陳 思，仲啟媛，譚立龍，王 鵬，張彥濤

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

發(fā)射車車載定位定向技術(shù)是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈無(wú)預(yù)設(shè)陣地機(jī)動(dòng)發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)，本質(zhì)是指車載導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)射車行進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)提供精確的經(jīng)緯度、高程、北向方位角和姿態(tài)角等導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)與發(fā)射所需的基本信息[1]?；谧鲬?zhàn)應(yīng)用的車載定位定向系統(tǒng)要求具有自主性、快速性、精確性和抗干擾性。從國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程上看，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)憑借其完全自主性和實(shí)用性得到廣泛認(rèn)可，但由于誤差隨時(shí)間累積而不能長(zhǎng)時(shí)單一使用[2]；最初采用零速修正或地標(biāo)點(diǎn)停車修正方式[3]的車載導(dǎo)航因其削弱了車載發(fā)射的機(jī)動(dòng)性不被青睞；采用捷聯(lián)慣導(dǎo)(SINS)/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)[4]雖然抑制了誤差發(fā)散，但GPS信號(hào)易受遮擋且技術(shù)被他國(guó)控制，因此不能作戰(zhàn)使用，即使采用國(guó)產(chǎn)北斗定位也存在衛(wèi)星信號(hào)被干擾等類似問(wèn)題；采用地圖匹配技術(shù)[5]輔助有一定效果，但存在地圖精度要求高、數(shù)據(jù)處理技術(shù)也有較高要求等問(wèn)題；SINS/里程計(jì)(OD)組合導(dǎo)航采用航位推算技術(shù)自主性好，誤差發(fā)散得到一定程度抑制，但由于車輪空轉(zhuǎn)、打滑等導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)導(dǎo)航誤差也較大[6]。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了射頻識(shí)別技術(shù)(RFID,Radio Frequency Identification Devices)快速提升與應(yīng)用。RFID利用射頻信號(hào)將儲(chǔ)存于標(biāo)簽內(nèi)的信息傳送給RFID閱讀器，是一種新興的識(shí)別與定位手段，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、抗惡劣環(huán)境、非接觸、快速、安全、準(zhǔn)確、價(jià)廉(軍用標(biāo)簽10美分左右)等優(yōu)勢(shì)[7]。近年來(lái)軍用射頻標(biāo)簽被應(yīng)用于軍事物流、軍車定位等領(lǐng)域，尤其是近期美國(guó)在全源定位與導(dǎo)航項(xiàng)目(ASPN)中將RFID作為一種重要的傳感器，但沒(méi)有詳細(xì)公開(kāi)具體使用方式[8]。在發(fā)射車作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置射頻定位系統(tǒng)，輔助車載定位定向，具有可期的前景。

1 RFID定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 RFID工作原理

RFID由標(biāo)簽、閱讀器、天線3部分組成，標(biāo)簽存儲(chǔ)數(shù)字信息，讀寫(xiě)器控制射頻模塊通過(guò)天線發(fā)射射頻信號(hào)，讀取對(duì)應(yīng)標(biāo)簽信息，如圖1所示。RFID可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體,能夠穿透塑料等材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽[9]。

1.2 發(fā)射車?yán)肦FID定位方案設(shè)計(jì)

標(biāo)簽分為無(wú)源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽，鑒于作戰(zhàn)使用采用無(wú)源標(biāo)簽并進(jìn)行加密處理；閱讀器可采用超高頻閱讀器，其識(shí)別標(biāo)簽并讀取內(nèi)置信息時(shí)間為幾十毫秒；識(shí)別距離可根據(jù)需求調(diào)節(jié)選用功率，幾十米內(nèi)的識(shí)別距離均可選。

1.2.1 路面鋪設(shè)射頻標(biāo)簽法

射頻標(biāo)簽鋪設(shè)于車道路面中央，標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存該位置地理信息代碼(經(jīng)緯度、高程等)，閱讀器安裝在發(fā)射車底部，車輛通過(guò)標(biāo)簽上方時(shí)，識(shí)別讀取傳送至車載計(jì)算機(jī)，迅速與車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位信息進(jìn)行融合處理?？紤]到碾壓破壞等問(wèn)題，可采用凹陷下沉或鑲嵌在反光路鈕內(nèi)側(cè)的方法，如圖2所示。

