中等精度慣性衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)設計

1、 中等精度慣性/衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)設計王超一 ZY1203209張?zhí)焘x ZY1203233張鑫 ZY1203234一、 系統(tǒng)功能1) 慣性/衛(wèi)星組合系統(tǒng)簡介組合導航是彈道導彈等大型空間飛行器導航定位技術主要的發(fā)展方向之一。應用具有完全自主性的慣性導航系統(tǒng)和高精度衛(wèi)星導航系統(tǒng)構成慣性/ 衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)，是最具有應用前景的組合導航架構。全球定位系統(tǒng)(Globe Position System，GPS)和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)(SINS)都是目前世界上應用廣泛的導航方法之一。GPS易受地形地物的影響而導致定位中斷，并且受制于人，而SINS定位誤差隨時間而積累，若將它們組合起來可形成優(yōu)勢互補并且在短期和長期

2、上都有保證。隨著現(xiàn)代電子信息技術的發(fā)展嵌人式技術的應用越來越廣泛，尤其是在導航領域，導航設備正朝小型化、微型化應用發(fā)展，而且對系統(tǒng)精度和實時性要求也越來越高。SINSGPS組合導航能夠增強導航系統(tǒng)容錯能力和余度能力，研究高精度、高可靠性、小體積、低成本的SINSGPS組合導航系統(tǒng)具有重要意義。在飛機、艦船或其他對導航系統(tǒng)體積和性能有嚴格要求的領域具有潛在的應用價值。為克服GPS和SINS各自的缺點，根據(jù)SINS和GPS的導航功能互補的特點，取長補短，構成一個有機的整體，提高系統(tǒng)的整體導航精度及導航性能以及空中對準和再對準的能力。GPS接收機在慣導位置和速度信息的輔助下，也將改善捕獲、跟蹤和再捕

3、獲能力，并在衛(wèi)星分布條件差或可見星少的情況下導航精度不致下降過大。由于優(yōu)點顯著，SINS /GPS組合系統(tǒng)被一致認為是飛行載體最理想的組合導航系統(tǒng)。2) 系統(tǒng)基本構成組合導航系統(tǒng)的基本組成如圖1 所示。在圖 1 中，只保留慣性導航系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)與信息融合系統(tǒng)，就構成慣性/ 衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的基本組成。其中慣性導航系統(tǒng)有陀螺穩(wěn)定平臺導航系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性測量組合導航系統(tǒng)2 種類型。捷聯(lián)慣性測量組合精度較低，一般僅在中近程空間飛行器上使用。在組合導航系統(tǒng)研究工作中，慣性導航系統(tǒng)為三軸陀螺穩(wěn)定平臺，其應用對象一般為中遠程大型飛行器應用。信息融合系統(tǒng)的主要組成為卡爾曼濾波器。圖1組合導航系統(tǒng)的基本組成

4、為滿足系統(tǒng)的設計要求，本文設計的組合導航系統(tǒng)將主要由慣性器件IMU、衛(wèi)星接收機GPS、磁羅盤HMR、導航計算機以及漸消記憶Kalman濾波器五部分組成。其中導航計算機采用了單片機+DSP的雙CPU方案具有4個RS232串行口分別為兩個單片機串口和兩個DSP串口。導航計算機通過單片機串口0與慣性器件相連，采集IMU數(shù)據(jù)；通過單片機串口1與衛(wèi)星接收機相連，采集GPS數(shù)據(jù)，然后通過Kalman濾波器將二者的數(shù)據(jù)進行濾波并利用結果對IMU進行修正；通過DSP串口1與磁羅盤HMR2300相連，采集HMR數(shù)據(jù)；同時還通過DSP串I=10與顯控計算機串口0相連，負責將導航解算結果傳送到顯控計算機供顯示和保存

5、，同時接受顯控計算機的控制命令。3) 系統(tǒng)主要功能根據(jù)設計要求，系統(tǒng)的主要功能有以下幾部分：1、系統(tǒng)具有三種導航狀態(tài)：“組合導航”、“慣性導航”、“衛(wèi)星導航”?！敖M合導航”狀態(tài)是開機默認狀態(tài)。 為實現(xiàn)上述功能，需要將IMU和GPS兩個導航模塊相互獨立出來，因為上述兩模塊是通過單片機相連的，所以在為系統(tǒng)選擇導航模式時，可以通過軟硬件的設計，為系統(tǒng)添加選擇按鈕。當按鈕選擇的是慣性導航模式時，導航計算機將與GPS相連接的串口關閉，使系統(tǒng)處于只使用IMU進行導航的狀態(tài)，此時，Kalman濾波器也將不工作，即此時系統(tǒng)只是一個單純的慣性導航系統(tǒng)；同樣當按鈕選擇的是衛(wèi)星導航模式時，導航計算機將與IMU相連接

