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      應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的一種新型船艇導(dǎo)航系統(tǒng)?

      2013-06-27 05:50:17張長(zhǎng)輝魏旭冠
      電訊技術(shù) 2013年9期
      關(guān)鍵詞:船位船艇航向

      張長(zhǎng)輝??,魏旭冠

      (解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003)

      應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的一種新型船艇導(dǎo)航系統(tǒng)?

      張長(zhǎng)輝??,魏旭冠

      (解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003)

      復(fù)雜的電磁環(huán)境是未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)最突出的特征,這樣的環(huán)境將會(huì)干擾現(xiàn)有依靠無(wú)線電波進(jìn)行工作的導(dǎo)航系統(tǒng)。為有效解決船艇在復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航問(wèn)題,提出了一種以陸標(biāo)定位為基礎(chǔ)的新型船艇導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)高清度攝像機(jī)和磁航向傳感器獲取觀測(cè)物標(biāo)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解算,將位置信息顯示到電子海圖上。海上試驗(yàn)情況表明,與傳統(tǒng)的陸標(biāo)定位相比,本系統(tǒng)在定位時(shí)間、定位精度等方面具有明顯的優(yōu)越性,完全滿(mǎn)足軍事航海的要求,具有良好的軍事效益。

      軍事航海;復(fù)雜電磁環(huán)境;船艇導(dǎo)航系統(tǒng);陸標(biāo)定位;高清度攝像機(jī);磁航向傳感器

      1 引言

      復(fù)雜電磁戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的產(chǎn)物。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下,戰(zhàn)場(chǎng)感知、指揮控制手段的自動(dòng)化、信息化程度越高,越有利于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)的把握,越有利于指揮員做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷決策,為贏得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利奠定基礎(chǔ)[1]。導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為船艇戰(zhàn)場(chǎng)感知的重要內(nèi)容,是保證船艇航渡安全、及時(shí)圓滿(mǎn)完成戰(zhàn)斗任務(wù)的前提和基礎(chǔ)保障。當(dāng)前船艇上廣泛使用的GPS、羅蘭、“北斗”等無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)均對(duì)電磁波媒介的依賴(lài)程度很高,在復(fù)雜電磁環(huán)境下將受其影響,產(chǎn)生一定的定位誤差[2]。陸標(biāo)定位是通過(guò)利用磁羅經(jīng)、六分儀,測(cè)定若干個(gè)所觀測(cè)物標(biāo)的磁方位、物標(biāo)之間的夾角大小以及物標(biāo)高度來(lái)確定船位[3],其定位原理是與電磁環(huán)境無(wú)關(guān)的平面幾何原理,但傳統(tǒng)的陸標(biāo)定位采用人工觀測(cè)、手工繪算的方式,在紙制海圖上標(biāo)繪船位點(diǎn),所以定位速度緩慢,精度不高。隨著電子信息和傳感器技術(shù)的發(fā)展,陸標(biāo)定位也可以逐漸向自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展。

      本文提出了一種新的船艇導(dǎo)航系統(tǒng),系統(tǒng)主要通過(guò)高清度攝像機(jī)和磁航向傳感器獲取觀測(cè)物標(biāo)的方位以及兩物標(biāo)的夾角等信息,由串口送至計(jì)算機(jī)處理,計(jì)算分析后可以得出船艇航行數(shù)據(jù),包括航向、航速、經(jīng)緯度等。該系統(tǒng)的完成,可以有效地解決船艇在復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航問(wèn)題,也為當(dāng)前許多船載的信息化作戰(zhàn)系統(tǒng)輸入相對(duì)準(zhǔn)確的船位信息,因而有著良好的應(yīng)用前景和軍事效益。

      2 系統(tǒng)構(gòu)成

      新型船艇導(dǎo)航系統(tǒng)主要由“繪算部分”與“觀測(cè)部分”兩大部分組成[4],其中觀測(cè)部分包括伺服平臺(tái)、圖像傳感設(shè)備、測(cè)角系統(tǒng)、推算系統(tǒng)等,繪算部分包括多源信息融合中心以及電子海圖上層軟件。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

      圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The system composition block diagram

      圖1 中,圖像傳感設(shè)備和測(cè)角系統(tǒng)安裝在伺服平臺(tái)之上,整體固定安裝在船艇指揮臺(tái)上視野空曠的位置,圖像傳感設(shè)備用于采集并實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前視景范圍內(nèi)的圖像信息;伺服平臺(tái)用以控制圖像傳感設(shè)備的水平轉(zhuǎn)動(dòng)和高低俯仰;測(cè)角系統(tǒng)用于對(duì)圖像傳感器中軸線當(dāng)前所處位置的水平旋轉(zhuǎn)、高低俯仰等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與測(cè)量;推算系統(tǒng)安裝于伺服平臺(tái)底部的船艇首尾線方向上,用于檢測(cè)船艇首尾方向和左右舷方向上的累積對(duì)地位移,結(jié)合測(cè)角系統(tǒng)中磁航向傳感器所提供的航向信息[5],從而計(jì)算出推算船位。

      多源信息融合中心是一套以軍用工控機(jī)為平臺(tái)研制的集數(shù)據(jù)采集、處理與遠(yuǎn)程控制于一體的硬件設(shè)施,安裝于駕駛室內(nèi),通過(guò)數(shù)據(jù)線路控制伺服平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和俯仰,而伺服平臺(tái)所承載的高分辨率圖像傳感設(shè)備的中心軸舷角、垂直高度角、當(dāng)前船艇磁航向、視野場(chǎng)景數(shù)碼圖像等信息,也通過(guò)數(shù)據(jù)線路實(shí)時(shí)傳遞到多源信息融合中心,由安裝于軍用工控機(jī)內(nèi)的采集卡和解碼器等設(shè)備完成船艇磁航向、物標(biāo)舷角、數(shù)據(jù)圖像等信息的自動(dòng)化處理,并在人工用鼠標(biāo)標(biāo)定基準(zhǔn)點(diǎn)的情況下,迅速計(jì)算出當(dāng)前船艇所處的位置,在電子海圖上自動(dòng)標(biāo)繪。系統(tǒng)設(shè)備組成如圖2所示。

      圖2 系統(tǒng)設(shè)備組成Fig.2 The composition of equipment

      3 測(cè)量物標(biāo)夾角的基本原理

      本系統(tǒng)在獲取物標(biāo)之間的水平角時(shí)采用了“一次成像法”。所謂“一次成像法”就是針對(duì)小于70°的物標(biāo)夾角,通過(guò)一次成像的方式,獲取兩個(gè)物標(biāo)在同一幅數(shù)碼照片里所處的位置,通過(guò)計(jì)算,得到兩個(gè)物標(biāo)之間的夾角。這種方法與傳統(tǒng)的測(cè)角法相比,能夠最大程度上消除分步測(cè)量所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)誤差,并且只需要兩個(gè)待測(cè)物標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在成像范圍之內(nèi)即可,對(duì)瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求不高,卻能保證較好的測(cè)量精度?!耙淮纬上穹ā钡睦碚撏茖?dǎo)可通過(guò)圖3說(shuō)明。

      圖3 一次成像法角度測(cè)量原理圖Fig.3 The principle of angle measurement with once imaging

      圖3中,物標(biāo)A、物標(biāo)B與相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系如圖所示。利用相機(jī)對(duì)物標(biāo)A、物標(biāo)B進(jìn)行一次成像,則圖中物標(biāo)A、物標(biāo)B在鏡頭后面底片上的成像點(diǎn)分別為A點(diǎn)和B點(diǎn),假定這兩點(diǎn)與底片中心線之間的橫向距離分別為d2和d1,底片中心線到底片橫向外沿的距離為l,那么根據(jù)圖示不難得出