閱讀器的安裝有多種方式，為了滿足后文輔助初始對(duì)準(zhǔn)需求，采用垂直向下識(shí)別型進(jìn)行分析。該方式閱讀器與標(biāo)簽簡(jiǎn)化的幾何關(guān)系如圖3所示，其中v為載車速度，H為車載閱讀器中心點(diǎn)在發(fā)射車上安裝位置距離水平地面的高度，α為閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)的輻射形成的扇面所張開(kāi)的信號(hào)輻射角(即波瓣寬度)，β為射頻標(biāo)簽被激活后發(fā)出的反饋信號(hào)輻射角(兩者均為空間類圓錐型輻射，在這里作平面分析處理)，L為標(biāo)簽?zāi)芙邮盏介喿x器信號(hào)到閱讀器不能讀到標(biāo)簽反饋信號(hào)的極限條件下閱讀器在行車方向上的移動(dòng)距離，并設(shè)這段可感知時(shí)間為t。

設(shè)完成單次超高頻射頻識(shí)別的識(shí)別時(shí)間為t0，由于識(shí)別時(shí)間很短，該時(shí)間內(nèi)行車速度幾乎無(wú)變化，可看成恒定值，由相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和平面幾何關(guān)系可知，垂直向下識(shí)別時(shí)，行車方向絕對(duì)定位誤差為

(1)

為了保證至少完成一次識(shí)別，識(shí)別時(shí)間t0和可感知時(shí)間t之間應(yīng)滿足如下條件：

(2)

即行車速度v不能超過(guò)其最大值，否則在固定的RFID標(biāo)簽的錐角范圍內(nèi)無(wú)法有效識(shí)別標(biāo)簽，行車速度v需要滿足如下條件：

(3)

根據(jù)目前使用到的RFID實(shí)際技術(shù)指標(biāo)條件，選定閱讀器和標(biāo)簽的信號(hào)輻射錐角α=β=60°，單次射頻識(shí)別時(shí)間20 ms；戰(zhàn)車尤其是發(fā)射車在設(shè)計(jì)時(shí)要求適應(yīng)不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，具有很強(qiáng)的越野性能，因此車輛底盤高。廣泛查閱各型戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理約束閱讀器安裝高度H<0.5 m。通過(guò)仿真分析得出最高速度與安裝高度關(guān)系，如圖4所示。

根據(jù)一般性使用經(jīng)驗(yàn)，正常行車速度為30～60 km/h。由圖4可知，在上述條件下，垂直向下識(shí)別方式的行車速度要滿足使用條件，即大于60 km/h，則安裝高度應(yīng)滿足在H>0.3 m，再根據(jù)國(guó)內(nèi)外多型導(dǎo)彈發(fā)射車車體結(jié)構(gòu)參數(shù)，劃定圖4中虛線框區(qū)域?yàn)樽罴寻惭b范圍，工程實(shí)際可以此為參考。

設(shè)閱讀器安裝高度分別為H=0.3、0.4、0.5 m，通過(guò)仿真計(jì)算，考察不同車速下行車方向定位精度，如圖5所示。

由圖5可知，垂直向下識(shí)別安裝方式的理論行車定位精度高，車輛速度20 km/h以上時(shí)，行車方向定位精度可達(dá)0.2 m以上。根據(jù)該仿真結(jié)果，綜合考慮實(shí)際使用車速情況、車輛底盤越野性能(底盤要具有一定高度的通過(guò)性)和標(biāo)簽錐角范圍內(nèi)信號(hào)可閱讀率，安裝高度H在0.4～0.5 m范圍內(nèi)取值較好。該方案經(jīng)行車驗(yàn)證，識(shí)別定位精度能達(dá)到0.5 m以內(nèi)，滿足行進(jìn)間定位修正要求，而且無(wú)需停車，簡(jiǎn)單易行。

