徐海剛，吳亮華，楊 軍，李海軍，姜述明

（北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074）

XU Hai－gang，WU Liang－h(huán)ua，YANG Jun，LI Hai－jun，JIANG Shu－ming

（Beijing Automatic Control and Equipment Institute，Beijing 100074，China）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，尤其是在空中打擊之后的地面進(jìn)攻、巷戰(zhàn)、反恐等作戰(zhàn)行動(dòng)中，單兵導(dǎo)航裝備對于輔助士兵任務(wù)完成、保障其生命安全具有重要的作用。目前，單兵導(dǎo)航裝備的核心是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)槲淦餮b備提供高精度的定位、導(dǎo)航與授時(shí)信息，但其信號易被干擾，難以到達(dá)室內(nèi)、叢林及水下等區(qū)域，導(dǎo)航衛(wèi)星存在被攻擊的危險(xiǎn)。因此，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)既不可或缺，又不能過于依賴。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主、實(shí)時(shí)、連續(xù)、不受干擾等突出特點(diǎn)，可解決各類武器平臺及導(dǎo)彈等大型武器裝備對自主導(dǎo)航的需求，但難以滿足單兵導(dǎo)航對精度、體積、重量、功耗以及成本的苛刻限制，也難以滿足高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈、制導(dǎo)炮彈、微型無人裝備等比較特殊的需求。

針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不可用情況下武器裝備對定位、導(dǎo)航與授時(shí)信息的需求，美國DARPA于2010 年啟動(dòng)了 MicroPNT［1－2］計(jì)劃，通過研制微型陀螺、微型加速度計(jì)、微型原子鐘并予以高度集成，來實(shí)現(xiàn)小體積、高精度的自主定位、導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是一種基于現(xiàn)代最新科技的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性。單兵導(dǎo)航是MicroPNT計(jì)劃重點(diǎn)研究的方向之一。需要說明的是，目前解決單兵導(dǎo)航問題的方法還有射頻定位技術(shù)［3］，但其與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同樣不具備自主性，作者認(rèn)為，慣性技術(shù)是單兵導(dǎo)航的最終解決方案。本報(bào)告依次論述了單兵自主導(dǎo)航的基本方案、關(guān)鍵技術(shù)、試驗(yàn)情況及發(fā)展前景，希望為我國單兵導(dǎo)航技術(shù)乃至MicroPNT技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 基本方案

本部分介紹單兵自主導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)組成和基本算法。

1.1 基本原理

慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于測地車時(shí)，常采用間隔一定時(shí)間的零速修正來實(shí)現(xiàn)高精度定位測量;若采用導(dǎo)航級的慣導(dǎo)系統(tǒng)，在10 min間隔零速修正下定位精度能夠達(dá)到5 m（CEP）的精度，在5 min間隔零速修正下定位精度能夠達(dá)到2～3 m（CEP）的精度。采用更高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)或者縮短零速修正間隔時(shí)間，都能夠有效的提高定位精度。

單兵自主導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于這樣一個(gè)事實(shí):人在行走過程中，腳部著地瞬間的速度為零;若在腳部適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b一套慣導(dǎo)系統(tǒng)，則這一瞬間的零速可用來修正慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差，也就是可以進(jìn)行零速修正［4－6］。盡管目前體積和重量能夠滿足腳部安裝的慣導(dǎo)系統(tǒng) （目前只有微機(jī)電慣導(dǎo)系統(tǒng)合適）精度較差，但由于零速修正間隔時(shí)間非常短，因此，仍有望實(shí)現(xiàn)很高的定位精度。這就是單兵自主導(dǎo)航技術(shù)的基本原理。

