一種用于慣導(dǎo)系統(tǒng)車載試驗(yàn)的速度基準(zhǔn)系統(tǒng)*

文 鋼 李志文 劉 波

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司 重慶 401121)

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一種用于慣導(dǎo)系統(tǒng)車載試驗(yàn)的速度基準(zhǔn)系統(tǒng)*

文 鋼1李志文2劉 波2

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司 重慶 401121)

介紹了一種自行研制的用于捷聯(lián)慣導(dǎo)車載試驗(yàn)的速度基準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由衛(wèi)星導(dǎo)航裝置、車速采集裝置和主控計(jì)算機(jī)組成,能夠?qū)崟r(shí)輸出滿足一定精度要求的速度數(shù)據(jù),可作為捷聯(lián)慣導(dǎo)跑車試驗(yàn)中的速度基準(zhǔn),用以模擬其它測(cè)速設(shè)備的輸出。經(jīng)過實(shí)際車載試驗(yàn)驗(yàn)證,該基準(zhǔn)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單,功耗、體積、重量和速度精度滿足捷聯(lián)慣導(dǎo)車載試驗(yàn)要求,能夠做到在無衛(wèi)星導(dǎo)航信息條件下,模擬實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)速功能。

捷聯(lián)慣導(dǎo); 組合導(dǎo)航; 車載試驗(yàn); 速度基準(zhǔn)系統(tǒng)

Class Number U674.7

1 引言

應(yīng)用于水中的捷聯(lián)慣導(dǎo),往往采用和水中測(cè)速設(shè)備(如水聲測(cè)速設(shè)備、槳速監(jiān)測(cè)設(shè)備或流速監(jiān)測(cè)設(shè)備)相結(jié)合的組合導(dǎo)航方式,以提高其長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度[1～4]。在研制過程中,為了驗(yàn)證捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和其他導(dǎo)航輔助設(shè)備的組合導(dǎo)航性能,需要做大量試驗(yàn)。從控制試驗(yàn)成本和縮短研制周期方面考慮,可用車載試驗(yàn)[5～6]代替部分水中試驗(yàn)。車載試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)車,需要配置定位、姿態(tài)、速度等導(dǎo)航信息基準(zhǔn)系統(tǒng),本文介紹一種自行研制開發(fā)的速度基準(zhǔn)系統(tǒng),該基準(zhǔn)系統(tǒng)以車速作為輔助設(shè)備的輸出,模擬水中多普勒計(jì)程儀輸出,實(shí)現(xiàn)類似捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合多普勒計(jì)程儀的組合導(dǎo)航方式和效果。

2 組合導(dǎo)航基本原理

將慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出信號(hào)與其他導(dǎo)航輔助設(shè)備的獨(dú)立測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出,獲得比單獨(dú)使用慣導(dǎo)系統(tǒng)更好的導(dǎo)航性能,這種系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航輔助設(shè)備中,較普遍使用的輔助設(shè)備有:GPS、星體跟蹤器、數(shù)字地圖、磁傳感器、雷達(dá)成像系統(tǒng)等。而在使用捷聯(lián)慣導(dǎo)的水中組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用較多的輔助設(shè)備是提供實(shí)時(shí)速度測(cè)量結(jié)果的多普勒計(jì)程儀。

圖1給出了典型的組合導(dǎo)航系統(tǒng)基本工作原理。組合導(dǎo)航算法主要應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù),對(duì)輔助設(shè)備的傳感器輸出應(yīng)用卡爾曼濾波方法進(jìn)處理,得出慣性導(dǎo)航位置、速度、姿態(tài)以及其他參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)值,由最優(yōu)估計(jì)值作為校正后的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出。圖中虛線表示該數(shù)據(jù)流在某些導(dǎo)航系統(tǒng)中不存在。

圖1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)基本工作原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

本文研制的速度基準(zhǔn)系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能: 1) 提供一個(gè)可用于比較的速度基準(zhǔn); 2) 模擬實(shí)現(xiàn)水中組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)速設(shè)備功能。

設(shè)計(jì)該基準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí),主要考慮以下因素:

1) 為方便在試驗(yàn)用機(jī)動(dòng)車上使用,系統(tǒng)的功耗、體積、重量都不能過大;