      對(duì)應(yīng)到相片中的場(chǎng)景,不難得到

      式中,L為數(shù)碼相片橫向象素點(diǎn)數(shù)量,D1、D2為相片中物標(biāo)點(diǎn)偏離相片中心線的象素點(diǎn)數(shù)量,β角可以預(yù)先測(cè)量得到。所以,要測(cè)量物標(biāo)A、物標(biāo)B相對(duì)于攝像機(jī)鏡頭的夾角大小,只需要在事先測(cè)得β角的前提下,從數(shù)碼相片上量出物標(biāo)A、物標(biāo)B的像偏離相片中心線的象素點(diǎn)值,即可根據(jù)上述公式計(jì)算出α角的大小。

      4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)硬件主要由伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和固定模塊兩大部分組成。

      4.1 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)

      伺服轉(zhuǎn)臺(tái)是本系統(tǒng)的核心部分,它安裝在船艇指揮臺(tái)視野空曠的位置,其主要作用是在船艇航行過(guò)程中承載由高清度透霧攝像機(jī)和紅外鏡頭組合而成的視頻系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地指向燈塔、航標(biāo)等助行標(biāo)志,并實(shí)時(shí)回傳視頻中軸線相對(duì)于船首方向的夾角,為船艇進(jìn)行快速定位提供關(guān)鍵信息。

      伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要由方位座和俯仰包兩部分組成,包括方位軸系、俯仰軸系、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、軸承、匯流環(huán)、限位裝置、電子線路以及密封環(huán)節(jié)等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

      圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)模塊設(shè)計(jì)圖Fig.4 The design of turntable module

      平臺(tái)的方位和俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由支座、滾珠軸承、空心軸等組成,在其上安裝有電機(jī)轉(zhuǎn)子和角度測(cè)量單元,在俯仰傳動(dòng)軸上固定有支架,用于安裝透霧攝像機(jī)和紅外鏡頭等組件。通過(guò)支架調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到傳感器光軸與俯仰軸垂直。球型頭由方位軸支撐,其俯仰方向的旋轉(zhuǎn)由俯仰伺服傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。方位軸中嵌有小型匯流環(huán),匯流環(huán)保證經(jīng)過(guò)方位機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部電氣(電源、操控、狀態(tài)、視頻)信息的互連。方位、俯仰軸系通過(guò)密封環(huán)節(jié)嚴(yán)密水密,球形本身嚴(yán)格氣密,以保證內(nèi)部各元器件的正常工作。

      4.2 固定模塊

      由于傳統(tǒng)的磁羅經(jīng)無(wú)法直接輸出航向電信號(hào),若要提供航向信息,必須利用磁場(chǎng)傳感器直接敏感周?chē)艌?chǎng),把隨外界磁場(chǎng)變化的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理后,直接輸出羅經(jīng)航向,即電子磁羅經(jīng)。本系統(tǒng)中固定模塊指的就是電子磁羅經(jīng)及安裝在船艇首尾和正橫方向上的一組加速度計(jì),分別用來(lái)傳感船艇羅航向和船艇水平加速度,以供推算船位使用。電子磁羅經(jīng)主要包括磁性傳感器(如圖5所示)和船載磁羅經(jīng)。

      圖5 磁性傳感器Fig.5 The magnetic heading sensor

      電子磁羅經(jīng)的核心部分是磁性傳感器,不同工作原理的磁傳感器構(gòu)成了不同類(lèi)型的羅經(jīng)。目前在航海上應(yīng)用的磁性傳感器種類(lèi)很多,主要有線圈式的、基于霍爾效應(yīng)原理的、磁通門(mén)效應(yīng)原理的、磁阻效應(yīng)原理的和巨磁電阻效應(yīng)原理的傳感器,它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)的大小、方向,確定載體的角度、位置和位移等參量。本系統(tǒng)中采用EZ-COMPASS磁航向傳感器作為相機(jī)中軸線磁方位信息的傳感器,該型磁航向傳感器具備軟硬鐵補(bǔ)償算法,傾角重復(fù)精度0.05°,方位測(cè)量精度小于0.5°,能夠滿(mǎn)足航海繪算對(duì)物標(biāo)磁方位精度的要求。

