GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)測試技術(shù)研究

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.中國電子科技集團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)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.陸軍航空兵學院陸軍航空兵研究所，北京 101121）

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)過程中以及設(shè)備研制完成后，需要對系統(tǒng)各項性能指標進行試驗驗證，由于涉及到位置、速度、姿態(tài)以及時間多個測量信息，又分為靜態(tài)、動態(tài)等多種應(yīng)用場景，測量精度高、測試難度大，如何有效地評估組合導(dǎo)航系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的精度是一大難題。根據(jù)GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點和已有的測試方法和測試條件，設(shè)計了多層次的測試方案，可以支撐GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)全方位的測試驗證，降低系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)難度，提高驗證效率，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，并對系統(tǒng)性能進行了充分測試。

組合導(dǎo)航測試；組合導(dǎo)航模擬器；半物理仿真；動態(tài)測試

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)，可以實現(xiàn)高精度定位、測速、測姿與授時。在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)過程中以及設(shè)備研制完成后，需對系統(tǒng)各項性能指標進行試驗驗證，由于涉及到位置、速度、姿態(tài)以及時間多個測量信息，載體分為地面車載、行人和空中飛行器等不同平臺，運動條件分為靜態(tài)、動態(tài)等多種應(yīng)用場景，測量精度高、測試難度大、測試成本高，如何有效地評估組合導(dǎo)航系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的精度是一個難題。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)測試總體方案

在GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)過程中和實際使用之前，需要對系統(tǒng)性能進行有效測試，具體包括實驗室環(huán)境條件下的測試和實際使用條件下的測試。根據(jù)目前已有的測試方法和測試條件以及可行性，設(shè)計了基于4個層次的測試驗證：①基于組合導(dǎo)航模擬器的模擬測試；②基于組合導(dǎo)航模擬器和三軸運動仿真轉(zhuǎn)臺的半物理仿真測試；③動態(tài)跑車測試；④實際使用測試評估。各測試方法均與相應(yīng)的時間、位置、速度、姿態(tài)基準信息進行比對，對GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標進行評價。通過多層次的測試方案，可以支撐GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)全方位的測試驗證，降低了系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)難度和成本，提高了驗證效率。GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)試驗驗證總體方案及其相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 測試總體方案

GNSS/INS組合導(dǎo)航設(shè)備常用的測試手段是組合導(dǎo)航模擬器的方式，這種方式可以利用固定場景對組合設(shè)備進行重復(fù)測試，便于排查問題和測試系統(tǒng)算法處理精度；可以由組合導(dǎo)航模擬器與運動仿真轉(zhuǎn)臺組成的半物理仿真測試系統(tǒng)，將衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號和載體姿態(tài)模擬信號同步輸出，最大限度地模擬位置姿態(tài)測量系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，并進行重復(fù)測試，在實驗室條件下對組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行充分的驗證；搭建動態(tài)跑車測試平臺，使用高精度組合定位測姿系統(tǒng)作為基準，進行動態(tài)跑車測試；將組合定位測姿系統(tǒng)集成到實際應(yīng)用系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)指標的復(fù)合驗證進行系統(tǒng)精度的評估。

可以將試驗驗證分為5個階段：①試驗環(huán)境的構(gòu)建；②基于組合導(dǎo)航模擬器的測試；③半物理仿真測試；④實際跑車測試；⑤實際應(yīng)用測試。

2 基于組合導(dǎo)航模擬器的測試

針對信號源測試，傳統(tǒng)的射頻信號源只能夠提供射頻信號測試單獨的接收機，無法提供同步的原始慣性測量信號測試GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)，因此需要構(gòu)建GNSS/INS復(fù)合信號源。GNSS/INS復(fù)合信號源不僅能夠模擬衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星信號，并且能夠同步仿真慣性測量信號。

