智奇楠周俊劉鵬飛李梟楠賈浩男

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)研究

智奇楠1，2，周俊3，劉鵬飛1，2，李梟楠1，2，賈浩男1，2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；3.陸軍航空兵學(xué)院陸軍航空兵研究所，北京 101121）

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中以及設(shè)備研制完成后，需要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，由于涉及到位置、速度、姿態(tài)以及時(shí)間多個(gè)測(cè)量信息，又分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，測(cè)量精度高、測(cè)試難度大，如何有效地評(píng)估組合導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的精度是一大難題。根據(jù)GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)和已有的測(cè)試方法和測(cè)試條件，設(shè)計(jì)了多層次的測(cè)試方案，可以支撐GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)全方位的測(cè)試驗(yàn)證，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，提高驗(yàn)證效率，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了充分測(cè)試。

組合導(dǎo)航測(cè)試；組合導(dǎo)航模擬器；半物理仿真；動(dòng)態(tài)測(cè)試

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合了衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航兩種技術(shù)體制，是目前應(yīng)用最廣泛的一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位、測(cè)速、測(cè)姿與授時(shí)。在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中以及設(shè)備研制完成后，需對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，由于涉及到位置、速度、姿態(tài)以及時(shí)間多個(gè)測(cè)量信息，載體分為地面車(chē)載、行人和空中飛行器等不同平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)條件分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，測(cè)量精度高、測(cè)試難度大、測(cè)試成本高，如何有效地評(píng)估組合導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的精度是一個(gè)難題。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試總體方案

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中和實(shí)際使用之前，需要對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行有效測(cè)試，具體包括實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下的測(cè)試和實(shí)際使用條件下的測(cè)試。根據(jù)目前已有的測(cè)試方法和測(cè)試條件以及可行性，設(shè)計(jì)了基于4個(gè)層次的測(cè)試驗(yàn)證：①基于組合導(dǎo)航模擬器的模擬測(cè)試；②基于組合導(dǎo)航模擬器和三軸運(yùn)動(dòng)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的半物理仿真測(cè)試；③動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試；④實(shí)際使用測(cè)試評(píng)估。各測(cè)試方法均與相應(yīng)的時(shí)間、位置、速度、姿態(tài)基準(zhǔn)信息進(jìn)行比對(duì)，對(duì)GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)多層次的測(cè)試方案，可以支撐GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)全方位的測(cè)試驗(yàn)證，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度和成本，提高了驗(yàn)證效率。GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證總體方案及其相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 測(cè)試總體方案

GNSS/INS組合導(dǎo)航設(shè)備常用的測(cè)試手段是組合導(dǎo)航模擬器的方式，這種方式可以利用固定場(chǎng)景對(duì)組合設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，便于排查問(wèn)題和測(cè)試系統(tǒng)算法處理精度；可以由組合導(dǎo)航模擬器與運(yùn)動(dòng)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)組成的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)，將衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)和載體姿態(tài)模擬信號(hào)同步輸出，最大限度地模擬位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行充分的驗(yàn)證；搭建動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試平臺(tái)，使用高精度組合定位測(cè)姿系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試；將組合定位測(cè)姿系統(tǒng)集成到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，通過(guò)系統(tǒng)指標(biāo)的復(fù)合驗(yàn)證進(jìn)行系統(tǒng)精度的評(píng)估。

可以將試驗(yàn)驗(yàn)證分為5個(gè)階段：①試驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建；②基于組合導(dǎo)航模擬器的測(cè)試；③半物理仿真測(cè)試；④實(shí)際跑車(chē)測(cè)試；⑤實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

2 基于組合導(dǎo)航模擬器的測(cè)試

針對(duì)信號(hào)源測(cè)試，傳統(tǒng)的射頻信號(hào)源只能夠提供射頻信號(hào)測(cè)試單獨(dú)的接收機(jī)，無(wú)法提供同步的原始慣性測(cè)量信號(hào)測(cè)試GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)，因此需要構(gòu)建GNSS/INS復(fù)合信號(hào)源。GNSS/INS復(fù)合信號(hào)源不僅能夠模擬衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，并且能夠同步仿真慣性測(cè)量信號(hào)。

GNSS/INS組合模擬器根據(jù)衛(wèi)星分布及應(yīng)用場(chǎng)景首先生成數(shù)據(jù)仿真文件，模擬用戶(hù)設(shè)備在星座條件下的用戶(hù)軌跡，同時(shí)將用戶(hù)軌跡發(fā)播給衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器與慣導(dǎo)信號(hào)模擬器，在系統(tǒng)同步時(shí)鐘的觸發(fā)條件下，分別產(chǎn)生衛(wèi)星射頻信號(hào)與慣導(dǎo)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)。衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號(hào)直接通過(guò)天線輻射到室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)，慣導(dǎo)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)直接通過(guò)慣導(dǎo)模擬接口給組合導(dǎo)航接收機(jī)。

GNSS/INS組合模擬器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。利用GNSS/INS復(fù)合信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試時(shí)，構(gòu)建的測(cè)試框圖如圖3所示。