1.2.2 路側(cè)鋪設(shè)射頻標(biāo)簽法

射頻標(biāo)簽等距安裝在路中隔離帶或者路邊防護(hù)樁上，閱讀器安裝于發(fā)射車左(右)側(cè)與標(biāo)簽同高位置，在行進(jìn)間讀取位置信息，稱之為路標(biāo)定位，如圖6所示。D為車道寬，d為發(fā)射車寬，d1為該標(biāo)簽垂直對(duì)應(yīng)車道中線處距離，標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)該標(biāo)簽垂直對(duì)應(yīng)車道中線處位置坐標(biāo)代碼。

根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查有特種超寬車輛駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員可知，被調(diào)查人員百分之百表示駕駛車輛保持在單一車道內(nèi)行駛非常輕松容易。以此為實(shí)際可行條件進(jìn)行定位誤差分析，并定義該方法為基于標(biāo)準(zhǔn)車道約束的車載RFID路側(cè)感知定位法。

由圖6可知，在發(fā)射車保持同一車道內(nèi)行駛條件下，橫向理論定位誤差為

(4)

縱向誤差由識(shí)別距離、識(shí)別角度和車速共同決定,如圖7所示。

x、y分別為射頻卡接收到閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)時(shí)兩者橫向距離和縱向距離，θ為標(biāo)簽接收到信號(hào)時(shí)角度，則縱向誤差為

δy=xtanθ-vt0,

(5)

則定位坐標(biāo)點(diǎn)概率偏差為

(6)

按國(guó)家道路標(biāo)準(zhǔn)，1～4級(jí)公路單一行車道寬度均在3.5 m左右，例如高速公路車道寬3.75 m。參照俄羅斯“白楊”系列發(fā)射車標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)取車寬3 m、接收信號(hào)角15°，以車速40 km/h行駛在二車道進(jìn)行分析可得：δx=0.37 m,δy=1.28 m,則理論計(jì)算精度為δr=1.34 m，可以達(dá)到美國(guó)軍用GPS數(shù)量級(jí)。

在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)調(diào)整射頻識(shí)別距離和功率、調(diào)整識(shí)別角度，在正常行車速度20～50 km/h情況下可以不用計(jì)算反應(yīng)距離，因?yàn)閷?shí)地試驗(yàn)時(shí)也無(wú)法測(cè)量，只需測(cè)量識(shí)別到標(biāo)簽時(shí)車輛實(shí)際位置與理論位置之差。在一段廢棄高速公路上進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，標(biāo)簽間隔10 m，共計(jì)30個(gè)，鋪設(shè)300 m長(zhǎng)距離，合理調(diào)節(jié)配置射頻識(shí)別參數(shù)，試驗(yàn)用民用大貨車(寬2.5 m)分別以20、30、50 km/h進(jìn)入識(shí)別區(qū)域，以DGPS定位數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)，有效識(shí)別率達(dá)到97.7%，每組取24個(gè)試驗(yàn)定位數(shù)據(jù)分析，定位偏差如表1所示。

表1 不同車速下射頻定位偏差

1.2.3 洞庫(kù)/隧道鋪設(shè)射頻標(biāo)簽法

在長(zhǎng)隧道或者洞庫(kù)頂壁上安裝多個(gè)閱讀器，識(shí)別貼于發(fā)射車上方的無(wú)源標(biāo)簽，在車輛正常行進(jìn)中實(shí)時(shí)定位，并將定位信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈同步傳給車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息融合。根據(jù)清研訊科公司實(shí)驗(yàn)室相關(guān)試驗(yàn)表明，該方式下定位精度能達(dá)到0.3 m以上。相關(guān)硬件設(shè)施投入較大，但可以和民用RFID車輛識(shí)別發(fā)展思路契合，通過(guò)軍民融合方式解決隱蔽性和高成本問(wèn)題。限于篇幅，在此不過(guò)多闡述此類較復(fù)雜方案原理。