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

GNSS/INS組合模擬器的實現(xiàn)過程如圖2所示。利用GNSS/INS復(fù)合信號源進行測試時，構(gòu)建的測試框圖如圖3所示。

圖2 GNSS/INS組合模擬器實現(xiàn)過程框圖

圖3 組合導(dǎo)航模擬測試框圖

測試系統(tǒng)中主要包括了三大部分：GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)、全空間全姿態(tài)GNSS/INS復(fù)合信號源、評價與控制計算機。全空間全姿態(tài)GNSS/INS復(fù)合信號源功能：①模擬載體在姿態(tài)改變的情況下由于用戶天線存在方向圖，模擬接收機接收到的衛(wèi)星可見星座實時變化和信號強度實時變化；②將陀螺及加速度計的數(shù)據(jù)與射頻信號同步輸出。

評價與控制計算機功能：①產(chǎn)生測試場景即運動軌跡；②模擬任務(wù)計算機（制導(dǎo)、控制計算機）對被測設(shè)備進行位置、速度、姿態(tài)初始化；③接收被測IMU的數(shù)據(jù)，并且與數(shù)仿文件中的IMU數(shù)據(jù)進行疊加，然后輸出；④接收來自GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果，并且進行評價。

測試與評估工作過程：①產(chǎn)生測試場景。②信號源基于輸入的位置、速度、姿態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的射頻信號，基于設(shè)定軌跡模擬慣性測量單元測量的角速度、比力。③評價與控制計算機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；與在場景生成時產(chǎn)生的角速度、比力信息進行分別疊加，合成出含噪聲與漂移特性的角速度、比力信息；將射頻信號和角速度、比力信息進行同步后輸出。④被測設(shè)備接收模擬的導(dǎo)航信號和模擬的慣導(dǎo)信號，進行組合導(dǎo)航解算。⑤接收機將導(dǎo)航的結(jié)果值反饋到評價與控制計算機。⑥評價與控制計算機將模擬的位置、速度、姿態(tài)信息與被測設(shè)備輸出的信息數(shù)據(jù)對齊，再進行誤差評價。

3 半物理仿真測試

該測試系統(tǒng)主要由實驗監(jiān)控評估計算機、GNSS/INS復(fù)合信號模擬器、仿真控制計算機和三軸位置速率轉(zhuǎn)臺四部分組成，其基于以太網(wǎng)進行連接，通過交換機進行對等通信。GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)為測試設(shè)備，被固定在轉(zhuǎn)臺基座上。在測試系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)模擬真實GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號和載體的姿態(tài)變化信息，時間同步通過B碼授時單元控制。半物理仿真測試流程如圖4所示。

圖4 半物理仿真測試流程

轉(zhuǎn)臺采用三軸速率轉(zhuǎn)臺，它通過與仿真控制計算機、轉(zhuǎn)臺控制柜進行通信，獲取轉(zhuǎn)臺運行指令，模擬真實試測設(shè)備感測到的固定傾角和勻速角速度。將組合定位測姿系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的基座上，定位系統(tǒng)中慣組單元的三軸陀螺儀實時敏感轉(zhuǎn)臺的角速率信息；通過實驗監(jiān)控評估計算機，仿真計算機中的線運動模擬器可以實時仿真輸出與速率轉(zhuǎn)臺角運動對應(yīng)的加速度信息，線運動模擬器實時讀取仿真計算機寫入的加速度信息，添加與加速度有關(guān)的常值誤差和隨機誤差，以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給組合定位測姿系統(tǒng)；GNSS信號模擬器則根據(jù)控制計算機中載體的線運動信息和角運動信息，實時生成與之對應(yīng)的衛(wèi)星射頻信號，供組合定位測姿系統(tǒng)接收機使用。

三軸轉(zhuǎn)臺主要實現(xiàn)以下功能：①模擬運載體的姿態(tài)運動；②根據(jù)實驗監(jiān)控評估計算機提供的載體位置、速度、姿態(tài)信息，產(chǎn)生加速度信息；③檢測、控制轉(zhuǎn)臺的姿態(tài)變化；④為GNSS信號模擬器提供載體信息；⑤保證GNSS信號模擬器、三軸速率轉(zhuǎn)臺、實驗監(jiān)控評估計算機的時間同步；⑥監(jiān)控組合定位系統(tǒng)的運行狀態(tài)，存儲、評估定位測姿性能。

