捷聯(lián)慣導(dǎo)評估系統(tǒng)中多傳感器信息融合的應(yīng)用?

王紀(jì)南,解春明,趙 剡,魯 浩

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191;2.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

多傳感器信息融合技術(shù)就是將多傳感器的測量信號加以綜合利用,最大限度地提取有用信息,利用計算機(jī)技術(shù)對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動分析、綜合,給出更正確的估計、識別和決策.本文提出采用高精度平臺主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀和高精度氣壓高度計等傳感器信息進(jìn)行融合.運(yùn)用信息融合技術(shù),合成目標(biāo)的多源信息,獲得比單一信源更精確的檢測,以達(dá)到更完全的估計和判決,實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ).將多傳感器融合后的信息作為基準(zhǔn)信息,使評估基準(zhǔn)信息的精度更高,可靠性更強(qiáng).多傳感器信息融合技術(shù)在捷聯(lián)慣導(dǎo)評估專家系統(tǒng)得到應(yīng)用,起到提高系統(tǒng)評估精度,更好地實現(xiàn)對各被評估捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能、各環(huán)節(jié)算法、計算周期、時序、流程、試驗環(huán)境等進(jìn)行計算機(jī)虛擬分析和研究的作用[1-2].

1 捷聯(lián)慣導(dǎo)專家系統(tǒng)多傳感器信息融合方法設(shè)計

1.1 硬件組成

捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評估系統(tǒng)由試驗總控系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),火控模擬系統(tǒng),高精度的平臺主慣導(dǎo)系統(tǒng),DGPS天線和接收機(jī),高分辨率的里程儀,高精度氣壓高度計,組合導(dǎo)航計算機(jī),信息采集 /存儲/處理計算機(jī)以及控制顯示單元等部分組成[3],如圖1所示.利用 DGPS的位置信息,高精度里程儀的速度信息,氣壓高度計的高度信息和平臺主慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合后,提供高精度的位置 /速度 /姿態(tài)信息,作為專家系統(tǒng)的測試評估基準(zhǔn).

1.2 多傳感器工作模式

在捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評估系統(tǒng)中,高精度平臺慣導(dǎo),高精度 GPS定姿定位系統(tǒng),高分辨率里程儀和高精度氣壓高度表等多傳感器的組成方式采用模塊化組合[3],系統(tǒng)各個模塊的安裝和拆卸簡單易行,既能單獨(dú)工作,也可協(xié)同工作,工作模式可根據(jù)評估對象的要求任意組合,主要有以下幾種工作組合模式:

1)INS/DGPS;

2)INS/DGPS/高分辨率里程儀;

3)INS/DGPS/高分辨率里程儀 /高精度氣壓高度表;

4)INS/DGPS定姿定位系統(tǒng) /高分辨率里程儀 /高精度氣壓高度表.

1.3 多傳感器融合的實現(xiàn)和控制

信息融合過程原理如圖2所示.首先,對采集到的傳感器測量值進(jìn)行預(yù)處理;然后,將測量值轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時空坐標(biāo)系下,進(jìn)行卡爾曼濾波處理.對處理之后的數(shù)據(jù)分出三路:一路發(fā)送回多傳感器數(shù)據(jù)的組網(wǎng)中,提供其他傳感器信息融合時所需信息;一路可直接轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系,作為本地傳感器的濾波結(jié)果;另一路用于和組網(wǎng)中其它傳感器傳出的有用信息進(jìn)行信息融合.最后,將各類數(shù)據(jù)融合結(jié)果總結(jié)處理得出局部融合結(jié)果,送入全局融合部分,再與其它局部融合結(jié)果進(jìn)行全局融合,得出系統(tǒng)所需融合信息.

1.3.1 傳感器量測值數(shù)據(jù)合理性檢驗

對傳感器量測值數(shù)據(jù)合理性檢驗的目的在于發(fā)現(xiàn)和剔出野值,為融合提供合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).通常采用擬合預(yù)報法和差分檢測法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗[3].

1.3.2 量測信息的時間和空間統(tǒng)一

在進(jìn)行融合時,來自高精度平臺主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀,高精度氣壓高度計等傳感器的各種信息,其得到的量測數(shù)據(jù)一般均在各自的慣性坐標(biāo)系下,時間和空間并不統(tǒng)一,具有時空相對獨(dú)立性,因此首先需要進(jìn)行時空對準(zhǔn)和各自數(shù)據(jù)的預(yù)處理.對各自的測量結(jié)果進(jìn)行時空統(tǒng)一,只有在統(tǒng)一的時間和和坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)才能進(jìn)行多傳感器的融合.如果不能很好地處理時空統(tǒng)一,使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,就會使數(shù)據(jù)處理精度大大下降,大大影響后繼信息處理的可信度.所以在信息融合中,應(yīng)對傳感器進(jìn)行時間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn),然后利用相關(guān)算法進(jìn)行融合處理[3-5].

1)空間匹配算法

捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評估系統(tǒng)中的各傳感器量測數(shù)據(jù)均在各自的慣性坐標(biāo)系下獲得,為避免組網(wǎng)內(nèi)各分布傳感器信息融合時復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算,在各傳感器量測數(shù)據(jù)得到之初就統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到地心大地坐標(biāo)系下,進(jìn)行濾波和融合,這樣一方面可以減少運(yùn)算量,提高融合精度,另一方面方便了組網(wǎng)上各傳感器融合信息的直接獲取和利用.

傳感器本地北-天-東坐標(biāo)系與地心大地坐標(biāo)系存在以下轉(zhuǎn)換關(guān)系

其中:

式中:X E為地心地固坐標(biāo)系下觀測矢量;X NUE為本地坐標(biāo)系下觀測矢量;e為第一偏心率;Ae為大地橢球長半軸.