2 RFID單點(diǎn)定位輔助動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)

SINS/OD組合車載定位定向具有完全自主性和相對(duì)長(zhǎng)時(shí)高精度保持性?，F(xiàn)階段利用SINS/OD進(jìn)行組合導(dǎo)航的研究很多，許多科研院所進(jìn)行了樣機(jī)研發(fā)，相關(guān)跑車結(jié)果表明，長(zhǎng)航時(shí)下，定位誤差仍發(fā)散變大甚至超出應(yīng)用要求。同時(shí)，大多都采用出發(fā)地進(jìn)行原地初始對(duì)準(zhǔn)方式，分為粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)，其中精對(duì)準(zhǔn)耗時(shí)較長(zhǎng)，約5 min左右，影響了作戰(zhàn)使用的效能。而RFID可以在戰(zhàn)區(qū)廣布置，恰好能彌補(bǔ)以上不足。借用“將衛(wèi)星定位移到地上，讓靜態(tài)地標(biāo)活動(dòng)起來(lái)”的思想，利用上述RFID定位方案輔助進(jìn)行行進(jìn)間動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航修正。

嚴(yán)恭敏等提出利用航位推算軌跡與真實(shí)軌跡相似性原理進(jìn)行行進(jìn)間動(dòng)態(tài)初始精對(duì)準(zhǔn)方案[10]，精度高，但由于預(yù)設(shè)地標(biāo)點(diǎn)停車定位的繁瑣性和耗時(shí)性限制了作戰(zhàn)應(yīng)用而被擱置。RFID定位精度達(dá)米級(jí)及以上時(shí)，可用于改進(jìn)此方案，避免了龐大發(fā)射車找點(diǎn)定位的實(shí)際應(yīng)用困難。

2.1 RFID輔助動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)流程設(shè)計(jì)

改進(jìn)型動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)流程：先在出發(fā)點(diǎn)A進(jìn)行30 s抗干擾粗對(duì)準(zhǔn)，采用慣性系粗對(duì)準(zhǔn)方式，之后任意機(jī)動(dòng)至多個(gè)RFID區(qū)域(B、C、D)進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)，通常一次修正方位角偏差可達(dá)角分級(jí)，由于RFID定位修正便捷快速，可進(jìn)行多次迭代修正，進(jìn)一步提高精度，如圖8所示。

2.2 對(duì)準(zhǔn)原理

2.2.1 粗對(duì)準(zhǔn)

應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、操作人員走動(dòng)等干擾，可引用文獻(xiàn)[11]方法，進(jìn)行抗干擾粗對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)將初始姿態(tài)陣分解為3個(gè)矩陣鏈乘，由加速度計(jì)和陀螺輸出直接求解初始姿態(tài)陣：

(7)

符號(hào)具體定義參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2.2.2 動(dòng)態(tài)修正精對(duì)準(zhǔn)

粗對(duì)準(zhǔn)后開(kāi)始導(dǎo)航行進(jìn)，其航位推算誤差主要由姿態(tài)偏差、陀螺漂移和里程計(jì)刻度系數(shù)誤差等引起，由于水平姿態(tài)誤差小，可忽略，在高精度陀螺漂移小和修正航時(shí)短的條件下，修正過(guò)程中可以認(rèn)為航向角誤差和里程計(jì)刻度系數(shù)誤差為常量φU和δKD，則可以利用航位推算軌跡與實(shí)際軌跡相似性原理，用航位誤差反向修正粗對(duì)準(zhǔn)航向角誤差，達(dá)到精對(duì)準(zhǔn)目的。

2.2.2.1 航位推算更新算法原理[12]

(8)

(9)

(10)

具體符號(hào)含義參考文獻(xiàn)[12]。

2.2.2.2 航位推算誤差分析

載車在地理位置變化不大的范圍內(nèi)行駛，即整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變化不大，可當(dāng)作平面處理，在上述分析條件下，航位推算誤差主要由φU和δKD引起：

(11)

如圖9所示，SINS/OD在A點(diǎn)粗對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生航向偏差 ，開(kāi)始沿任一線路繞行一圈回到A點(diǎn)。在行駛軌跡上任取一點(diǎn)C，則AC為真實(shí)位移，AB為對(duì)應(yīng)的航位推算位移。