2) 考慮到試驗(yàn)車行駛在規(guī)劃線路過程中的一些實(shí)際情況,如經(jīng)過隧道、峽谷等無法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息的環(huán)境,系統(tǒng)必須能在這些環(huán)境下正常工作;

3) 根據(jù)應(yīng)用于水中的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)[7～8]實(shí)際要求,數(shù)據(jù)更新間隔滿足秒級(jí)、速度精度滿足厘米每秒級(jí)即可。

因此,該基準(zhǔn)系統(tǒng)主要技術(shù)難點(diǎn)在于無衛(wèi)星導(dǎo)航信息時(shí),如何提供符合精度要求的速度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.2 基準(zhǔn)系統(tǒng)組成

基準(zhǔn)系統(tǒng)主要由衛(wèi)星導(dǎo)航裝置、車速采集裝置及其軟件、主控計(jì)算機(jī)及其軟件等三部分構(gòu)成。其中車速采集裝置及其軟件、主控計(jì)算機(jī)軟件為自行研制,其它采購(gòu)自市場(chǎng)中成熟產(chǎn)品。

圖2 速度基準(zhǔn)系統(tǒng)組成示意圖

車速采集裝置由自制電路板及其配套軟件組成。電路的核心處理器件采用ATMEL公司的AT89C51信號(hào)單片機(jī)。

主控計(jì)算機(jī)選用Lenovo公司的昭陽(yáng)E46A型號(hào)筆記本計(jì)算機(jī)。安裝WindowsXP操作系統(tǒng),運(yùn)行的主控軟件用VC++6.0開發(fā)。

衛(wèi)星定位裝置選用星網(wǎng)宇達(dá)公司的XW-3661。其單點(diǎn)定位精度達(dá)到1.8m RMS,速度精度達(dá)到0.02m/s,數(shù)據(jù)更新間隔最小可設(shè)置為100ms,發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)＄GPGGA,＄GPVTG幀頭報(bào)文。該定位裝置由天線、電纜、接收機(jī)三部分組成。

工作時(shí)采用不間斷電源給系統(tǒng)供電,系統(tǒng)各部分電路連接方式如圖3所示。

圖3 車載速度基準(zhǔn)系統(tǒng)各部分電路連接示意圖

3.3 工作原理

用衛(wèi)星定位裝置接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息,輔以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)獲得速度信息,應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)全地形工作。其流程如圖4所示。

圖4 速度基準(zhǔn)獲取原理圖

3.3.1 車速采集

車速采集裝置檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)動(dòng)車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成的脈沖信號(hào),采集兩次脈沖信號(hào)間的時(shí)間間隔,通過串口發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)。這些脈沖信號(hào)來自試驗(yàn)車車輪上的霍爾器件。記下連續(xù)兩次脈沖信號(hào)間的時(shí)間間隔,實(shí)際上就是記錄了車輪轉(zhuǎn)過一圈的時(shí)間。

主控計(jì)算機(jī)獲得脈沖間隔時(shí)間后,帶入以下公式計(jì)算出車速:

(1)

式中:V為車速,單位是km/h;Thi為脈沖寬度,常量,單位是0.1ms;T為脈沖間隔時(shí)間,單位是ms。

這里需要說明的是,試驗(yàn)車型不同,計(jì)算車速的公式可能不同。

3.3.2 數(shù)據(jù)融合

利用數(shù)據(jù)融合[9～10]技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的觀測(cè)信號(hào),按照一定準(zhǔn)則進(jìn)行自動(dòng)分析、綜合,以完成系統(tǒng)要求的決策任務(wù)。

該基準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)以下功能:

1) 用衛(wèi)星導(dǎo)航速度標(biāo)定車速;

2) 用車速剔除衛(wèi)星導(dǎo)航的跳點(diǎn)數(shù)據(jù);

3) 在衛(wèi)星導(dǎo)航速度無法獲得時(shí),輸出標(biāo)定后的車速;

