基于自主導(dǎo)航微終端的衛(wèi)星導(dǎo)航深耦合技術(shù)及應(yīng)用*

肖　勝

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室　武漢　430223)

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基于自主導(dǎo)航微終端的衛(wèi)星導(dǎo)航深耦合技術(shù)及應(yīng)用*

肖勝

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室武漢430223)

摘要簡(jiǎn)要介紹衛(wèi)星導(dǎo)航深耦合技術(shù)的概念、基本原理及應(yīng)用,對(duì)常用的深組合方案進(jìn)行分析比較,闡述了開(kāi)展基于自主導(dǎo)航微終端的北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航深耦合技術(shù)應(yīng)用研究的必要性。

關(guān)鍵詞自主導(dǎo)航微終端; 組合導(dǎo)航; 深耦合

Introduction and Application of Deep Coupling Technology of Satellite Navigation Based on Autonomous Navigation Terminal

XIAO Sheng

(Navy Representative Office of Optoelectronic System in Zhongnan Area, Wuhan430223)

AbstractThis paper briefly introduces the concept, basic principle and application of the deep coupling technology of satellite navigation, and expounds the necessity of the application of the integrated navigation system based on autonomous navigation terminal.

Key Wordsautonomous navigation terminal, integrated navigation, deep coupling

Class NumberP228

1引言

自主導(dǎo)航微終端(Mirco-PNT)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深度耦合技術(shù),是指在衛(wèi)星信號(hào)被遮擋或受干擾,用戶接收機(jī)不能捕獲或跟蹤衛(wèi)星的情況下,利用自主導(dǎo)航微終端的精確時(shí)鐘和高精度慣性測(cè)量技術(shù)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)、修正、融合,實(shí)現(xiàn)快速選星、捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào),達(dá)到精確導(dǎo)航和定位的目的。同時(shí),在用戶接收機(jī)正常工作時(shí),利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度授時(shí)和定位,校準(zhǔn)原子鐘的時(shí)間,修正微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微慣性測(cè)量單元(MIMU)的積累誤差,提高微終端的授時(shí)和定位精度。

在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的背景下,自主導(dǎo)航微終端與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深耦合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不依賴任何外部信息和設(shè)施、不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航,抗干擾以及抗敵對(duì)破壞能力更強(qiáng),隱蔽性更好,將會(huì)廣泛地應(yīng)用于軍用飛機(jī)、水面艦艇、潛艇、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)車(chē)、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域,有助于獲得戰(zhàn)場(chǎng)上的主動(dòng)權(quán)。我國(guó)自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為世界上第三個(gè)成熟的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助導(dǎo)航技術(shù),將會(huì)挑戰(zhàn)美國(guó)GPS用戶設(shè)備在全球市場(chǎng)壟斷的地位[1~3]。

2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

國(guó)外深耦合技術(shù)研究起步較早,從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,美、英、法等國(guó)的軍方和民用部門(mén)開(kāi)始研究慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS的耦合技術(shù)。Honeywell、Northrop、SALEM、TI、Litton等主要的慣性導(dǎo)航制造廠家,國(guó)際知名學(xué)者WillnerD、Speyer KerrT.H等,開(kāi)始致力于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS的耦合技術(shù)研究。國(guó)外普遍采用以下五種深組合導(dǎo)航技術(shù)方案[4~9]:

1) 常規(guī)模式

根據(jù)INS信息和GPS衛(wèi)星星歷計(jì)算載體相對(duì)GPS衛(wèi)星的偽距和偽距變化率,與GPS接收機(jī)輸出的偽距和偽距率作差,作為Kalman濾波器的測(cè)量信息,對(duì)INS的誤差進(jìn)行濾波估計(jì),以提高GPS的精度。同時(shí),校正后的INS速度信息用于輔助GPS碼環(huán)鎖相過(guò)程,增強(qiáng)了GPS接收機(jī)快速捕獲GPS衛(wèi)星信號(hào)和抗干擾的能力。

該方案原理簡(jiǎn)單,較易實(shí)施。但存在一個(gè)正反饋過(guò)程,容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。GPS接收機(jī)碼環(huán)處于窄帶狀態(tài),時(shí)間常數(shù)較大,跟蹤誤差和時(shí)間與INS的狀態(tài)相關(guān)。而且Kalman濾波器的量測(cè)噪聲是有色噪聲,必須對(duì)有色噪聲精確建模才能提高INS/GPS組合系統(tǒng)的性能。

2) 對(duì)碼環(huán)跟蹤誤差建模

該模式是針對(duì)常規(guī)模式存在的問(wèn)題提出的,即對(duì)有色噪聲精確建模,并消除正反饋?zhàn)饔?。相?yīng)于GPS接收機(jī)一階或二階碼跟蹤環(huán),可建立一階或二階跟蹤誤差模型。

該模式的優(yōu)點(diǎn)是提高了Kalman濾波器量測(cè)模型的精度,可改善INS/GPS組合系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,但沒(méi)有消除問(wèn)題的根源,且增大了計(jì)算量。