      5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

      軟件系統(tǒng)包括伺服轉(zhuǎn)臺(tái)中下位機(jī)軟件和多源信息融合中上位機(jī)軟件。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括雙串口接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、RS232數(shù)據(jù)通信,上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括RS232端口的驅(qū)動(dòng)程序和船位融合算法的實(shí)現(xiàn)。

      5.1 軟件整體流程

      本系統(tǒng)通過(guò)RS232通信實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的數(shù)據(jù)和上位機(jī)數(shù)據(jù)交互。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能:根據(jù)不同的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作控制;完成平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理功能;建立RS232數(shù)據(jù)包發(fā)送所測(cè)數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)RS232接口的驅(qū)動(dòng),解算從磁傳感器和加速度計(jì)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和Kalman濾波器模型的建立。根據(jù)讀取的RS232數(shù)據(jù)包中的標(biāo)識(shí),判定該數(shù)據(jù)包是推算定位數(shù)據(jù)還是陸標(biāo)定位數(shù)據(jù),如果是推算定位數(shù)據(jù)則先將該數(shù)據(jù)包保存起來(lái)以便和陸標(biāo)定位數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)作為Kalman濾波器的輸入,之后進(jìn)行推算定位數(shù)據(jù)解算;若是陸標(biāo)定位數(shù)據(jù),則將其和鄰近的推算定位數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行Kalman濾波。上位機(jī)的程序流程如圖6所示。

      圖6 上位機(jī)軟件流程圖Fig.6 The flow chart of software in computers

      5.2 船位的融合算法模型

      系統(tǒng)的定位方法有兩種,一種是通過(guò)推算船位,另一種是通過(guò)陸標(biāo)定位。這兩種定位方法各有所長(zhǎng),并具有互補(bǔ)性,如將它們組合起來(lái)可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),使定位在短期和長(zhǎng)期精度上都有保證,但在組合定位中應(yīng)用最廣泛的信息融合算法就是卡爾曼濾波[6]?;诳柭鼮V波的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

      圖7 卡爾曼濾波算法模型Fig.7 The model of Kalman filtering hybrid algorithm

      其工作原理是:航跡推算系統(tǒng)利用磁航向傳感器、加速度計(jì)測(cè)量的航向和航速信息確定船艇的位置、航速和航向。當(dāng)陸標(biāo)定位定位條件好時(shí),航跡推算系統(tǒng)和陸標(biāo)定位導(dǎo)航信息都輸入綜合卡爾曼濾波器中,以航跡推算系統(tǒng)的誤差作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài),通過(guò)卡爾曼濾波估計(jì)出航跡推算系統(tǒng)的誤差,然后用估計(jì)出的誤差修正航跡推算系統(tǒng)[7]。當(dāng)陸標(biāo)定位的條件不滿(mǎn)足時(shí),轉(zhuǎn)入航跡推算系統(tǒng)單獨(dú)工作。由于經(jīng)組合濾波后測(cè)量元件的誤差己被校正,因此單獨(dú)使用航跡推算系統(tǒng)可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一定精度,并且系統(tǒng)整體精度比較高。

      6 海上試驗(yàn)與結(jié)果分析

      本系統(tǒng)在海上試驗(yàn)主要有兩個(gè)目的:一是通過(guò)本系統(tǒng)所測(cè)得船位與GPS所測(cè)得船位相比來(lái)檢驗(yàn)誤差大?。欢峭ㄟ^(guò)本系統(tǒng)單獨(dú)使用陸標(biāo)定位與綜合使用分別進(jìn)行定位,與GPS測(cè)得船位相比,看誤差有多大,以檢驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合算法是否正確。為此,我們?cè)谥凵奖緧u以東的中街山列島附近進(jìn)行了海上試驗(yàn)。試驗(yàn)航行海區(qū)和計(jì)劃航線如圖8所示。