6、的串口關閉，使系統(tǒng)處于只使用GPS進行導航的狀態(tài)，此時，Kalman濾波器也將不工作，即此時系統(tǒng)只是一個單純的衛(wèi)星導航系統(tǒng)；當按鈕選擇的是組合導航模式時，整個系統(tǒng)全部工作，GPS模塊開始接收位置、速度信息，IMU導航解算模塊將加速度計和陀螺的輸出按照捷聯(lián)慣組導航算法進行導航解算, 輸出導航定位數(shù)據(jù)，然后Kalman濾波模塊將IMU的導航解算數(shù)據(jù)和接收的GPS定位數(shù)據(jù)進行濾波, 然后利用濾波結果對IMU進行修正使其變成組合導航系統(tǒng)。2、系統(tǒng)在初始對準前接受初始經度、緯度、高度等參數(shù)的裝訂。如不通過裝訂來更新，主慣導系統(tǒng)從存儲器中讀取上次的參數(shù)進行初始對準。 3、系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲功能，能保存所有I

7、MU與GPS的原始數(shù)據(jù)與導航數(shù)據(jù)。 4、具有加電開機自檢測、周期自檢測、人工自檢測、對檢測結果進行顯示并給出操作提示的功能。上述三項功能均需要在軟硬件設計期間，將相應功能對應的電路板以及代碼進行事先的準備，并加入相應的輸出元件和接口程序，例如LED顯示屏等。在初始對準前需要將系統(tǒng)連接計算機，執(zhí)行相應的程序，進入程序界面進行經緯高度等參數(shù)的裝訂，在系統(tǒng)中加入儲存模塊用于保存導航系統(tǒng)的參數(shù)、原始數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)和導航記錄，檢測環(huán)節(jié)可以通過代碼執(zhí)行開機加電自檢測以及周期自檢測，為人工自檢測設置相應的按鈕與接口，并可以將相應的檢測結果顯示在LED顯示屏上。二、 關鍵器件選型依據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，我們查

8、找了很多慣性組合導航系統(tǒng)，最終選擇了由NovAtel公司生產的一套慣性組合導航設備：SPAN  慣性組合導航系統(tǒng)。NovAtel公司是目前精密全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）及其子系統(tǒng)領域中，處于領先地位的產品與技術供應商，可向客戶提供豐厚的投資回報和出色的服務。作為一個通過ISO9001認證的公司，NovAtel 公司開發(fā)高質量的OEM產品，包括接收機、封裝、天線和固件，這些產品都已集成到全世界高精度的定位應用中。這些應用有測繪、地理信息系統(tǒng)（GIS）、精密農業(yè)機械導航、港口自動化、采礦、授時和海事等行業(yè)領域。NovAtel公司的參考接收機也是某些國家的航空地面網的核心設備，

9、如美國、日本、歐洲、中國和印度等。我們選擇的這一套設備SPAN集合了兩種不同的但是又互為補充的技術：GNSS定位技術和慣性導航技術。GNSS定位的絕對精度加上IMU陀螺和加速計測量的穩(wěn)定性就可以提供一個3D的位置、速度和姿態(tài)解算結果。通過獨特的緊耦合設計，在GNSS信號被遮擋的時候，系統(tǒng)仍可保證輸出穩(wěn)定連續(xù)的解算結果；此外，SPAN技術提供更快的GNSS信號重捕能力，其結果是有更多可用的GNSS觀測量來輔助慣導解算。該GNSS捕獲的優(yōu)勢是在衛(wèi)星覆蓋范圍減少時通過保持高精度的慣性導航以增強RTK的性能。產品采用模塊化的設計：OEMV接收機本身處理所有的GNSS和慣導數(shù)據(jù)，IMU單獨裝在一個封裝中