4) 轉(zhuǎn)彎時(shí),由于衛(wèi)星導(dǎo)航速度實(shí)時(shí)性不足,系統(tǒng)輸出標(biāo)定后的車速。

4 系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 功耗、重量和體積

系統(tǒng)樣機(jī)組成部分的功耗、重量、體積如表1所示。

表1 系統(tǒng)組成部分功耗、重量、體積統(tǒng)計(jì)表

表1給出的測(cè)試結(jié)果表明,樣機(jī)完全適用于車載方式。

4.2 速度精度

在正常無遮擋環(huán)境下,該基準(zhǔn)系統(tǒng)能接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信息,性能主要由衛(wèi)星導(dǎo)航裝置決定。針對(duì)無法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息的情況,設(shè)計(jì)了以下步驟的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)樣機(jī)精度:

1) 斷開衛(wèi)星導(dǎo)航裝置和主控計(jì)算機(jī)間的物理連接,使主控計(jì)算機(jī)無法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息;

2) 系統(tǒng)一直工作在無衛(wèi)星導(dǎo)航信息的狀態(tài)。然后,用另一臺(tái)計(jì)算機(jī)同步實(shí)時(shí)記錄衛(wèi)星導(dǎo)航裝置和速度基準(zhǔn)系統(tǒng)輸出;

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,用衛(wèi)星導(dǎo)航裝置輸出的定位數(shù)據(jù)計(jì)算航程和平均速度,將計(jì)算結(jié)果作為基準(zhǔn)和系統(tǒng)車速采集裝置在該段時(shí)間內(nèi)輸出的平均速度做比較。

實(shí)際車載試驗(yàn)共進(jìn)行了6次,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2。表中基準(zhǔn)值是衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算的速度值,與系統(tǒng)樣機(jī)的速度采集輸出值的差值滿足設(shè)計(jì)的厘米每秒的精度要求。

表2 車載試驗(yàn)速度測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)中,記錄的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)更新間隔如圖5所示,平均更新間隔1s,最大1.001s,最小0.9984s。

圖5 試驗(yàn)中速度基準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新間隔

使用本系統(tǒng)提供的速度數(shù)據(jù),做一個(gè)時(shí)間同步,再引入一些特定特征量,即可模擬其他水中速度測(cè)試設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)車載試驗(yàn)對(duì)水中試驗(yàn)的模擬。圖6為某次實(shí)際試驗(yàn)中模擬多普勒計(jì)程儀速度輸出的數(shù)據(jù)曲線。

圖6 模擬多普勒計(jì)程儀速度輸出數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文研制開發(fā)的車載速度基準(zhǔn)系統(tǒng),組成簡(jiǎn)單,功耗、體積、重量和精度等都滿足車載試驗(yàn)要求。系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證,工作可靠,能夠滿足水下捷聯(lián)慣導(dǎo)研制過程中的車載試驗(yàn)需求。使用該車載速度基準(zhǔn)系統(tǒng)作為輔助測(cè)速設(shè)備,一方面可以降低水下捷聯(lián)慣導(dǎo)的研制成本,另一方面能有效縮短研制周期,有很高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)具有良好擴(kuò)展性,可結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要,進(jìn)一步擴(kuò)展完善。

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A Kind of Speed Reference System for INS Vehicle-Carried Test

WEN Gang1LI Zhiwen2LIU Bo2

(1. Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing, Chongqing 400042) (2. Chongqing QianWei Tech ltd, Chongqing 401121)

This paper introduces a kind of speed reference system, which is used for SINS’ vehicle-carried test. This system is composed of GNSS, vehicle speed acquisition instrument, and a master computer. It can provide the vehicle’s real-time speed data satisfying given precision requirement as the speed reference, or simulating the output of other speed acquisition instrument. Based on the vehicle-carried test, this system composition is simple, and its power dissipation, size, weight and speed data precision can meet the requirements of SINS vehicle-carried test. It also can simulate speed acquisition function of integrated navigation system without satellite navigation information.

strapdown inertial navigation system, integrated navigation, vehicle-carried test, speed reference system

2014年11月5日,

2014年12月7日

文鋼,男,博士,工程師,研究方向:捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)、水中目標(biāo)體的回聲特性。李志文,男,工程師,研究方向:捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)。劉波,男,工程師,研究方向:捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)。

U674.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.011