1.2 系統(tǒng)組成

基于上述原理的單兵自主導(dǎo)航系統(tǒng)至少包括一套可以嵌在鞋中的微型慣導(dǎo)系統(tǒng)和一臺便攜式顯控系統(tǒng);為便于實(shí)際應(yīng)用，還應(yīng)有監(jiān)控指揮系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮。因此，完整單兵自主導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具有定位、便攜顯控、監(jiān)控指揮三大功能，相應(yīng)的，產(chǎn)品包括微慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （下稱“微慣導(dǎo)”）、便攜式顯控系統(tǒng) （下稱“顯控”）和綜合監(jiān)控指揮系統(tǒng) （下稱“監(jiān)控”）三部分，如圖1所示。

微慣導(dǎo)主要由微機(jī)電陀螺、微機(jī)電加速度計(jì)、處理器、接口控制等部分組成，此外，還可以集成磁力計(jì)、氣壓計(jì)以及衛(wèi)星接收機(jī)芯片等，以獲得更為豐富的導(dǎo)航資源。顯控可采用一般的PDA或手機(jī)，實(shí)時(shí)接收和顯示微機(jī)電慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送來的定位信息和原始數(shù)據(jù)，同時(shí)將定位信息經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控，并接收后者的指令;顯控與慣導(dǎo)之間可采用有線方式連接，從而更好的保障慣導(dǎo)的電源;導(dǎo)航解算也可以在顯控中完成，因?yàn)楹笳呔哂懈鼜?qiáng)的運(yùn)算能力。監(jiān)控可采用具有無線通訊功能的筆記本，接收并顯示各單兵顯控發(fā)送來的定位信息，并通過無線通訊對各單兵實(shí)施指揮。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，慣導(dǎo)、顯控以及監(jiān)控需要相互配合，共同實(shí)現(xiàn)單兵定位功能，如圖2所示。

圖2 單兵定位系統(tǒng)應(yīng)用模擬圖Fig.2 Simulation of navigation system of individual soldier

圖1 個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of navigation system of individual soldier

1.3 基本算法

單兵自主導(dǎo)航技術(shù)的算法主要包括初始對準(zhǔn)、導(dǎo)航解算、零速檢測、濾波修正四部分。

（1）初始對準(zhǔn)技術(shù)

初始靜止一定時(shí)間，由水平方向的兩個(gè)加速度計(jì)輸出可完成水平對準(zhǔn)，計(jì)算公式為

式中:g0為重力加速度;fxs、fzs為x向、z向加速度計(jì)輸出，s代表系統(tǒng)坐標(biāo)系;θ、γ為導(dǎo)航系統(tǒng)的俯仰角和滾動(dòng)角;為俯仰角和滾動(dòng)角估算值。初始航向角可采用磁力計(jì)提供的磁航向角裝訂，或者直接裝訂為0，后續(xù)的導(dǎo)航都是相對初始位置和初始方位來進(jìn)行的。

（2）導(dǎo)航解算

導(dǎo)航解算包括姿態(tài)更新、速度更新和位置更新三部分算法，與一般的慣性導(dǎo)航解算方法相同;考慮到單兵室內(nèi)定位系統(tǒng)的導(dǎo)航范圍，可采用直角坐標(biāo)系來進(jìn)行位置更新，公式為

式中:F（tk）、U（tk）和R（tk）分別表示tk時(shí)刻前、上和右的位移，VnF（tk）、VnU（tk）和VnR（tk）表示tk時(shí)刻前、上和右的速度，n代表導(dǎo)航坐標(biāo)系。

（3）零速檢測

人在行走過程中，腳部位置的加速度幅值變化情況體現(xiàn)了腳進(jìn)行抬起→邁步→落地的周期運(yùn)動(dòng)，角速度信息也呈現(xiàn)同樣明顯的特征。圖3給出了某次原理試驗(yàn)的加速度幅值變化圖。

圖3 人體行走過程中加速度幅值變化圖Fig.3 The change of acceleration in walking

通過分析一段時(shí)間內(nèi) （幾百毫秒）加速度、加速度幅度變化情況，可以檢測出人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基本算法如下:

（4）濾波修正

由靜態(tài)檢測技術(shù)檢測出靜止?fàn)顟B(tài)后，最直接的零速修正方法是將解算的速度置零，但該方法對導(dǎo)航精度的提高有限，為此提出零速修正技術(shù)，當(dāng)檢測結(jié)果為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，通過“速度”匹配估計(jì)出此時(shí)的速度誤差、位移誤差以及水平姿態(tài)角誤差，并進(jìn)行閉環(huán)修正，從而獲得高精度的導(dǎo)航結(jié)果。

2 關(guān)鍵因素分析

根據(jù)系統(tǒng)組成和工作原理，可能影響單兵自主導(dǎo)航精度的因素主要包括慣性儀表性能和零速修正技術(shù)等，下面進(jìn)行簡要分析。

2.1 慣性儀表性能的影響

由1.1的分析可知，慣導(dǎo)儀表的性能是影響單兵自主導(dǎo)航精度的關(guān)鍵因素;通過初步的仿真分析可以看出，在2 m/s的行走速度和最長1秒間隔零速修正的條件下，為實(shí)現(xiàn)10 m/h的定位精度，要求慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺精度優(yōu)于1（°）/h，加速度計(jì)精度優(yōu)于500ug;為實(shí)現(xiàn)10 m/d的定位精度，要求陀螺精度優(yōu)于0.1（°）/h，加速度計(jì)精度優(yōu)于100ug。

此外，需要引起注意的是，慣導(dǎo)所選慣性儀表的測量范圍必須能夠覆蓋正常的人體運(yùn)動(dòng)范圍，尤其是在行走過程中，腳部運(yùn)動(dòng)的角速度瞬時(shí)值比較大。圖4為某次單兵導(dǎo)航試驗(yàn) （慢跑狀態(tài)）過程中的運(yùn)動(dòng)角速度，可見，角速度峰值接近1000（°）/s;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，陀螺的測量范圍需要達(dá)到2000（°）/s以上才能基本覆蓋人的大部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2 零速修正設(shè)計(jì)

單兵自主導(dǎo)航所能采用的外部輔助手段只有瞬時(shí)零速信息，因此，零速修正技術(shù)的設(shè)計(jì)對于定位精度至關(guān)重要。影響零速修正性能的主要因素有零速檢測和濾波器設(shè)計(jì)。

圖4 慢跑狀態(tài)下腳部運(yùn)動(dòng)的角速度Fig.4 Angular velocity of crus in cantering

（1）零速檢測

如圖3所示，為準(zhǔn)確檢測出腳部靜止的瞬間，需要根據(jù)陀螺和加速度計(jì)測量的角速度和加速度來進(jìn)行判斷;由于腳部靜止的時(shí)間非常短，而零速信息對于導(dǎo)航精度又至關(guān)重要，因此，需要非常準(zhǔn)確的判斷出零速狀態(tài);這就需要對不同人、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、不同行走環(huán)境以及不同安裝部位下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析，找出能適應(yīng)所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判據(jù)，建立相應(yīng)的模型庫，確保精確檢測出瞬時(shí)的零速狀態(tài)。

（2）濾波器設(shè)計(jì)

濾波器的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮以下幾方面:一是采用M濾波技術(shù)，以適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下靜止程度不同引起的測量誤差變化;二是采用殘差檢驗(yàn)方法，以避免對零速的誤檢測導(dǎo)致濾波器發(fā)散;三是要充分利用磁力計(jì)這一輔助信息對航向精度保持的作用。

需要重點(diǎn)指出的是，美國MicroPNT計(jì)劃的單兵導(dǎo)航方案中提及，可采用微型速率計(jì)輔助來提高定位精度;作者通過分析和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，速率計(jì)并不能從根本上提高定位精度，主要原因如下:其一，速率計(jì)本身存在標(biāo)度因數(shù)誤差和安裝誤差，并不能精確測量人體的運(yùn)動(dòng)，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件下也難以建立誤差模型;其二，零速修正是比速率計(jì)更為精確的輔助信息，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅采用零速修正的定位精度與同時(shí)采用零速修正和速率計(jì)輔助的結(jié)果相當(dāng)，而僅采用速率計(jì)輔助的定位精度則大大下降;其三，陀螺漂移造成的逐漸增長的航向角誤差，是單兵導(dǎo)航技術(shù)另一項(xiàng)關(guān)鍵的誤差源，采用速率計(jì)輔助并不能修正這一誤差，所以不能提高定位精度。