圖2 GNSS/INS組合模擬器實(shí)現(xiàn)過(guò)程框圖

圖3 組合導(dǎo)航模擬測(cè)試框圖

測(cè)試系統(tǒng)中主要包括了三大部分：GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)、全空間全姿態(tài)GNSS/INS復(fù)合信號(hào)源、評(píng)價(jià)與控制計(jì)算機(jī)。全空間全姿態(tài)GNSS/INS復(fù)合信號(hào)源功能：①模擬載體在姿態(tài)改變的情況下由于用戶(hù)天線存在方向圖，模擬接收機(jī)接收到的衛(wèi)星可見(jiàn)星座實(shí)時(shí)變化和信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)變化；②將陀螺及加速度計(jì)的數(shù)據(jù)與射頻信號(hào)同步輸出。

評(píng)價(jià)與控制計(jì)算機(jī)功能：①產(chǎn)生測(cè)試場(chǎng)景即運(yùn)動(dòng)軌跡；②模擬任務(wù)計(jì)算機(jī)（制導(dǎo)、控制計(jì)算機(jī)）對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行位置、速度、姿態(tài)初始化；③接收被測(cè)IMU的數(shù)據(jù)，并且與數(shù)仿文件中的IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，然后輸出；④接收來(lái)自GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果，并且進(jìn)行評(píng)價(jià)。

測(cè)試與評(píng)估工作過(guò)程：①產(chǎn)生測(cè)試場(chǎng)景。②信號(hào)源基于輸入的位置、速度、姿態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的射頻信號(hào)，基于設(shè)定軌跡模擬慣性測(cè)量單元測(cè)量的角速度、比力。③評(píng)價(jià)與控制計(jì)算機(jī)接收到反饋的角速度、比力信息，這包含了IMU的靜態(tài)漂移與噪聲等；與在場(chǎng)景生成時(shí)產(chǎn)生的角速度、比力信息進(jìn)行分別疊加，合成出含噪聲與漂移特性的角速度、比力信息；將射頻信號(hào)和角速度、比力信息進(jìn)行同步后輸出。④被測(cè)設(shè)備接收模擬的導(dǎo)航信號(hào)和模擬的慣導(dǎo)信號(hào)，進(jìn)行組合導(dǎo)航解算。⑤接收機(jī)將導(dǎo)航的結(jié)果值反饋到評(píng)價(jià)與控制計(jì)算機(jī)。⑥評(píng)價(jià)與控制計(jì)算機(jī)將模擬的位置、速度、姿態(tài)信息與被測(cè)設(shè)備輸出的信息數(shù)據(jù)對(duì)齊，再進(jìn)行誤差評(píng)價(jià)。

3 半物理仿真測(cè)試

該測(cè)試系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)監(jiān)控評(píng)估計(jì)算機(jī)、GNSS/INS復(fù)合信號(hào)模擬器、仿真控制計(jì)算機(jī)和三軸位置速率轉(zhuǎn)臺(tái)四部分組成，其基于以太網(wǎng)進(jìn)行連接，通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行對(duì)等通信。GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)為測(cè)試設(shè)備，被固定在轉(zhuǎn)臺(tái)基座上。在測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)模擬真實(shí)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和載體的姿態(tài)變化信息，時(shí)間同步通過(guò)B碼授時(shí)單元控制。半物理仿真測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 半物理仿真測(cè)試流程

轉(zhuǎn)臺(tái)采用三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)，它通過(guò)與仿真控制計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜進(jìn)行通信，獲取轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行指令，模擬真實(shí)試測(cè)設(shè)備感測(cè)到的固定傾角和勻速角速度。將組合定位測(cè)姿系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框的基座上，定位系統(tǒng)中慣組單元的三軸陀螺儀實(shí)時(shí)敏感轉(zhuǎn)臺(tái)的角速率信息；通過(guò)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控評(píng)估計(jì)算機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)中的線運(yùn)動(dòng)模擬器可以實(shí)時(shí)仿真輸出與速率轉(zhuǎn)臺(tái)角運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的加速度信息，線運(yùn)動(dòng)模擬器實(shí)時(shí)讀取仿真計(jì)算機(jī)寫(xiě)入的加速度信息，添加與加速度有關(guān)的常值誤差和隨機(jī)誤差，以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給組合定位測(cè)姿系統(tǒng)；GNSS信號(hào)模擬器則根據(jù)控制計(jì)算機(jī)中載體的線運(yùn)動(dòng)信息和角運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)時(shí)生成與之對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星射頻信號(hào)，供組合定位測(cè)姿系統(tǒng)接收機(jī)使用。

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①模擬運(yùn)載體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控評(píng)估計(jì)算機(jī)提供的載體位置、速度、姿態(tài)信息，產(chǎn)生加速度信息；③檢測(cè)、控制轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)變化；④為GNSS信號(hào)模擬器提供載體信息；⑤保證GNSS信號(hào)模擬器、三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)監(jiān)控評(píng)估計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步；⑥監(jiān)控組合定位系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，存儲(chǔ)、評(píng)估定位測(cè)姿性能。

