彭軍，何群，孫豐甲，郭建麟，李娜娜

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(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導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。導(dǎo)航的作用是為運載體提供服務(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)航雷達等。其主要優(yōu)點是整個導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性集中在導(dǎo)航臺上，用戶設(shè)備簡單、價格低。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、陀螺等慣性敏感器件在飛機、艦船、火箭等載體上測量其相對于慣性空間的線運動和角運動參數(shù)。當(dāng)給定載體的初始狀態(tài)，根據(jù)牛頓運動定律，即可推算載體的瞬時速度、位置及姿態(tài)［1］。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有獨立性、自主性、隱蔽性好及高精度的特點，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間而積累，因此長時間工作將會產(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，天體的坐標位置和它的運動規(guī)律是已知的，測量天體相對于飛行器參考基準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，定位誤差與時間無關(guān)［］。但在低空飛行時因受能見度的限制，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 小時提供高精度的三維位置、速度、和精密時間信息［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，進行系統(tǒng)間的取長補短，能有效地減少系統(tǒng)誤差，提高精度，同時可降低導(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、短時精度和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但存在定位誤差隨時間累計和初始對準時間長等缺點。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、全時間、連續(xù)提供三維位置、三維速度及時間信息，但其存在動態(tài)響應(yīng)能力較差、信號易被遮擋、易受干擾等缺點。

將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)有機地結(jié)合起來，可在性能上揚長避短。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 接收機和INS 都是獨立的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS 給出位置、速度、時間解(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，只要GPS 設(shè)備測量值在可接受的準確度范圍內(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，可以在兩個GPS 數(shù)據(jù)中間用INS 的數(shù)據(jù)進行內(nèi)插。當(dāng)GPS 信號中斷時，從最近一次GPS 測量值開始，采用INS 進行測量，直到GPS 信號恢復(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，同時在GPS 信號中斷時，持續(xù)地保持導(dǎo)航能力。濾波算法是根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，從包含干擾的測量信號中計算出被估計量的統(tǒng)計濾波值。濾波算法大都采用卡爾曼濾波方法，利用上一時刻的估計值以及實時測量值進行實時估計，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)航校準方法

組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的技術(shù)指標主要有: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，國內(nèi)外目前對INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準方法主要有以下幾種:

3.1 三軸轉(zhuǎn)臺實驗室仿真校準

利用衛(wèi)星信號模擬器和三軸轉(zhuǎn)臺進行組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準，考核系統(tǒng)的性能指標。將組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上，利用三軸轉(zhuǎn)臺的三個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動的位置和速度并模擬產(chǎn)生對應(yīng)的衛(wèi)星射頻信號，提供給組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星接收機，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)臺的狀態(tài)參數(shù)及衛(wèi)星模擬器的狀態(tài)參數(shù)進行比較，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)三軸臺校準

3.2 旋轉(zhuǎn)臂測試臺校準

旋轉(zhuǎn)臂測試臺置于外場，組合導(dǎo)航系統(tǒng)置于測試臺上，可接收衛(wèi)星信號。測試臺與旋轉(zhuǎn)臂頂端相連，實現(xiàn)不同的方位a、橫滾r 和俯仰p 運動，旋轉(zhuǎn)臂可繞水平軸轉(zhuǎn)動，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(經(jīng)度、緯度和高度)以及測試臺與正北的夾角。利用裝置旋轉(zhuǎn)時，方位角、仰角、俯仰角及橫滾角的變化，使安裝在測試臺上的被校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，并對二者進行分析比較，實現(xiàn)對INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行地面校準的目的［8］。

圖4 旋轉(zhuǎn)臂測試臺校準

該測試方法的優(yōu)點是通過測量某一具體時刻各軸角位置，很容易對測試臺的位置、姿態(tài)和速度進行控制與測量。缺點是變換的位置與高程受轉(zhuǎn)動臂長的限制。

3.3 跑車校準

采用在同一跑車上安裝兩套組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方法進行比對校準。以高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)為參考標準，來對被校組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行測試校準［9-11］，如圖5。也可以采用高精度差分GPS 接收機作為位置和速度標準，將車載慣性平臺的輸出作為標準姿態(tài)角對組合導(dǎo)航進行校準［3］;還可將一套組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在跑車的平臺上，從一個標準大地點跑到另一個標準點時，位置精度由觀察組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出與標準點的位置差得到，此時刻的姿態(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的姿態(tài)角進行比較得到。

圖5 車載試驗校準

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

3.4 火箭橇校準

利用已有的火箭橇軌道，對組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行校準。美國的火箭橇有多個，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)實驗室(簡稱CIGTF)為代表，它是一個從事制導(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、評估、分析的技術(shù)中心，是一個中央權(quán)威技術(shù)機構(gòu)，只有那些在CIGTF 得到性能驗證的制導(dǎo)、導(dǎo)航系統(tǒng)才會成為當(dāng)前和未來應(yīng)用的選擇對象。在上世紀90年代被定為負責(zé)全球定位系統(tǒng)用戶設(shè)備的主管測試機構(gòu)，并受命支持空軍2000年計劃，負責(zé)組裝和測試空軍飛機的全球定位系統(tǒng)(GPS)用戶設(shè)備［9］，已在火箭橇上進行了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)測試?；鸺猎囼炏到y(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)真實的工作狀態(tài)?；鸺猎囼灧椒ㄊ球炞CINS/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行組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗，尚未利用其進行INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)校準技術(shù)研究。

火箭橇校準法的優(yōu)點是可考察高動態(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)。但單次試驗成本較高，校準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

采用在飛機上同時安裝兩套INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方法進行比對。用高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)作為參考標準，來對被校組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行測試校準;也可以在飛機上安裝高精度航拍相機，以拍攝地面標準場得到的結(jié)果為標準，來校準組合導(dǎo)航系統(tǒng)［15］。飛機飛行校準的優(yōu)點是最接近載體的運行狀態(tài)，但單次試驗成本高，在進行比對校準時依賴同類產(chǎn)品的性能狀態(tài);用航拍標準場的方法受天氣環(huán)境、相機本身的姿態(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，對其校準尤為重要。通過對INS/GNSS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理、目前組合導(dǎo)航一些校準方法的總結(jié)分析，可以看出若完成對組合導(dǎo)航系統(tǒng)的校準，校準裝置需要具備以下條件:可產(chǎn)生標準的空間位置和速度，可產(chǎn)生標準的姿態(tài)角度變化，已知的大地坐標及北向基準，可有效地接收GNSS 衛(wèi)星信號，統(tǒng)一的時間基準與同步信號。

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