INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

彭軍，何群，孫豐甲，郭建麟，李娜娜

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

1 導(dǎo)航方法綜述

可靠性和成本因素是推動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。導(dǎo)航的作用是為運(yùn)載體提供服務(wù)，滿足其所提出的特定要求，一般需要考慮其導(dǎo)航精度、覆蓋范圍、信息更新率、可靠性、完善性、多值性、系統(tǒng)容量和提供的導(dǎo)航信息等參數(shù)。目前主要的導(dǎo)航系統(tǒng)有:陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，天文導(dǎo)航系統(tǒng)，地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。

陸基無線電導(dǎo)航是以無線電技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航臺(tái)站建立在地球上的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有代表性的有塔康系統(tǒng)、伏爾系統(tǒng)、羅蘭-C、測距器、多普勒導(dǎo)航雷達(dá)等。其主要優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性集中在導(dǎo)航臺(tái)上，用戶設(shè)備簡單、價(jià)格低。但由于依賴于電波在空間的傳播，系統(tǒng)的生存能力、抗干擾能力差。

慣性導(dǎo)航是利用加速度計(jì)、陀螺等慣性敏感器件在飛機(jī)、艦船、火箭等載體上測量其相對(duì)于慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)。當(dāng)給定載體的初始狀態(tài)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即可推算載體的瞬時(shí)速度、位置及姿態(tài)［1］。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有獨(dú)立性、自主性、隱蔽性好及高精度的特點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。其固有的缺陷是誤差隨時(shí)間而積累，因此長時(shí)間工作將會(huì)產(chǎn)生較大的積累誤差［2］。

天文導(dǎo)航根據(jù)天體來測定飛行器位置和航向，天體的坐標(biāo)位置和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是已知的，測量天體相對(duì)于飛行器參考基準(zhǔn)面的高度角和方位角就可以推算出飛行器的位置和航向。天文導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設(shè)備，不受電磁場的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定位定向精度高，定位誤差與時(shí)間無關(guān)［］。但在低空飛行時(shí)因受能見度的限制，較少采用天文導(dǎo)航。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星為導(dǎo)航臺(tái)的星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球陸、海、空、天的各類軍民載體、全天候、24 小時(shí)提供高精度的三維位置、速度、和精密時(shí)間信息［4］。主要代表是美國的GPS 系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS 系統(tǒng)、我國的“北斗”系統(tǒng)以及歐洲的“伽利略”系統(tǒng)。

兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合后稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。每種單一的導(dǎo)航系統(tǒng)都有各自獨(dú)特的性能和局限性，把幾種不同的單一系統(tǒng)組合起來，可構(gòu)成一種有多余度和準(zhǔn)確度更高的多功能導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。如:慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和天文導(dǎo)航系統(tǒng)(CNS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與雷達(dá)組合的系統(tǒng)等都構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)(TAN)也是一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它是由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與無線電高度表和數(shù)字地圖構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。各類組合導(dǎo)航系統(tǒng)有效地利用了系統(tǒng)中各自的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)間的取長補(bǔ)短，能有效地減少系統(tǒng)誤差，提高精度，同時(shí)可降低導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的成本。目前以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。

2 INS/GNSS 組合導(dǎo)航的工作原理

以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)構(gòu)成的組合導(dǎo)航是目前主要的組合導(dǎo)航方式之一。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可提供十分完整的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，包括載體位置、速度、航向和姿態(tài)角參數(shù)，具有更新率高、短時(shí)精度和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但存在定位誤差隨時(shí)間累計(jì)和初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間長等缺點(diǎn)。GNSS 是一種星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，可為陸、海、空、天的用戶，全天候、全時(shí)間、連續(xù)提供三維位置、三維速度及時(shí)間信息，但其存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差、信號(hào)易被遮擋、易受干擾等缺點(diǎn)。

將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)有機(jī)地結(jié)合起來，可在性能上揚(yáng)長避短。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)不同的任務(wù)要求采用不同的組合結(jié)構(gòu)和算法，在圖2(a)和(b)結(jié)構(gòu)中，GPS 接收機(jī)和INS 都是獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS 給出位置、速度、時(shí)間解(p，v，t)，INS 給出位置、速度、姿態(tài)解(p，v，θ)。圖2(c)結(jié)構(gòu)中，GPS 和INS 是非獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)，僅作為傳感器使用，它們分別測量偽距及偽距率和加速度及角速度。這三種結(jié)構(gòu)分別為非耦合方式、松耦合方式和緊耦合方式［1］。