半物理仿真測(cè)試過(guò)程中將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)接入其中，仿真控制計(jì)算機(jī)對(duì)速率轉(zhuǎn)臺(tái)的控制、轉(zhuǎn)臺(tái)接收激勵(lì)信號(hào)后做出的反應(yīng)，以及組合定位測(cè)姿系統(tǒng)對(duì)射頻信號(hào)、加速度信號(hào)接收的時(shí)刻，都需要有嚴(yán)格的時(shí)間同步基準(zhǔn)。此測(cè)試方案中，時(shí)間同步基準(zhǔn)由B碼時(shí)間同步單元提供。

此外，半物理仿真測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)保證組合定位測(cè)姿系統(tǒng)同時(shí)獲得天線接收到的GPS信號(hào)、陀螺儀敏感到的角運(yùn)動(dòng)信息、加速度計(jì)收集到的線運(yùn)動(dòng)信息處于同一坐標(biāo)基準(zhǔn)上。此測(cè)試方案中，組合定位測(cè)姿系統(tǒng)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)框中，即處于轉(zhuǎn)臺(tái)基座的中心點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)將天線的實(shí)際位置平移至基座中心點(diǎn)處。

4 基于實(shí)際跑車(chē)的動(dòng)態(tài)環(huán)境測(cè)試

基于車(chē)載動(dòng)態(tài)環(huán)境的跑車(chē)試驗(yàn)可以測(cè)試組合定位測(cè)姿系統(tǒng)完全工作狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行功能，利用高精度的位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，直接評(píng)估組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能，在實(shí)際應(yīng)用搭載之前進(jìn)行大量的基于車(chē)載動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)是十分必要的。在跑車(chē)試驗(yàn)環(huán)境中，組合定位測(cè)姿系統(tǒng)各部分功能都與真實(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)相同，可以真實(shí)地測(cè)試GNSS接收機(jī)接收實(shí)際信號(hào)的功能以及INS的正常運(yùn)行功能。

將組合定位測(cè)姿系統(tǒng)固定安裝在測(cè)試車(chē)中，天線置于車(chē)頂，增加高精度的位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)，在初始位置經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量獲得初始位置，完成系統(tǒng)初始化，然后開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，選取路線選擇有高低起伏的路徑，并進(jìn)行環(huán)形路徑測(cè)試，整個(gè)路徑起始位置和結(jié)束位置形成閉合路徑，可以更加直觀地驗(yàn)證定位精度。

整個(gè)車(chē)載動(dòng)態(tài)測(cè)試如圖5所示，組合定位測(cè)姿系統(tǒng)和高精度位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用同一個(gè)天線。組合定位測(cè)姿系統(tǒng)接收天線的射頻信號(hào)和BD/GPS車(chē)載動(dòng)態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提供的觀測(cè)信息，組合定位測(cè)姿系統(tǒng)正常定位，輸出高精度導(dǎo)航信息。高精度位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采集慣性導(dǎo)航信息、衛(wèi)星導(dǎo)航信息并與基準(zhǔn)站接收機(jī)測(cè)量獲得的觀測(cè)信息，統(tǒng)一在高精度數(shù)據(jù)處理軟件中做數(shù)據(jù)融合處理，獲得高精度基準(zhǔn)信息。與組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算的位置、速度、姿態(tài)信息進(jìn)行比較，評(píng)估其性能。

圖5 車(chē)載動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境

5 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

在組合定位測(cè)姿系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試、動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試之后，系統(tǒng)的性能指標(biāo)基本完成了驗(yàn)證，一方面完成了系統(tǒng)高精度的驗(yàn)證；另一方面，完成了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的驗(yàn)證，系統(tǒng)可以進(jìn)行再應(yīng)用平臺(tái)的安裝測(cè)試。在有條件的情況下，可以評(píng)估系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)試，但由于實(shí)際應(yīng)用中難以構(gòu)建參考基準(zhǔn)設(shè)備，一般采用間接的方式進(jìn)行評(píng)估。例如，測(cè)繪車(chē)組合定位測(cè)姿系統(tǒng)在完成移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成后，可以在高精度測(cè)量的控制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)，以評(píng)估測(cè)量信息和控制點(diǎn)實(shí)際位置信息進(jìn)行比較的方式來(lái)間接考核組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的精度。如果在無(wú)人機(jī)等飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)應(yīng)用中，可以在系統(tǒng)集成后，評(píng)估系統(tǒng)導(dǎo)航控制的精度或通過(guò)外測(cè)手段來(lái)考核組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)，根據(jù)目前已有的測(cè)試方法以及可行性，采取分步實(shí)施、逐級(jí)測(cè)試、全面覆蓋的方法，進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，可以有效評(píng)估系統(tǒng)精度和可靠性，一方面減少系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的測(cè)試難度，另一方面降低系統(tǒng)總體研制成本和測(cè)試成本，設(shè)計(jì)的多層次測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)方案可以支撐各類(lèi)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的功能性能測(cè)試。

［1］王新龍.SINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

［2］謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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TN967.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.009

2095－6835（2019）16－0024－03

智奇楠（1983—），男，主要研究方向?yàn)榻M合導(dǎo)航技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