3) 解相關(guān)偽距法

該模式改變了GPS碼環(huán)編排方式,添加了跟蹤誤差估計(jì)器來(lái)獲得具有白噪聲特征的量測(cè)殘差,使得Kalman濾波器的估計(jì)結(jié)果最優(yōu),消除了跟蹤誤差相關(guān)問(wèn)題,去除了Kalman濾波器不穩(wěn)定的根源。其缺點(diǎn)是對(duì)GPS碼環(huán)進(jìn)行了重新編排,實(shí)施難度較大。

4) 濾波跟蹤法

該模式取消解相關(guān)偽距法中的比例控制環(huán)節(jié),使Kalman濾波器在估計(jì)INS與GPS誤差的同時(shí)參與碼環(huán)濾波,并將Kalman濾波器的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果作為初值提供給碼環(huán)C/A碼發(fā)生器。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是在獲得理想量測(cè)輸入的同時(shí),增強(qiáng)了回路的抗干擾能力。但因取消了比例控制,動(dòng)態(tài)跟蹤性能較解相關(guān)偽距法稍差。

5) 碼誤差跟蹤法

該模式用相關(guān)器控制回路取代碼環(huán),Kalman濾波器直接跟蹤碼誤差,INS的偽距和偽距率分別加入C/A碼發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)碼數(shù)控振蕩器NCO,Kalman濾波器的量測(cè)殘差直接來(lái)自GPS接收機(jī)的相關(guān)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是Kalman濾波器的量測(cè)輸入取自偽距殘差,消除了誤差根源,根據(jù)量測(cè)殘差的大小控制相關(guān)器的過(guò)零點(diǎn),因而大大提高了系統(tǒng)對(duì)INS誤差的容限。同時(shí),Kalman濾波器被包在跟蹤環(huán)路之中,帶寬很窄,提高了系統(tǒng)對(duì)干擾的容限。

上述五種深組合模式中,常規(guī)模式是傳統(tǒng)的做法,存在一定的缺陷。其他四種模式都不同程度地涉及GPS接收機(jī)內(nèi)部的編排,甚至重新設(shè)計(jì),實(shí)施難度較大。

目前,實(shí)際產(chǎn)品早已批量生產(chǎn),是美國(guó)和其他北約國(guó)家軍用飛機(jī)改裝計(jì)劃中的重點(diǎn),其工作結(jié)果也較為理想。美國(guó)絕大部分主戰(zhàn)飛機(jī)上,已經(jīng)采用深耦合技術(shù)EGI(Embedded-GPS/INS)逐步取代單GPS接收機(jī),并最終淘汰單GPS接收機(jī)。

美國(guó)McDonnell Douglas導(dǎo)彈系統(tǒng)部為其空對(duì)地導(dǎo)彈SLAM研制的深耦合制導(dǎo)系統(tǒng),采用Rockwell Collins提供的單通道序貫P碼接收機(jī),并應(yīng)用了SINS輔助GPS接收機(jī)技術(shù)。

2013年4月10日,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)的微定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)(Mirco-PNT)項(xiàng)目研制的單芯片樣機(jī),包含6坐標(biāo)軸慣性測(cè)量裝置(3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)),并集成了高精度的主時(shí)鐘,功率為1W。目前,該項(xiàng)目將微終端提供的精確時(shí)鐘和慣性測(cè)量結(jié)合到了美國(guó)GPS中,研究?jī)?nèi)容與成果處于世界前列。

3基于自主導(dǎo)航微終端的衛(wèi)星導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)

該組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要研究在衛(wèi)星信號(hào)受干擾、遮擋、高動(dòng)態(tài)等情況下,保證接收機(jī)輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的可靠、高精度。

1) 在高動(dòng)態(tài)、遮擋、干擾條件下,出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的情況時(shí),組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用SINS輔助跟星的組合導(dǎo)航算法?；贛IMU輔助跟蹤環(huán)路的深耦合算法框圖如圖1所示。

圖1　基于MIMU輔助跟蹤衛(wèi)星的深耦合算法框圖

一方面,MIMU測(cè)量得到的角增量、速度增量,經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后,進(jìn)行導(dǎo)航解算;另一方面,衛(wèi)星接收射頻信號(hào),經(jīng)過(guò)射頻前端后進(jìn)行捕獲跟蹤,當(dāng)成功跟蹤信號(hào)時(shí),解析導(dǎo)航數(shù)據(jù),將導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入至卡爾曼濾波器進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),將估計(jì)得到的MIMU器件誤差反饋回MIMU器件測(cè)量的誤差模型中補(bǔ)償,卡爾曼濾波后速度信息輔助捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào),調(diào)整本地信號(hào)的產(chǎn)生,從而保持跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)雖然可以依靠SINS進(jìn)行不間斷導(dǎo)航,但導(dǎo)航精度會(huì)降低。而采用SINS輔助跟星的組合導(dǎo)航模式可以提高導(dǎo)航精度,同時(shí)也提高了導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力。

2) 在衛(wèi)星缺失條件下,組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用組合增強(qiáng)設(shè)計(jì)算法。組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要由卡爾曼濾波器、ANFIS系統(tǒng)和綜合模塊三部分組成,其原理框圖如圖2所示。

