捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航車載試驗研究

王 巖，余 凱，紀(jì)志農(nóng)

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航車載試驗研究

王 巖，余 凱，紀(jì)志農(nóng)

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

星光導(dǎo)航是一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)。闡述了捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成，星敏感器的工作原理，捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航的工作原理，以及三種組合導(dǎo)航工作模式。利用現(xiàn)有的設(shè)備，進(jìn)行捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)的車載試驗，驗證了捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航技術(shù)的可行性和有效性。

星敏感器；捷聯(lián)慣導(dǎo)；組合導(dǎo)航；車載試驗

1 引 言

星光導(dǎo)航是根據(jù)天體在天球上的精確坐標(biāo)和地球的運(yùn)動規(guī)律來測量天體相對于載體的精確坐標(biāo)，通過相應(yīng)數(shù)學(xué)模型解算出載體位置、航向或姿態(tài)的導(dǎo)航方法。星光導(dǎo)航系統(tǒng)具有隱蔽性好、自主性強(qiáng)和定位、定向精度高等優(yōu)點。將星敏感器剛性連接于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中構(gòu)成的捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，由于天體目標(biāo)的不可干擾性和星光導(dǎo)航系統(tǒng)可同時獲得高精度位置和航向信息，能全面校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的特性，使得捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事上有著極其重要的戰(zhàn)略地位。國內(nèi)外利用星光導(dǎo)航信息校正慣導(dǎo)系統(tǒng)位置和航向的方法，在各種高空、遠(yuǎn)程飛行器以及艦船、核潛艇、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和戰(zhàn)略轟炸機(jī)等一些具有特殊戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)要求的武器系統(tǒng)或裝備中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

2 捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

組合導(dǎo)航系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上可分成捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和星敏感器兩部分，其中捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由光纖陀螺組合、加速度計及信號轉(zhuǎn)換電路、導(dǎo)航計算機(jī)、直流電源、總體結(jié)構(gòu)及減振器、應(yīng)用軟件等組成；星敏感器由光學(xué)探測系統(tǒng)、遮光罩和CCD敏*感器等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

星敏感器系統(tǒng)由遮光罩、光學(xué)鏡頭、CCD及支持電路、數(shù)據(jù)處理器、電源和外部接口等組成。遮光罩用來遮擋各種雜散光。

星敏感器是在硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，其基本工作原理為[2]：恒星所發(fā)出的星光通過光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD光敏面上，通過CCD信號檢測電路將星光的光能轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號處理單元對其進(jìn)行放大、濾波和整形等處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。當(dāng)天空星圖以數(shù)字量的形式存儲于內(nèi)存時，數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)字化后的星圖進(jìn)行處理，星提取軟件對星圖進(jìn)行大目標(biāo)剔除、星點提取、星點坐標(biāo)計算和星等計算。星識別軟件對星圖中的星按匹配方法構(gòu)造匹配模式，與導(dǎo)航星庫中的已有模式進(jìn)行匹配、處理，形成觀測星與導(dǎo)航星的唯一匹配星對。利用匹配星對，姿態(tài)計算軟件可確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向，最后由此姿態(tài)指向及星敏感器與載體的安裝關(guān)系就可以完成載體瞬時姿態(tài)的測量。

圖1 捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)組成圖

陀螺儀感測載體繞三個正交軸的角運(yùn)動，經(jīng)信息處理電路產(chǎn)生頻率與載體角速率成比例的數(shù)字量信號；加速度計感測載體沿三個正交軸的線運(yùn)動，輸出信號經(jīng)過I/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為頻率與加速度成比例的脈沖信號；以上信號被導(dǎo)航計算機(jī)的可逆計數(shù)器接收成為16位數(shù)字信號，在導(dǎo)航計算機(jī)中完成誤差補(bǔ)償、初始對準(zhǔn)和導(dǎo)航計算，得到載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的速度、位置和姿態(tài)信息，稱其為慣性導(dǎo)航信息。導(dǎo)航計算機(jī)將慣導(dǎo)的姿態(tài)和位置信息定時發(fā)送給星敏感器，幫助星敏感器完成星圖捕獲和匹配計算。另外，導(dǎo)航計算機(jī)還接收星敏感器的導(dǎo)航信息，在導(dǎo)航計算機(jī)內(nèi)按照組合算法進(jìn)行慣性導(dǎo)航信息與星光導(dǎo)航信息的組合，并完成對慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差校正。

3.1 坐標(biāo)系定義[3]