10、和GNSS板卡隔開。產品使用簡便，用戶完成硬件安裝后，使用配套的命令數(shù)分鐘內就可以完成所有的設置，隨后數(shù)據(jù)通過標準的串口開始輸出；通過單獨的數(shù)據(jù)記錄接口，也可輕松的進行數(shù)據(jù)采集。這套設備具有如下的一些特點：1.高穩(wěn)定性，不間斷操作，具備1 Hz 錯誤狀態(tài)更新率及位置和時間的載波相位差分更新；2.15狀態(tài)Kalman 濾波器，包括位置、速度、姿態(tài)、陀螺漂移和加速度計偏差及6種補充狀態(tài)包括天線到IMU偏差；3.可通過專用軟件來事后處理SPAN數(shù)據(jù)，該軟件靈活穩(wěn)健，能自動解碼SPAN數(shù)據(jù)以方便數(shù)據(jù)處理。4.IMU的閉環(huán)技術可保證其陀螺偏差小于0.75度/小時、加速計偏差小于1mg。下圖是一些設備的關

11、鍵性能指標：GPS信號中斷后精度表三、 IMU標定方法及標定流程受各種因素影響,微機械IMU放五一定時間后,其誤差參數(shù)和慣性元件參數(shù)會發(fā)生變化,不能滿足導航、制導的精度要求,因此必須定期對其相應參數(shù)重新進行標定. 捷聯(lián)慣測組合(SIMU)技術成熟、精度適中、可靠性高、成本低,被廣泛應用于航空、航天、航海等領域,對其標定方法的研究是慣性技術領域的重要內容。通常通過對捷聯(lián)慣測組合的標定,分離出其誤差系數(shù),并用捷聯(lián)慣測組合的測量模型對其輸出進行補償,提高慣性導航的精度。因此,誤差系數(shù)的標定精度嚴重影響著慣性導航的精度。近年來研究出了許多種捷聯(lián)慣測組合的標定方法,但其中大多數(shù)都需要進行位置標定和速率標

12、定. 有的文獻提出了一種高精度的“24位置+速率”標定方法,還有一種利用外部信息標定陀螺參數(shù)的方法,一級一種基于多元回歸的捷聯(lián)慣測組合標定方法。傳統(tǒng)的“位置+速率”標定方法需要精確的北向基準和很高的定位精度或調平精度。這些要求要靠高精度的尋北儀器和水平測量儀器才能實現(xiàn)。傳統(tǒng)標定方法所需要的標定時間長,而捷聯(lián)慣測組合誤差系數(shù)的特性與通電時間相關,因此通電時間過長所標定出的結果與導彈實際飛行時的誤差系數(shù)的殘差較大,必然帶來較大的導航誤差。而且過長的標定時間也影響著慣測組合生產廠家和用戶的工作效率.結合參考文獻內容我們采用一種基于單軸速率轉臺的捷聯(lián)慣測組合的標定方法,研究在無北向基準及精確調平的條件

13、下,快速標定出捷聯(lián)慣測組合全部誤差系數(shù)的方法。1. 基于單軸速率轉臺的標定原理基于單軸速率轉臺的捷聯(lián)慣測組合標定方法的基本原理為:將捷聯(lián)慣測組合放置在單軸速率轉臺上,在任意位置慣測組合的3個軸分別向上、向下及轉動180度后,各進行一次靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。之后轉臺勻速旋轉一圈。重力加速度g、地球自轉角速度w及轉臺勻速旋轉一圈的時間為已知量,結合捷聯(lián)慣測組合的測量模型,經過適當?shù)臄?shù)學變換,分離出捷聯(lián)慣測組合的誤差系數(shù)。2 .誤差系數(shù)的分離算法2.1 捷聯(lián)慣測組合的測量模型及姿態(tài)轉換加速度通道的測量模型: 其中Nax、Nay和Naz分別為3個加速度計單位時間內輸出的脈沖數(shù)；Ax、Ay，Az分別為3個方向的

14、視加速度;K0x、K0y和K0z分別為3個加速度計偏值;K1x、K1y和K1z分別為3個加速度計輸出的脈沖當量;Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz和Kyz為加速度計的安裝誤差系數(shù)。角速度通道的測量模型：其中:Nx、Ny和Nz分別為陀螺3個通道單位時間內輸出的脈沖數(shù);Xx、Xy和Xz分別為捷聯(lián)慣測組合3個方向的轉動角速度;D0x、D0y和D0z分別為陀螺3個通道的常值漂移項;D1x、D1y、D1z、D2x、D2y、D2z、D3x、D3y和D3z為陀螺與g有關的項;E1x、E1y和E1z分別為陀螺3個通道輸出的脈沖當量;Eyx、Ezx、Exy、Ezy、Exz和Eyz為陀螺的安裝誤差系數(shù)。對捷聯(lián)