圖2　基于ANFIS輔助KF的組合導(dǎo)航原理框圖

卡爾曼濾波器以MIMU的誤差方程和器件誤差模型作為系統(tǒng)狀態(tài)方程,以偽距、偽距率的MIMU估計(jì)值與衛(wèi)星接收機(jī)測(cè)量值之差作為觀測(cè)量,輸入初始參數(shù)驅(qū)動(dòng)濾波器對(duì)衛(wèi)星/MIMU數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)和誤差估計(jì)。ANFIS系統(tǒng)能夠較好地對(duì)于非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模,慣性導(dǎo)航是典型的非線性系統(tǒng),因此利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立模糊推理結(jié)構(gòu),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模糊推理隸屬度函數(shù),使模糊推理系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足精度要求,從而得到可用的ANFIS系統(tǒng)。該ANFIS系統(tǒng)對(duì)于輸入的MIMU導(dǎo)航信息進(jìn)行在線估計(jì),輸出導(dǎo)航誤差。綜合模塊根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)信息對(duì)于卡爾曼濾波與ANFIS系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)行加權(quán)計(jì)算作為導(dǎo)航誤差的估計(jì)值,并且將導(dǎo)航信息通過(guò)反饋回路校正MIMU的導(dǎo)航解算,從而抑制慣性導(dǎo)航的發(fā)散。

實(shí)驗(yàn)表明該算法在衛(wèi)星信號(hào)失鎖100s內(nèi),仍能保持位置、速度精度不降低。

3) 當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)正常時(shí),組合導(dǎo)航系統(tǒng)重新啟用正常的卡爾曼濾波器進(jìn)行深耦合組合導(dǎo)航設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

采用偽距誤差、偽距率誤差的深組合導(dǎo)航算法,該組合中沒(méi)有單獨(dú)的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤環(huán)路,而是采用先進(jìn)的矢量跟蹤環(huán)(VDLL)結(jié)構(gòu)與濾波器相結(jié)合,通過(guò)導(dǎo)航濾波器將每個(gè)信號(hào)通道融合為一體,從而實(shí)現(xiàn)通道間的信息交互。聯(lián)合MIMU狀態(tài)誤差方程與衛(wèi)星接收機(jī)相關(guān)的誤差方程作為導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)誤差方程:

誤差方程:X=[XSINSXBD]T

圖3　深耦合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4) 軟件設(shè)計(jì)

模型建立后,采用高速的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP 6000+系列)來(lái)完成導(dǎo)航算法的解算與數(shù)據(jù)處理,主要是導(dǎo)航解算、姿態(tài)矩陣的計(jì)算、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4　基于微終端的衛(wèi)星/MIMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

在只能收到一顆衛(wèi)星信號(hào)的情況下,采用改進(jìn)的卡爾曼濾波算法,選擇自適應(yīng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行組合導(dǎo)航設(shè)計(jì),該類(lèi)算法可以減小衛(wèi)星失鎖導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差積累。當(dāng)衛(wèi)星提供的時(shí)間可用時(shí),用其校準(zhǔn)原子鐘的時(shí)間;當(dāng)衛(wèi)星不可用時(shí),為保證接收機(jī)有準(zhǔn)確的時(shí)間,可使用原子鐘提供的時(shí)間,解決了整個(gè)系統(tǒng)的授時(shí)問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)航系統(tǒng)深耦合方式作為導(dǎo)航系統(tǒng)組合的最優(yōu)方法,有利于充分發(fā)揮各導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),可以獲得比單獨(dú)導(dǎo)航系統(tǒng)更高的精度和更強(qiáng)的抗干擾能力,已成為目前導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的方向。而基于自主導(dǎo)航微終端的衛(wèi)星導(dǎo)航深耦合技術(shù),由于能更好地滿足在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中微型的精確制導(dǎo)武器體積小、成本低、生產(chǎn)周期短、打擊目標(biāo)準(zhǔn)確率高、負(fù)面效應(yīng)小、更高的可靠性和更強(qiáng)的抗干擾能力的要求,其工程化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大。

我國(guó)對(duì)于導(dǎo)航微終端輔助北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位和導(dǎo)航的研究起步較晚,但潛力巨大,眾多研究所和高校正在進(jìn)行輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作,主要表現(xiàn)為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)航微終端的位置信息的組合,取得了初步成果。例如,在飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,將低精度光纖陀螺和石英加速度計(jì)構(gòu)造成慣性測(cè)量裝置,應(yīng)用于北斗組合導(dǎo)航,具有較高的導(dǎo)航精度和較好的抗干擾能力。因此,通過(guò)分析、借鑒國(guó)外INS/GPS深耦合系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,在該領(lǐng)域取得突破,將有效拓展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍,有著廣闊的應(yīng)用前景。

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中圖分類(lèi)號(hào)P228

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.015

作者簡(jiǎn)介:肖勝,男,博士,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指控,信息融合。

收稿日期:2015年9月4日,修回日期:2015年10月25日