樣率高，南北工作跨度大，工作跨度可以適應世界任何地區(qū)(包括跨越地磁赤道海域)，可連續(xù)24 h工作，在世界上處于領先地位。在地磁圖方面，對相臨海域的磁場精密探測航空調查也取得了一定成績。

目前，關于地磁導航的許多關鍵技術還處于探索階段。但是，隨著高精度磁傳感器技術的應用，以及地磁干擾建模技術、磁傳感器配置探測技術等方面的突破，將大大促進地磁導航系統(tǒng)關鍵技術的突破與應用，促進地磁導航技術的發(fā)展與應用[1-3]。

1.2 基于重力場導航的研究現(xiàn)狀

基于重力場的導航是在研究重力擾動及垂線偏差對慣性導航系統(tǒng)精度影響的基礎上發(fā)展起來的一種利用重力敏感儀表的測量實現(xiàn)的圖形跟蹤導航技術，它要求事先制作好重力分布圖，圖中的各路線都有特殊的重力分布。

貝爾宇航公司研制的重力儀/重力梯度儀慣導導航系統(tǒng)可滿足戰(zhàn)略核潛艇、攻擊型核潛艇和水下無人運載體的要求，其中重力梯度儀是關鍵元件，精度可達1E(1E=10-9CGS)，整個系統(tǒng)可裝在直徑為21英寸的潛水器中，1h的CEP位置精度可達30 m，8 h的CEP位置精度為62 m。1999年和2000年美國Lockheed Martin公司就無源導航申請了專利，該系統(tǒng)包括周圍介質測量系統(tǒng)、慣性測量裝置、重力敏感器、重力圖和濾波器等，它使慣性導航系統(tǒng)不再依賴于GPS、雷達、聲納等外部設備。國內在重力輔助導航方面的研究，主要是集中在匹配算法的研究，而對于重力傳感器方面的研究鮮有報道，與國外相比還有較大的差距[4]。

1.3 基于SLAM導航的研究現(xiàn)狀

澳大利亞悉尼大學菲爾德機器研究中心利用水下機器人Oberon在悉尼沿海進行了水下自然環(huán)境試驗，結果證明了SLAM算法生成的估計是連續(xù)和一致的。

2000年，麻省理工學院利用真實海洋聲納數據的SLAM算法測試。試驗以差分GPS(DGPS)的定位結果為標準，比較了離散處理和INS/ DVL獲得的結果，證明了SLAM算法誤差增長速率比INS/DVL要慢得多，具有在水下航行器上應用的潛力。

英國Edinburgh的Heriot-Watt大學提出了在執(zhí)行海底探測使用由多普勒計程儀、三軸羅經和測掃聲納組成的系統(tǒng)來感知環(huán)境，以執(zhí)行SLAM算法。證明了SLAM算法可以作為絕對定位手段如GPS或聲基線系統(tǒng)的替代方法使用，也可以與他們協(xié)同工作，以輔助定位。

2004年，韓國漢城國立大學提出了自行研制的SNUUVI上應用基于測距聲納的SLAM算法，并在分別改變速度、距離和特征個數的各種不同仿真條件下進行了測試，證明了算法在真實環(huán)境中應用的可能性。除此之外，牛津大學以及西班牙的機器人視覺研究小組等機構也正在從事這方面的研究。如何能夠圓滿地解決這些問題，使算法可以真正地用于航行器的實時導航，是國際水下潛器導航界內人士一直孜孜追求的目標[5]。

2 方案設計和關鍵技術

2.1 方案設計

考慮到任何一種導航系統(tǒng)都不能保證在任何時候能提供全面和準確無誤的導航信息，每一種導航方法都存在可用性問題的缺點，提出了基于地理信息的綜合導航系統(tǒng)。它由以下部分組成：地理信息探測模塊(包括地形/地磁/重力數據探測器和數據處理)、地理信息存儲模塊(包括地形/地磁/重力數據庫和數據檢索)、導航輔助模塊(INS/GPS/北斗衛(wèi)星輔助校準)、濾波器和綜合導航信息匹配定位模塊等。

基于地理信息綜合導航系統(tǒng)示意圖和硬件實現(xiàn)方案設計，如圖1和圖2所示。

2.2 主要關鍵技術

2.2.1 基準地理信息數據庫的建立

實現(xiàn)任何以地理信息為基礎的導航系統(tǒng)的前提是，必須建立所需要和符合質量要求的基準地理數據庫。否則，不可能得到正確的使用。許多國家都在致力于建立自己的局部地磁場模型，其中美國、日本、加拿大、羅馬尼亞等國家每五年測繪一次國家地磁圖，我國每十年繪制一次國家地磁圖，最近的地磁場模型是2000CGRF。

2.2.2 數字地圖的制作

數字地圖就是存儲在計算機中數字化的地圖，它是通過地理參數的離散化采樣得到的。通過數據處理計算機，傳感器測量的數據與存儲在計算機存儲的數字地圖進行相關匹配，對火炮進行實時導航。同步定位與地圖創(chuàng)建(SLAM)技術，有利于火炮在未知環(huán)境的自主導航。但是，當復雜的環(huán)境運動時，生成的維護和更新柵格地圖的算法就比較復雜，對地圖的存儲空間和實時性要求也是一個挑戰(zhàn)。

2.2.3 匹配算法的研究

匹配算法是基于地理信息綜合導航的關鍵。目前應用的地理信息匹配算法主要是擴展卡爾曼濾波理論。但是，卡爾曼濾波算法所需要的各種誤差統(tǒng)計模型不易獲取，而且濾波的發(fā)散也不易控制。濾波器發(fā)散的可能性是使用這種方法的一個主要障礙。為了解決這一問題，常利用多模型估算算法，即并行的卡爾曼濾波結構，來減少大的初始位置誤差和不確定性引起的濾波器發(fā)散，從而提高導航系統(tǒng)的性能。

2.2.4 地理信息傳感器的研制和建模

地理信息傳感器主要是地磁傳感器、重力梯度計、聲納、激光測距掃描儀、激光和紅外等傳感器。我國在地磁傳感器方面取得了相當進展，在世界上處于領先地位。但關于重力梯度計卻未見有報道，需要進一步開發(fā)和研制。同時，地理傳感器與其他導航傳感器一樣，在使用之前，必須建立精確的數學模型，以便消除噪聲誤差。

3 結束語

由于各種導航技術各有優(yōu)缺點, 而且根據用途不同, 在實際應用時, 還無法替代, 因此，都處于不斷發(fā)展的階段。但是, 單純地采用上面提到的單一的導航方法, 其精度和可靠性無法滿足未來火炮導航技術發(fā)展的需求?；诘乩硇畔⒌木C合導航定位方法是未來發(fā)展的一個重要方向，應盡快提出行之有效的研究方法。特提出以下建議，以供參考。

1)研究先進的數據融合算法和多元信息融合技術卡爾曼濾波器，解決地形、地磁、重力梯度數據線性化問題，得到最優(yōu)位置估計。

2)依托高精度地理信息傳感器的研制，加快建立地磁、重力和等深線數據地圖的建立步伐，逐步建立地理信息數據庫，研究提高導航系統(tǒng)實時性、魯棒性和準確性的地理信息匹配算法，提高數據地圖的更新速度和精度，為實現(xiàn)基于地理信息的綜合導航定位提供有力的支持。

3)發(fā)展多火炮之間的協(xié)同導航技術，利用火炮各自攜帶的傳感器，共享導航傳感器的信息，對相對位置關系進行融合，從而提高導航精度，解決導航誤差隨時間增加的問題。

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