定位定向设备纯惯性导航下的高精度输出设计

杨书棋

摘要:本文阐述了定位定向设备在纯惯导环境下的工作原理及性能缺陷，通过在传统惯性导航系统基础上增加高程计、高精度气压传感器、设置惯性导航定位信息的权重，提高定位定向设备在天向速度和海拔高度方向上输出的稳定性和有效性，为定位定向设备适应复杂环境作战提供了实现途径。

关键词:定位定向设备 高程计 光纤陀螺仪 加速度计

1引言

定位定向设备是一种通过多信息融合技术实现对方位、姿态、速度、位置和时间信息的高精度终端测量设备,对于武器系统间主从作战、精密武器的追踪投放等有重大意义[1]。目前，定位定向设备常见的导航技术包括卫星导航和纯惯导导航。卫星导航是目前常用的导航技术，但是，卫星导航是脆弱的，在战争时期容易受到敌方操控而受到欺骗、因为地理环境而定位失灵。在此环境下，纯惯导导航技术成为最可靠的导航方式[2]。纯惯性导航是一种基于定位定向设备自身的完全自主化导航方式，不受卫星信号和收星情况的干扰。在实际的工程应用中，定位定向设备的纯惯导导航技术存在输出误差随时间而累积的问题[3]。

2定位定向设备组成

定位定向设备是以牛顿力学定律为基本原理，利用惯性测量元件（光纤陀螺仪和加速度计）建立参考坐标系后测量战车运动参数，再由导航计算机进行积分运算，获得战车姿态[4]。其中，光纤陀螺仪通过测量地球自转角速率在其敏感轴上的与北向之间的夹角，获得战车航向角信息。由于陀螺仪的漂移将使测角误差随时间成正比地增大、高度定位误差呈现发散态[5]，为解决此问题，本系统在传统惯性导航系统基础上增加高程计、高精度气压传感器、设置惯性导航定位信息的权重，以望实现定位定向设备在纯惯导情况下的高精度输出。

高程计是利用大气压力的变化规律，来测量所在地的海拔高度和所在地的大气压变化，以及测量因地域变化发生的相对高度变化。借助于气压高度计的阻尼作用，经过温度等大气参数补偿，气压数据校准，数据滤波等处理，能有效抑制定位定向设备在高度方向的发散态。结合采用MEMS技术的高精度气压传感器单元，实现在宽温度范围内，高程计的性能上的高稳定、高灵敏度、高分辨率等特点。

3定位定向设备架构介绍

定位定向设备纯惯导导航情况下，姿态解算过程如下：

上电初始设备自检。定位定向系统在上电后，对惯性器件进行性能判断，当惯性器件不满足初始设定参数时进行故障报警，判断参数包括：X轴、Y轴、Z轴加速度计输出值、光纤陀螺输出值、温度传感器输出值等；

输入信息预处理。光纤陀螺仪和加速度计输入信息由数据采集器进行I/F转换，通过积分模块、电荷平衡模块和控制模块，将加速度计输出的电流信号转换脉冲信号，以供数据处理部分采集。数据处理部分通过温度采集模块、软件补偿模块、数据处理模块，以及通讯模块将处理后的加速度脉冲输出到计算机电路板。计算机电路板通过信号噪声滤波、动态误差分析与建模补偿预处理，得到战车相对于惯性空间的姿态参数；

初始化对准。初始化对准包括凝固系粗对准和卡尔曼滤波精对准2个阶段。在初始对准过程中，为了实现晃动基座对准，采用惯性空间中不同时刻的重力加速度作为参考矢量，通过凝固系粗对准算法的姿态矩阵完成方位和姿态的粗对准结果。粗对准完成后，采用卡尔曼滤波实现精对准。经滤波计算后，得到对载体初始导航参数及陀螺、加速度计误差系数的最优估计，完成初始对准[6]。

导航解算。导航计算机利用光线陀螺输出信息通过四元素微分方程得到四元素向量，通过导航运动方程求解，与高程计信息融合，得到姿态、速度、位置值。

4跑车试验结果分析

将高程计、高精度气压传感器、设置惯性导航定位信息的权重引入定位定向系统,装入战车进行跑车动态精度试验。从图1可见，在天向速度曲线上，卫星导航系统（以下简称：卫导）随着时间而出现高频率的大幅度跳变，跳变值最高可达42m/s。引入高程计后高度通道阻尼输出值未出现大幅度跳变，输出值最大误差不大于2m/s，说明此系统可抑制定位定向设备在天向速度的发散。

从图2可见，在海拔高度曲线上，卫导输出值与实际值存在一定量的系统误差，且无法随着时间和算法消除。此外，卫导随着时间而出现高频率的大幅度跳变，跳变值最高可达57m。引入高程计后,高度通道阻尼输出值未出现大幅度跳变，输出值最大误差不大于10 m，说明此系统可抑制定位定向设备在海拔高度方向上的发散。

图1 定位定向系统天向速度曲线

图2 定位定向系统海拔高度曲线

5结论

本系统在传统惯性导航系统基础上增加高程计、高精度气压传感器、设置惯性导航定位信息的权重，在跑车试验测试结果显示，此系统在可抑制惯导系统在天向速度和海拔高度方向上的发散，得到高精度、高稳定性的惯性导航数据。

6 参考文献

[1].李振.惯性导航定位系统数据处理技术的研究[D].辽宁:沈阳工业大学,2007.

[2].陈永冰，钟斌.惯性导航原理[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3].马芮.基于微惯性导航系统的误差分析和补偿技术研究[D].北京:清华大学,2010.

[4].张聪，焦若冰.西华青年文萃-西华大学研究生优秀论文选（2014）,2014,195-197.

[5].张坤，彭雪明．车载定位定向技术研究[J]．现代防御技术，2006，(04)：61—65．

[6].秦永元.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安：西北工业大学出版社，2004.