      圖8 海上試驗(yàn)航行海區(qū)及計(jì)劃航線Fig.8 The area and planned route of sea trials

      試驗(yàn)船艇08∶00從長(zhǎng)途港出發(fā),經(jīng)過(guò)40 min的航行,于08∶40到達(dá)試驗(yàn)計(jì)劃航線的第一個(gè)航路點(diǎn)(φ30°12′08″N,λ122°25′17″E),按照計(jì)劃航向和航速航行,每隔30 s分別用GPS、本組合導(dǎo)航系統(tǒng)和本系統(tǒng)中單獨(dú)使用陸標(biāo)定位,分別得出3條航跡線,如圖9所示,誤差曲線圖如圖10所示。

      圖9 不同導(dǎo)航定位方法所測(cè)得的航跡圖Fig.9 The voyage chart with different navigation methods

      圖10 誤差曲線圖Fig.10 The error curve

      從圖10可知,采用本系統(tǒng)的誤差比單獨(dú)用陸標(biāo)定位的方法有明顯的提高(采用本組合系統(tǒng)定位誤差在200 m以?xún)?nèi),單個(gè)系統(tǒng)定位誤差在400 m以?xún)?nèi))。本組合系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出了船艇的位置信息,保證了定位的連續(xù)性,又達(dá)到了較高的精度。同時(shí),組合系統(tǒng)在可靠性方面比單獨(dú)采用陸標(biāo)定位的方法更有優(yōu)勢(shì)。

      7 結(jié)論

      針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下現(xiàn)有的船艇導(dǎo)航定位系統(tǒng)易受干擾等難題,本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種以不受電磁干擾的傳統(tǒng)定位理論為基礎(chǔ)的新型船艇導(dǎo)航系統(tǒng)。海上實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,定位精度能夠滿(mǎn)足軍事航海上的要求。但研究中也發(fā)現(xiàn),采用信息融合算法中采用傳統(tǒng)的卡爾曼濾波存在濾波發(fā)散傾向,這樣常使濾波器發(fā)散失去作用,從而影響定位精度,下一步將研究如何采用其他數(shù)據(jù)融合算法抑制濾波器發(fā)散的問(wèn)題。

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      ZHANG Chang-hui was born in Jixi,Anhui Province,in 1981.He received the M.S.degree from Wuhan University in 2010.He is now a lecturer.His research concerns watercraft maritime technology.

      Email:stronglight@163.com

      魏旭冠(1963—),男,江蘇泰州人,1985年于上海海事學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為教授,主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)在軍事航海上的應(yīng)用研究。

      WEI Xu-guan was born in Taizhou,Jiangsu Province,in 1963. He received the B.S.degree from Shanghai Maritime College in 1963.He is now a lecturer.His research concerns application of computer technology in military navigation.

      A New Watercraft Navigation System Applied in Complex Electromagnetic Environment

      ZHANG Chang-hui,WEI Xu-guan
      (Zhenjiang Watercraft College of PLA,Zhenjiang 212003,China)

      Complex electromagnetic environment is the most outstanding characteristic of future informatization battle field,and it will interfere with the existing navigation system depending on the radio waves.In order to solve the problem of the navigation under the complex electromagnetic environment effectively,a new watercraft navigation system based on terrestrial fixing is proposed.The system captures the data of positioning objects through high definition camcorders and magnetic heading sensors,and then displays the information on the electronic chart after computer processing.The trial on the sea shows that the system goes far beyond the traditional terrestrial fixing in the aspect of time and accuracy.It can completely meet the requirement of military navigation and will definitely have good benefit.

      military marine;complex electromagnetic environment;watercraft navigation system;terrestrial fixing;high definition camcorder;magnetic heading sensor

      The Scientific Research Project of Weapon Equipment([2008]447)

      date:2013-04-02;Revised date:2013-06-24

      武器裝備科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(陸裝[2008]447號(hào))

      ??通訊作者:stronglight@163.comCorresponding author:stronglight@163.com

      TN967.7

      A

      1001-893X(2013)09-1126-05

      張長(zhǎng)輝(1981—),男,安徽績(jī)溪人,2010年于武漢大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要從事船艇航海技術(shù)研究;

      10.3969/j.issn.1001-893x.2013.09.002

      2013-04-02;

      2013-06-24

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