圖1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 GPS/INS 組合導(dǎo)航組合結(jié)構(gòu)圖

INS/GNSS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種基本的組合算法:選擇算法和濾波算法。采用選擇算法時(shí)，只要GPS 設(shè)備測量值在可接受的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，就選取GPS 測量的值作為系統(tǒng)的導(dǎo)航值。當(dāng)要求的速率高于GPS 設(shè)備的輸出速率時(shí)，可以在兩個(gè)GPS 數(shù)據(jù)中間用INS 的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。當(dāng)GPS 信號(hào)中斷時(shí)，從最近一次GPS 測量值開始，采用INS 進(jìn)行測量，直到GPS 信號(hào)恢復(fù)為止。這種算法比較簡單，它可以有效地消除INS 系統(tǒng)的累積誤差，同時(shí)在GPS 信號(hào)中斷時(shí)，持續(xù)地保持導(dǎo)航能力。濾波算法是根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，從包含干擾的測量信號(hào)中計(jì)算出被估計(jì)量的統(tǒng)計(jì)濾波值。濾波算法大都采用卡爾曼濾波方法，利用上一時(shí)刻的估計(jì)值以及實(shí)時(shí)測量值進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，它是INS/GNSS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)常采用的一種算法。

3 組合導(dǎo)航校準(zhǔn)方法

組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的技術(shù)指標(biāo)主要有:定位精度，速度精度，航向精度，姿態(tài)精度等。為了考核組合導(dǎo)航系統(tǒng)的算法及組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標(biāo)，國內(nèi)外目前對(duì)INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法主要有以下幾種:

3.1 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室仿真校準(zhǔn)

利用衛(wèi)星信號(hào)模擬器和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)，考核系統(tǒng)的性能指標(biāo)。將組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)軸變化來模擬載體的飛行姿態(tài)角;利用衛(wèi)星模擬器模擬載體運(yùn)動(dòng)的位置和速度并模擬產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星射頻信號(hào)，提供給組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星接收機(jī)，如圖3所示。將組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算的結(jié)果與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài)參數(shù)及衛(wèi)星模擬器的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)的位置精度、速度精度和航向、姿態(tài)精度。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是測試設(shè)備和方法簡單、成本低，在組合導(dǎo)航的研制過程中大量地采用了此方法［5-7］。

圖3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)三軸臺(tái)校準(zhǔn)

3.2 旋轉(zhuǎn)臂測試臺(tái)校準(zhǔn)

旋轉(zhuǎn)臂測試臺(tái)置于外場，組合導(dǎo)航系統(tǒng)置于測試臺(tái)上，可接收衛(wèi)星信號(hào)。測試臺(tái)與旋轉(zhuǎn)臂頂端相連，實(shí)現(xiàn)不同的方位a、橫滾r 和俯仰p 運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，得到不同的仰角e，如圖4所示。在該裝置的初始位置給出大地坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度和高度)以及測試臺(tái)與正北的夾角。利用裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，方位角、仰角、俯仰角及橫滾角的變化，使安裝在測試臺(tái)上的被校INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)得到不同的姿態(tài)、位置和速度數(shù)據(jù);利用坐標(biāo)變換，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)平面和方向上的數(shù)據(jù)，同步鎖存這些數(shù)據(jù)與被校組合導(dǎo)航儀表的輸出，并對(duì)二者進(jìn)行分析比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行地面校準(zhǔn)的目的［8］。

圖4 旋轉(zhuǎn)臂測試臺(tái)校準(zhǔn)

該測試方法的優(yōu)點(diǎn)是通過測量某一具體時(shí)刻各軸角位置，很容易對(duì)測試臺(tái)的位置、姿態(tài)和速度進(jìn)行控制與測量。缺點(diǎn)是變換的位置與高程受轉(zhuǎn)動(dòng)臂長的限制。

3.3 跑車校準(zhǔn)