半物理仿真測試過程中將三軸轉(zhuǎn)臺接入其中，仿真控制計算機對速率轉(zhuǎn)臺的控制、轉(zhuǎn)臺接收激勵信號后做出的反應(yīng)，以及組合定位測姿系統(tǒng)對射頻信號、加速度信號接收的時刻，都需要有嚴格的時間同步基準。此測試方案中，時間同步基準由B碼時間同步單元提供。

此外，半物理仿真測試過程中，應(yīng)保證組合定位測姿系統(tǒng)同時獲得天線接收到的GPS信號、陀螺儀敏感到的角運動信息、加速度計收集到的線運動信息處于同一坐標基準上。此測試方案中，組合定位測姿系統(tǒng)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框中，即處于轉(zhuǎn)臺基座的中心點，測試過程中應(yīng)將天線的實際位置平移至基座中心點處。

4 基于實際跑車的動態(tài)環(huán)境測試

基于車載動態(tài)環(huán)境的跑車試驗可以測試組合定位測姿系統(tǒng)完全工作狀態(tài)下的系統(tǒng)運行功能，利用高精度的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)作為基準，直接評估組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能，在實際應(yīng)用搭載之前進行大量的基于車載動態(tài)環(huán)境試驗是十分必要的。在跑車試驗環(huán)境中，組合定位測姿系統(tǒng)各部分功能都與真實系統(tǒng)中運行狀態(tài)相同，可以真實地測試GNSS接收機接收實際信號的功能以及INS的正常運行功能。

將組合定位測姿系統(tǒng)固定安裝在測試車中，天線置于車頂，增加高精度的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)基準，在初始位置經(jīng)過較長時間的測量獲得初始位置，完成系統(tǒng)初始化，然后開始進行動態(tài)測試，選取路線選擇有高低起伏的路徑，并進行環(huán)形路徑測試，整個路徑起始位置和結(jié)束位置形成閉合路徑，可以更加直觀地驗證定位精度。

整個車載動態(tài)測試如圖5所示，組合定位測姿系統(tǒng)和高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)采用同一個天線。組合定位測姿系統(tǒng)接收天線的射頻信號和BD/GPS車載動態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提供的觀測信息，組合定位測姿系統(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)航信息并與基準站接收機測量獲得的觀測信息，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，獲得高精度基準信息。與組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算的位置、速度、姿態(tài)信息進行比較，評估其性能。

圖5 車載動態(tài)測試環(huán)境

5 實際應(yīng)用測試

在組合定位測姿系統(tǒng)經(jīng)過了實驗室模擬測試、動態(tài)跑車測試之后，系統(tǒng)的性能指標基本完成了驗證，一方面完成了系統(tǒng)高精度的驗證；另一方面，完成了系統(tǒng)運行可靠性的驗證，系統(tǒng)可以進行再應(yīng)用平臺的安裝測試。在有條件的情況下，可以評估系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的測試，但由于實際應(yīng)用中難以構(gòu)建參考基準設(shè)備，一般采用間接的方式進行評估。例如，測繪車組合定位測姿系統(tǒng)在完成移動測量系統(tǒng)集成后，可以在高精度測量的控制場內(nèi)進行移動測量試驗，以評估測量信息和控制點實際位置信息進行比較的方式來間接考核組合定位測姿系統(tǒng)的精度。如果在無人機等飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)應(yīng)用中，可以在系統(tǒng)集成后，評估系統(tǒng)導(dǎo)航控制的精度或通過外測手段來考核組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

6 結(jié)束語

針對GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)，根據(jù)目前已有的測試方法以及可行性，采取分步實施、逐級測試、全面覆蓋的方法，進行測試驗證，可以有效評估系統(tǒng)精度和可靠性，一方面減少系統(tǒng)研發(fā)過程中的測試難度，另一方面降低系統(tǒng)總體研制成本和測試成本，設(shè)計的多層次測試驗證技術(shù)方案可以支撐各類GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)的功能性能測試。

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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，主要研究方向為組合導(dǎo)航技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