（1）地心慣性坐標(biāo)系O-XIYIZI

坐標(biāo)系原點O為地心，XI軸位于赤道面內(nèi)且指向春分點，ZI軸垂直于赤道面且指向北極，YI軸在赤道平面內(nèi)為XI軸和ZI軸的叉乘，符合右手定則。

（2）地球坐標(biāo)系O-XEYEZE

坐標(biāo)系原點O為地心，ZE軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，XE軸位于赤道平面內(nèi)且指向格林威治子午線，XEYEZE構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

（3）地理坐標(biāo)系OG-XGYGZG

坐標(biāo)系原點OG取為飛行器質(zhì)心，XG軸指北，YG軸指天，ZG軸指東。地理坐標(biāo)系相對于地球坐標(biāo)系的關(guān)系就是飛行器的地理位置，即經(jīng)度λ和緯度L。

（4）載體坐標(biāo)系OB-XBYBZB

該坐標(biāo)系與載體固聯(lián)，XB沿載體縱軸方向，YB沿載體豎軸方向，ZB沿載體側(cè)軸方向。載體坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的關(guān)系就是載體的姿態(tài)和航向。

（5）星敏感器坐標(biāo)系OS-XSYSZS

坐標(biāo)系原點OS位于星敏感器CCD面的中心，ZS軸沿星敏感器光軸，XS軸、YS軸在CCD面內(nèi)，XS軸、YS軸和ZS軸符合右手叉乘定則。

3.2 星光導(dǎo)航原理

不考慮地球的章動及曲率等因素的影響。令載體坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)分別為θ（俯仰角）、γ（滾動角）和ψ（方位角）[3]。

慣性坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣為AB/I，地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣為AB/G[3]，則有

式中，

A11=cosθcosψ

A12=sinθ

A13=-cosθsinψ

A21=-cosγsinθcosψ+sinγsinψ

A22=cosγcosθ

A23=cosγsinθsinψ+sinγcosψ

A31=sinγsinθcosψ+cosγsinψ

A32=-sinγcosθ

A33=-sinγsinθsinψ+cosγcosψ

地球坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣為AG/E[3]

慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為AE/I

式中當(dāng)忽略地球的章動和進(jìn)動等因素影響時，已知當(dāng)前格林威治時間即唯一確定φ（t）。

綜合考慮以上各式，則有

星敏感器坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為AS/B，式（4）左邊第一項AS/B可以通過標(biāo)定的方法得到，右邊第一項AS/I可通過星敏感器精確測量而得到，第二項AI/E在已知當(dāng)前時間的條件下也可得到。為了求解上面的復(fù)雜等式，需要已知某兩個參數(shù)：如果水平姿態(tài)角θ、γ已知時，可求得載體相應(yīng)的經(jīng)度λ、緯度L和方位角ψ；如果載體的經(jīng)度λ、緯度L已知時，則可求得載體的水平姿態(tài)角θ、γ和方位角ψ。

4 捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作模式

（1）補(bǔ)償陀螺漂移模式[4-6]

星敏感器在不需要任何外部基準(zhǔn)信息的前提下，可直接精確地提供飛行器載體坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，且精度在全程保持穩(wěn)定；而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺儀組件也是直接敏感載體坐標(biāo)系相對于慣性空間的姿態(tài)，但其精度隨時間增長而降低。該組合模式能夠有效地觀測并補(bǔ)償捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中因陀螺漂移而引起的導(dǎo)航誤差。

（2）慣導(dǎo)輔助水平模式

根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的水平姿態(tài)信息，通過星光導(dǎo)航系統(tǒng)修正捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置及航向角誤差。該工作模式中，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度主要取決于捷聯(lián)慣導(dǎo)的水平姿態(tài)角精度，然而其給出的載體航向角信息相對而言是比較高的，可以達(dá)到角秒級。

（3）慣導(dǎo)輔助位置模式

該模式與慣導(dǎo)輔助水平基準(zhǔn)模式原理類似，即由慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)輸出載體的位置導(dǎo)航信息，星敏感器測量載體相對于慣性空間的姿態(tài)，通過反算星光導(dǎo)航三角方程即可確定慣導(dǎo)的姿態(tài)角。相應(yīng)的，慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置信息可以不用非常精確，從國內(nèi)的工程應(yīng)用情況來看，300m的位置誤差對應(yīng)于10″的姿態(tài)角誤差，具有非常高的精度。

在慣導(dǎo)輔助水平模式的使用中，如果直接利用慣導(dǎo)的水平姿態(tài)信息進(jìn)行星光組合定位，由于慣導(dǎo)的水平姿態(tài)信息隨時間漂移，會帶來較大的定位誤差，1″的姿態(tài)角誤差會帶來30m的定位誤差。

慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差主要由陀螺和加速度計兩方面的誤差引起的，其中陀螺的誤差引起慣導(dǎo)的姿態(tài)誤差，加速度計的誤差引起慣導(dǎo)的速度誤差。姿態(tài)和速度誤差相互影響，如果慣導(dǎo)的姿態(tài)誤差比較小，慣導(dǎo)的速度誤差也不會發(fā)散的很快，反之亦然。本文采用慣導(dǎo)輔助位置模式，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的位置信息進(jìn)行星光組合，修正慣導(dǎo)的姿態(tài)，從而減小慣導(dǎo)的速度和姿態(tài)誤差。

5 試驗驗證

車載試驗采用的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺的精度為0.05（°）/h，加速度計的精度為2×10-4g，g為重力加速度。星敏感器在垂直光軸方向的精度為4″，平行光軸方向的精度為100″。

依據(jù)組合導(dǎo)航原理，進(jìn)行了多次組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理樣機(jī)車載導(dǎo)航試驗，使用手持式GPS衛(wèi)星接收機(jī)作為基準(zhǔn)導(dǎo)航信息，與慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行比較以確定導(dǎo)航定位誤差。精度評定采用《慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度評定方法GJB 729-89》中規(guī)定的RMS均方差計算方法。利用工作模式2和工作模式3分別進(jìn)行了車載試驗，工作模式2利用慣導(dǎo)提供水平姿態(tài)，進(jìn)行組合修正慣導(dǎo)的位置誤差。工作模式3利用慣導(dǎo)提供位置信息，進(jìn)行組合修正慣導(dǎo)的姿態(tài)誤差。在短時間內(nèi)慣導(dǎo)的位置誤差相對慣導(dǎo)的姿態(tài)誤差發(fā)散的比較慢，因此利用工作模式3能夠得到理想的效果。下面列出了利用工作模式3所獲取的六組試驗數(shù)據(jù)。

圖2～5是所選擇的一組車載試驗數(shù)據(jù)，純慣導(dǎo)與組合導(dǎo)航的速度和位置曲線，表1是停車后6組車載試驗純慣導(dǎo)與組合導(dǎo)航的速度和位置誤差的對比（導(dǎo)航時間為1500s），表2是6組車載試驗純慣導(dǎo)和組合導(dǎo)航的位置誤差的統(tǒng)計量（導(dǎo)航時間為1500s）。

圖2 組合前后北向速度

圖3 組合前后東向速度

圖4 組合前后經(jīng)度

圖5 組合前后緯度

從表中試驗數(shù)據(jù)可以看出，利用星敏感器提供的高精度姿態(tài)信息修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)角誤差，可有效減小系統(tǒng)的位置和速度誤差，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度，車載導(dǎo)航精度在1500s內(nèi)優(yōu)于300m（1σ），達(dá)到了預(yù)期的試驗?zāi)繕?biāo)。

6 結(jié) 論

星光導(dǎo)航是一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠補(bǔ)償慣導(dǎo)系統(tǒng)中由于陀螺漂移所引起的姿態(tài)誤差，間接地減小慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度和位置誤差。星光導(dǎo)航不能補(bǔ)償慣導(dǎo)系統(tǒng)中由于加速度計漂移所引起的系統(tǒng)誤差。

表1 純慣導(dǎo)和組合導(dǎo)航的誤差對比表

表2 純慣導(dǎo)和組合導(dǎo)航誤差對比表

本文分析了捷聯(lián)慣性/星光組合導(dǎo)航的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理和工作模式，并進(jìn)行了車載試驗，驗證了星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性和有效性。

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Investigation On SINS/Star Integrated Navigation Vehicular Test

WANG Yan，YU Kai，JIZhinong
（Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China）

Star navigation is an autonomous navigation system.The composition of SINS（strap-down inertial navigation system）/star integrated navigation system，principles of star sensor，and SINS/star integrated navigation system，and three working modes are discussed in the paper.The vehicular test of SINS/star integrated navigation system are done using existing equipments.Feasibility and effectiveness of the SINS/star integrated navigation system are demonstrated through the vehicular test.

star sensor；strap-down inertial navigation system；integrated navigation；vehicular test

V429

A

1674-1579（2008）06-0044-04

2008-06-12

王 巖（1979-），男，河南人，工程師，研究方向為星光組合導(dǎo)航技術(shù)（e-mail：xiao_feiniu@126.com）。