2)時間匹配算法

在信息融合算法中,要求各傳感器信息在時間上嚴(yán)格同步,才能利用濾波算法,保證系統(tǒng)信息的精度.在本系統(tǒng)中,GPS接收機(jī)有很準(zhǔn)確的秒脈沖輸出,GPS的秒同步脈沖(1 PPS,每秒一個脈沖)和UTC(世界協(xié)調(diào)時)秒點是對齊的,是非常精確的.GPS接收機(jī)嚴(yán)格地在每一個 1 PPS脈沖的邊沿時刻進(jìn)行一次偽距、偽距變化率、載波相位測量、GPS標(biāo)準(zhǔn)授時、定位等測量,因此,可以認(rèn)為 GPS的數(shù)據(jù)更新頻率就是準(zhǔn)確的 1 Hz.主慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)更新周期 T INS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 s,在 10 ms以下,所以利用 GPS的1 PPS脈沖作為同步的標(biāo)準(zhǔn)時刻,進(jìn)行融合數(shù)據(jù)的同步是很好的選擇.本文采用基于 GPS的 PPS秒脈沖和高精度晶振的一種軟硬件相結(jié)合的實時系統(tǒng)[6].

圖3 時間同步示意圖Fig.3 Schematic diagram of time synchronization

兩路數(shù)據(jù)的同步示意圖如圖3所示.圖中,長豎線表示 GPS的 1 PPS脈沖,即 GPS數(shù)據(jù)更新點;短豎線表示 INS數(shù)據(jù)更新時刻.從圖3中可以看出,在 GPS數(shù)據(jù)更新點上,INS沒有數(shù)據(jù)輸出.設(shè) INS和 GPS的同步時間差為Δt,故有 T INS=T GPS+Δt.

設(shè)置統(tǒng)一時標(biāo),GPS和 INS相對于該時標(biāo)計時,以 GPS的第一次計時值作為時間起點 (t=0),存儲 INS的最新輸出時間,若在 INS的最新輸出時間 t s之后獲得 GPS的輸出,GPS的輸出時間為 t GPS,則慣導(dǎo)相對于 GPS的同步時間差為

式中:f k-1為同步時間差.

另外,依據(jù)圖3的各種時間節(jié)點的關(guān)系有

式中:Δtk為同步時間延遲量;Δfk為同步時間差.

因為 Nk為整周期數(shù),所以其可簡化為

由于Δt0是 t=0時刻 INS相對于 GPS的時間遲后,可以測得.所以可以利用以上公式遞推得到fk,即得到各個 INS輸出時間的同步差.

1.3.3 卡爾曼濾波器設(shè)計

采用聯(lián)邦濾波融合方案,如圖4所示.采用 INS的誤差方程和慣性器件的誤差方程組成組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程,以 DGPS提供的位置和里程儀提供的速度作為觀測量.利用 DGPS提供的位置校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置,利用高分辨率里程儀的速度來校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度.由局部濾波到全局濾波的融合算法簡單、計算量小、數(shù)據(jù)通訊少,便于實時執(zhí)行[7-8].

系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程的離散形式為

式中:X k為被估計的狀態(tài)變量;Z k為量測變量;

Φk+1,k為狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣;Hk為量測陣;Wk為系統(tǒng)激勵噪聲,其方差陣為 Qk;Vk為量測噪聲陣,其方差陣為R k.

初始狀態(tài)的統(tǒng)計特性為 E[X 0]=m x 0,var[X0]=P0.X 0,W k和 V k互不相關(guān).

設(shè)局部子濾波器的狀態(tài)估計分別為 X^1,X^2和 X^3,其對應(yīng)的估計誤差方差分別為 P^11,P^12和 P^13,則全局最優(yōu)估計為局部估計的線性組合,即

選擇待定系數(shù)矩陣 w1,w2和 w3,以使 X^為最小方差估計,則

通過解算可知,全局最優(yōu)估計的誤差要小于局部估計的誤差,也就是說全局估計優(yōu)于每一個局部估計.

2 仿真結(jié)果

本文對載機(jī)初始對準(zhǔn)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)包括高精度平臺主慣導(dǎo),高精度 DGPS,高分辨率里程儀和高精度氣壓高度表.各傳感器子系統(tǒng)的更新頻率 (Hz)或測量間隔 (s)分別為:①主慣導(dǎo) 50 Hz;② DGPS接收機(jī) 1～ 2 s,高分辨率里程儀+高精度氣壓高度表1/4～ 1/2 s.假設(shè)載機(jī)以 45°航向角平飛,在 20～40 s的時間作盤旋機(jī)動,其余時間勻速飛行.對準(zhǔn)誤差均為 5′,在傳遞對準(zhǔn)結(jié)束后,120 s的共同飛行期間,應(yīng)用卡爾曼濾波器專家系統(tǒng)進(jìn)行失準(zhǔn)角估計,h E0,h L0的收斂速度較快,h u0的收斂速度較慢,在 120 s時實現(xiàn)對準(zhǔn),準(zhǔn)精度可以達(dá)到 0.3°以下[9-10].

3 結(jié) 論

本文所論述的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法,在捷聯(lián)慣導(dǎo)專家評估系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,經(jīng)初步仿真試驗,利用系統(tǒng)中的多傳感器融合信息進(jìn)行濾波解算,能夠提高系統(tǒng)的評估基準(zhǔn)精度,從而提高整個專家系統(tǒng)的評估精度,更好地完成評估任務(wù),同時也為導(dǎo)航系統(tǒng)中的多傳感器信息融合提供了參考.

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