15、慣測組合標定就是從上述加速度通道和角速度通道的測量模型中分離出3個加速度計的偏值、輸出的脈沖當量和安裝誤差系數(shù),陀螺3個通道的常值漂移項、3個方向視加速度的影響系數(shù)、3個通道輸出的脈沖當量和安裝誤差系數(shù),共33個參數(shù)。將捷聯(lián)慣測組合放置在單軸速率轉臺臺面中央,轉臺以角速度X勻速旋轉。轉臺的調平角分別為俯仰角H和滾轉角C,捷聯(lián)慣測組合的北向方位角為<。由于常用的單軸速率轉臺底部都有34個調平螺桿,僅依靠轉臺自身的調平螺桿而不需要借助其他設備即可將轉臺調平至2以內,因此設H和C均小于5。其中0為捷聯(lián)慣測組合在轉臺上的初始方位角,其可為任意值。為便于分析,在推導過程中均認為捷聯(lián)慣測組合為點測量

16、組件。取當?shù)氐乩碜鴺讼档膞t、yt及zt軸分別指向天向、東向和北向,地理坐標系分別繞xt、yt及zt軸轉動、H和C,地理坐標系到捷聯(lián)慣測組合坐標系的轉換矩陣22 加速度通道誤差系數(shù)的分離捷聯(lián)慣測組合x軸垂直向上放置于轉臺臺面中央,轉臺以角速度Wx勻速旋轉一周,所用時間為Tx,x向加速度計輸出的脈沖數(shù)為捷聯(lián)慣測組合x軸垂直向下放置于轉臺臺面中央,轉臺以角速度Wx勻速旋轉一周,所用時間為Tx,x向加速度計輸出的脈沖數(shù)為NAxx-,則有當r5'、5'時,sinrcos0.00145,cosrcos0199999,且在捷聯(lián)慣測組合調試時已保證加速度計的安裝誤差系數(shù)Kyx、Kzx、Kxy

17、、Kzy、Kxz和Kyz小于0.0058度,則Kyxsinrcos1.45×10-6，Kyxsinrcos0,Kzxsin0,因此可以分離出以下誤差系數(shù)捷聯(lián)慣測組合z軸垂直向上時轉臺以Wz勻速旋轉一周,及捷聯(lián)慣測組合z軸垂直向下時轉臺以Wz勻速旋轉一周,所用時間分別為Tz和Tz,可以分離出以下誤差系數(shù):至此,標定出了加速度計的K0x、K0y、K0z、K1x、K1y、K1z、Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz和Kyz共12個誤差系數(shù)。23 角速度通道誤差系數(shù)的分離陀螺常值漂移及與g有關項的標定采用在轉臺靜止狀態(tài)對捷聯(lián)慣測組合進行數(shù)據(jù)采集的方法分離。以x軸為例,將捷聯(lián)慣測組合放置在轉

18、臺中央,當捷聯(lián)慣測組合x軸垂直向上時,對捷聯(lián)慣測組合在位置1(北向方位角、調平角及)進行數(shù)據(jù)采集;當捷聯(lián)慣測組合x軸垂直向下(捷聯(lián)慣測組合3個軸與第1次數(shù)據(jù)采集時反向)時,對捷聯(lián)慣測組合在位置1進行第2次數(shù)據(jù)采集,然后使轉臺轉動180度,到達位置2(北向方位角增加180度、調平角及不變),對捷聯(lián)慣測組合進行第3次數(shù)據(jù)采集。利用3次采集的數(shù)據(jù)即可分離出D0x、D1x、D1y和D1z。同理對捷聯(lián)慣測組合y軸垂直向上及垂直向下的情況按上述方法進行數(shù)據(jù)采集后,可得對捷聯(lián)慣測組合z軸垂直向上及垂直向下的情況按上述方法進行數(shù)據(jù)采集后,可得 陀螺脈沖當量E1x、E1y和E1z及安裝誤差系數(shù)Eyx、Ezx、E