式(11)的幾何圖解意義是：真實(shí)位移AC繞天向軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度φU分得到AD；再乘以系數(shù)(1+δKD)得航位推算位移AB。由此可知軌跡上任一點(diǎn)均滿足此規(guī)律，因而航位推算軌跡和真實(shí)軌跡是幾何相似的，即以起始點(diǎn)A為中心點(diǎn)解算路線在整體上轉(zhuǎn)動(dòng)了航向誤差角并擴(kuò)大了由里程計(jì)誤差系數(shù)增加的誤差。可見(jiàn)，里程計(jì)誤差系數(shù)將引起沿著位移方向的誤差，而粗對(duì)準(zhǔn)航向偏差會(huì)引起垂直于位移方向的誤差，誤差和為CB。

2.2.2.3 航向偏差角修正

在B點(diǎn)由航位推算值和RFID精確定位值之差求得航位偏差角ΔφU后，可直接將導(dǎo)航計(jì)算出的B點(diǎn)的姿態(tài)矩陣進(jìn)行修正更新，C、D點(diǎn)同理，即可達(dá)到輔助精對(duì)準(zhǔn)目的。

(12)

2.2.2.4 里程計(jì)刻度系數(shù)同步估計(jì)

設(shè)RFID修正點(diǎn)處定位誤差為ΔP，修正點(diǎn)位兩點(diǎn)間位移為ΔS，在ΔP遠(yuǎn)小于ΔS條件下，同步估計(jì)簡(jiǎn)化式為

(13)

2.3 跑車試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)用車載定位定向系統(tǒng)參數(shù)為：陀螺常值漂移0.01(°)/h，加速度計(jì)常值漂移0.1 mg，OD刻度系數(shù)誤差是0.013 1。

改進(jìn)型初始對(duì)準(zhǔn)跑車試驗(yàn),如圖10所示，進(jìn)行了約10.5 km跑車試驗(yàn)。

先在出發(fā)點(diǎn)1進(jìn)行約30 s抗干擾粗對(duì)準(zhǔn)，之后任意機(jī)動(dòng)至RFID區(qū)域2進(jìn)行修正，1、2點(diǎn)直線距離約5 km，RFID實(shí)測(cè)定位精度0.6 m，由于RFID定位修正便捷快速，可進(jìn)行多次迭代修正，進(jìn)一步提高精度，所以緊接著任意行進(jìn)至RFID區(qū)域3再次修正，該點(diǎn)定位精度0.4 m，2、3點(diǎn)直線距離約4.5 km。慣組上安裝有棱鏡，可以用尋北儀測(cè)量對(duì)準(zhǔn)偏差。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從模擬實(shí)際使用流程上看，整個(gè)初始對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，粗對(duì)準(zhǔn)抗干擾、耗時(shí)短，RFID輔助修正精對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，只需緩速行進(jìn)路過(guò)RFID點(diǎn)位，識(shí)別上一點(diǎn)即可，不必刻意定某一點(diǎn)，避免了找點(diǎn)停車定位的繁瑣與不便，快捷迅速而且定位精度高。一次修正航向精度達(dá)到1.21′，一次修正后航位推算誤差明顯減??；二次迭代修正達(dá)到0.78′，精度較高，并且能獲得精確定位信息作為慣導(dǎo)誤差修正源。

3 結(jié)束語(yǔ)

作戰(zhàn)使用的車載定位定向的發(fā)展朝著高精度和自主性(不依賴衛(wèi)星)方向，但是誤差累計(jì)需要修正、野外重啟需要快速獲得坐標(biāo)等，這些問(wèn)題均可由RFID定位方式解決。筆者提出了多種RFID定位使用方式，并將其應(yīng)用到SINS/OD組合導(dǎo)航中，快速高效初始對(duì)準(zhǔn)，提高陸基導(dǎo)彈發(fā)射機(jī)動(dòng)反應(yīng)能力和生存打擊能力。RFID輔助定位定向方式既可以對(duì)車載捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行航向修正，同時(shí)可以提供精確的定位坐標(biāo)。下一步，將對(duì)RFID連續(xù)定位輔助SINS/OD行進(jìn)間初始對(duì)準(zhǔn)、RFID輔助車載導(dǎo)航長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航修正、RFID輔助鐵路機(jī)動(dòng)發(fā)射快速定位等進(jìn)一步研究。