3 樣機(jī)研制及試驗(yàn)情況

3.1 樣機(jī)研制情況

采用微機(jī)電慣性儀表設(shè)計(jì)了鞋式單兵自主導(dǎo)航設(shè)備，如圖5所示，共包括導(dǎo)航、通訊和供電三個(gè)模塊。

圖5 鞋式單兵導(dǎo)航設(shè)備Fig.5 The shoe of navigation system of individual soldier

其中，導(dǎo)航模塊包括陀螺、加速度計(jì)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，如圖6所示;陀螺測量范圍1200（°）/s，實(shí)測零偏穩(wěn)定性50（°）/h;加速度計(jì)測量范圍18g，實(shí)測零偏穩(wěn)定性500ug;導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用TMS320C6713B，主頻200MHz。

圖6 鞋式單兵導(dǎo)航設(shè)備的導(dǎo)航模塊Fig.6 Navigation module of the shoe of navigation system of individual soldier

3.2 試驗(yàn)情況

在多種環(huán)境下對單兵自主導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行了導(dǎo)航試驗(yàn)。在樓梯進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可見，導(dǎo)航設(shè)備能夠精確的描繪出人在樓梯上的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 單兵導(dǎo)航設(shè)計(jì)樓梯試驗(yàn)Fig.7 The result of experiment on stairs

某次長時(shí)間試驗(yàn)過程中的定位誤差如圖8所示，可見，在20 min的時(shí)間內(nèi)，定位誤差不大于20 m。

3.3 總結(jié)

通過一系列的試驗(yàn)和分析，作者對單兵自主導(dǎo)航技術(shù)的認(rèn)識可歸納如下:

1）經(jīng)初步驗(yàn)證，采用慣導(dǎo)系統(tǒng)+零速修正的方案來實(shí)現(xiàn)單兵導(dǎo)航的方案是可行的;以目前微機(jī)電慣性儀表的性能水平，有望實(shí)現(xiàn)100米/小時(shí)的定位精度。

2）分析定位誤差特性可知，陀螺漂移造成的不斷增長的航向角誤差，是目前影響定位精度的主要因素;盡管采用磁力計(jì)可以在一定程度上減小這一誤差的影響，但根本途徑只有進(jìn)一步提高微機(jī)電陀螺的精度;采用微型速率計(jì)對提高導(dǎo)航精度沒有實(shí)質(zhì)性的幫助。

3）陀螺的測量范圍是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要參數(shù);零速檢測與誤差修正技術(shù)是算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)束語

單兵導(dǎo)航技術(shù)是美國MicroPNT計(jì)劃的重要研究方向之一;采用微型慣導(dǎo)系統(tǒng)在零速修正下實(shí)現(xiàn)單兵導(dǎo)航是可行的，導(dǎo)航精度的提高有賴于微型陀螺儀性能的進(jìn)一步提高。以目前微機(jī)電慣性儀表的性能，有望實(shí)現(xiàn)100 m/h的定位精度，滿足短時(shí)間單兵自主導(dǎo)航需求;隨著國內(nèi)導(dǎo)航級微機(jī)電陀螺、微型核磁共振陀螺技術(shù)的進(jìn)步，在未來5～10年內(nèi)，有望實(shí)現(xiàn)10 m/d的微型單兵自主導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足長時(shí)間單兵導(dǎo)航需求。

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［2］Andrei M．Shkel．Precision Navigation and Timing Enabled by Microtechnology:Are We There Yet?［R］．The Southern California Section of the Institute of Navigation，2012，2．

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