采用在同一跑車上安裝兩套組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方法進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。以高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)為參考標(biāo)準(zhǔn)，來對(duì)被校組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行測試校準(zhǔn)［9-11］，如圖5。也可以采用高精度差分GPS 接收機(jī)作為位置和速度標(biāo)準(zhǔn)，將車載慣性平臺(tái)的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)角對(duì)組合導(dǎo)航進(jìn)行校準(zhǔn)［3］;還可將一套組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在跑車的平臺(tái)上，從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大地點(diǎn)跑到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，位置精度由觀察組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的位置差得到，此時(shí)刻的姿態(tài)精度則用組合導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)輸出值與車載慣性平臺(tái)的姿態(tài)角進(jìn)行比較得到。

圖5 車載試驗(yàn)校準(zhǔn)

INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)跑車校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是在測試過程較為接近實(shí)際工作狀態(tài)，但該校準(zhǔn)依賴同類產(chǎn)品的性能狀態(tài)，受環(huán)境等因素影響較大，試驗(yàn)重復(fù)性差。

3.4 火箭橇校準(zhǔn)

利用已有的火箭橇軌道，對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。美國的火箭橇有多個(gè)，尤以位于美國新墨西哥州霍洛曼空軍基地(Holloman AFB)的中央慣性制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室(簡稱CIGTF)為代表，它是一個(gè)從事制導(dǎo)、導(dǎo)航、輔助導(dǎo)航和空間定位傳感器及其系統(tǒng)專業(yè)測試、評(píng)估、分析的技術(shù)中心，是一個(gè)中央權(quán)威技術(shù)機(jī)構(gòu)，只有那些在CIGTF 得到性能驗(yàn)證的制導(dǎo)、導(dǎo)航系統(tǒng)才會(huì)成為當(dāng)前和未來應(yīng)用的選擇對(duì)象。在上世紀(jì)90年代被定為負(fù)責(zé)全球定位系統(tǒng)用戶設(shè)備的主管測試機(jī)構(gòu)，并受命支持空軍2000年計(jì)劃，負(fù)責(zé)組裝和測試空軍飛機(jī)的全球定位系統(tǒng)(GPS)用戶設(shè)備［9］，已在火箭橇上進(jìn)行了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)測試?；鸺猎囼?yàn)系統(tǒng)可以提供高速度、高加速度、大過載，較好地模擬INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)真實(shí)的工作狀態(tài)?；鸺猎囼?yàn)方法是驗(yàn)證INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的誤差模型以及大過載條件下分離系統(tǒng)誤差的有效手段［13-14］。

國內(nèi)僅探索采用火箭橇進(jìn)行組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)，尚未利用其進(jìn)行INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究。

火箭橇校準(zhǔn)法的優(yōu)點(diǎn)是可考察高動(dòng)態(tài)情況下INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作性能，接近載體的飛行狀態(tài)。但單次試驗(yàn)成本較高，校準(zhǔn)過程中缺少高程及姿態(tài)變化，測試過程中的溯源性還有待深入研究。

3.5 飛行校準(zhǔn)

采用在飛機(jī)上同時(shí)安裝兩套INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方法進(jìn)行比對(duì)。用高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，來對(duì)被校組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行測試校準(zhǔn);也可以在飛機(jī)上安裝高精度航拍相機(jī)，以拍攝地面標(biāo)準(zhǔn)場得到的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，來校準(zhǔn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)［15］。飛機(jī)飛行校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是最接近載體的運(yùn)行狀態(tài)，但單次試驗(yàn)成本高，在進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)時(shí)依賴同類產(chǎn)品的性能狀態(tài);用航拍標(biāo)準(zhǔn)場的方法受天氣環(huán)境、相機(jī)本身的姿態(tài)控制精度等因素影響較大。

4 小結(jié)

INS/GNSS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，對(duì)其校準(zhǔn)尤為重要。通過對(duì)INS/GNSS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理、目前組合導(dǎo)航一些校準(zhǔn)方法的總結(jié)分析，可以看出若完成對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置需要具備以下條件:可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的空間位置和速度，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)角度變化，已知的大地坐標(biāo)及北向基準(zhǔn)，可有效地接收GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)與同步信號(hào)。

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