19、xy、Ezy、Exz和Eyz的分離過程與加速度計誤差系數(shù)的分離過程相同，至此,標定出了捷聯(lián)慣測組合角速度通道的D0x、D0y、D0z、D1x、D1y、D1z、D2x、D2y、D2z、D3x、D3y、D3z、E1x、E1y、E1z、Eyx、Ezx、Exy、Ezy、Exz和Eyz共21個誤差系數(shù)。3 標定流程及標定數(shù)據(jù)處理方法31 標定流程由于導彈在正常飛行過程中的角速率在5 (度)/s以下,根據(jù)以上單軸速率轉臺標定原理,在兼顧標定速度及標定精度的原則下,對標定的流程編排如下:1.捷聯(lián)慣測組合x軸垂直轉臺臺面向上放置。2.單軸速率轉臺分別以3,5,10,20 (度)/s的速率旋轉一圈。3.在任意位

20、置鎖定轉臺,并在此位置對捷聯(lián)慣測組合進行1 min數(shù)據(jù)采集。4.將捷聯(lián)慣測組合標定軸垂直轉臺臺面向下放置,對捷聯(lián)慣測組合進行1 min數(shù)據(jù)采集。5.使轉臺轉動180度后,鎖定轉臺,對捷聯(lián)慣測組合進行1 min數(shù)據(jù)采集。6.單軸速率轉臺分別以3,5,10,20 (度)/s的速率旋轉一圈。7.y軸標定,捷聯(lián)慣測組合y軸垂直向上放置,重復26。8.z軸標定,捷聯(lián)慣測組合z軸垂直向上放置,重復26,完成捷聯(lián)慣測組合標定。在捷聯(lián)慣測組合輸出穩(wěn)定后,該標定方法可以在不到1 h內標定出所有捷聯(lián)慣測組合的誤差系數(shù)。而用傳統(tǒng)的“位置+速率”標定方法在捷聯(lián)慣測組合輸出穩(wěn)定后最少需要2 h。該方法對標定設備要求簡單

21、,只需要一臺單軸速率轉臺,而且不需要尋北及精確調平,因此更適合于緊急情況及在野外的標定。32 標定數(shù)據(jù)處理方法單軸速率轉臺標定流程綜合考慮了捷聯(lián)慣測組合在各速率段時的特性,因此首先要根據(jù)標定模型公式計算出捷聯(lián)慣測組合在每個速率段的誤差系數(shù)標定結果。由于捷聯(lián)慣測組合誤差系數(shù)在不同速率段存在非線性,因此對誤差系數(shù)的標定結果采用不等權值的方法進行處理,即式中:E為某誤差系數(shù);l=1,2,3,4分別為3,5,10,20 (度)/s的速率檔;為l速率檔時的標定結果;ml為誤差系數(shù)在l速率檔時的權值,根據(jù)捷聯(lián)慣測組合的自身特點并結合型號導彈的彈道特性進行確定,如某型號導彈飛行時的多數(shù)時間段內角速度在5 (

22、度)/s以下,可取m1=0.4,m2=0.3,m3=0.2,m4=0.1。此外,還可以根據(jù)上述標定結果計算出相關誤差系數(shù)的線性度及對稱性。四、 動基座初始對準方案動基座的運動使調平精度大為降低，調平誤差與東向和北向線加速度、平臺回轉中心到基座質心的距離及基座的搖擺角加速度有關。調平系統(tǒng)消除這些誤差可采用調平補償手段。由以下公式可知：圖 調平誤差角圖 動基座搖擺造成的調平誤差角圖 等效調養(yǎng)角若將實時測量，經變換和控制，將 和 轉換成相應的電流值加給加速度表力矩傳感器實施補償，則調平精度將大為提高，調平時間將大為縮短?？焖僬{平補償方法仍可采用靜基座下調平控制回路。只是在該回路中施加一個與調平誤差成

23、比例的電流信號?？焖俪跏紝史桨傅南到y(tǒng)框圖如下圖所示。圖 快速初始對準方案系統(tǒng)框圖為了獲得沿 S系3個方向的角速度信號，可在動基座上沿 S系3個軸向安裝3 只速率陀螺儀。將所測信號進行微分可求得：則補償電流為：式中KOX，KOY為比例系數(shù)。式中的全部運算可在發(fā)控計算機中進行，將所得結果經變換即可實現(xiàn)調平補償。五、 組合導航方案慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組合,主要表現(xiàn)為位置信息的組合。本文對采用最優(yōu)估計法的慣導/衛(wèi)星定位組合導航系統(tǒng)性能進行了分析。根據(jù)組合導航系統(tǒng)設計的理論和方法,采用間接估計法的慣導/衛(wèi)星組合系統(tǒng)的基本狀態(tài)是慣導的三個位置誤差、三個速度誤差、三個姿態(tài)誤差以及慣性器件的偏置、漂移和衛(wèi)星