机场抢建中新型组合导航定位技术的应用

2018-12-18 10:26曲春旭乔惠君
科技与创新 2018年23期
关键词:棱镜全站仪导航系统

曲春旭,乔惠君



机场抢建中新型组合导航定位技术的应用

曲春旭,乔惠君

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

开展机场抢建工作时,需要考量的工程及技术要素比较多,该项工作专业性强,实施过程复杂。其中,测量系统不仅能够精准定位,还要具备较高的可靠性,同时,也对这一系统作业时间提出了明确限制。在激光跟踪定位/惯性组合导航理念基础上,对IMU/TS组合定位导航方法予以应用,明确各系统组成元素及传感器误差项,通过延迟系统时间,估计相关状态,选择卡尔曼滤波器,实现IMU与TS数据之间的融合,在对比分析过程中,验证新型组合导航定位技术在机场抢建中的应用。

机场;导航定位技术;激光跟踪;GNSS

机场抢建工作实施难度比较大,为了达到良好的工程效果,需要考量新型组合导航定位技术的应用,结合实际工程目标,执行具体工作。自动化系统中,导航定位技术应用普遍,其定位精确及系统可靠与否,与该系统工作能力和应用潜能相关,要依据实际工程情况加以选择和实施,方能达到良好的应用效果。该背景下,无论是GNSS系统,还是作为组合导航系统的GNSS/INS,应用都非常普遍。但倘若选择卫星导航方式,其对卫星系统中相关信息的依赖度大,在高层楼房区域、隧道、桥梁等卫星信号不是很强的地方,使用效果不好。此外,机场抢建工作中,涉及到深空探测、交会对接测量等相关工作,还需要及时清除空间碎片,因此,采用全自主综合定位导航系统,方能满足实际工作要求。倘若借助激光跟踪定位/惯性组合导航理念,即使无GNSS信号,系统的定位和定姿仍然会比较精准。

1 组合导航系统相关情况

1.1 组合导航系统概述

组合导航系统即INS,通常组合飞机和舰船等运载体上两种或多种导航设备,其本质是一种综合信息系统,旨在实施导航定位,控制运动及执行设备标定对准等相关工作。该系统无论是精度还是可靠性都较高,且具备自动化优势,从根本上实现了导航系统网络化。因单一导航系统利弊兼具,所以通过导航定位技术的组合,同时采用多种信息源,实施多功能系统构建,增加系统维度的同时,使定位更加精准[1]。

1.2 组合导航系统现状及优势

组合导航系统以计算机和数据处理技术为载体,组合导航设备,实现系统优化,使系统更加完备,包含输入装置、输出装置、数据处理和控制及外围设备等。输入装置能够对各类测量信息进行精准接收,经计算机处理之后,对飞机航向和航速等进行测定,并进行相关天文测算,而显示器、打印机等输出装置的功能主要显示优化和处理之后的信息。在机场抢建过程中应用新型组合导航定位技术,能够弥补单一导航系统定位过程中的不足,使系统精确性和可靠性兼具。

1.3 组合导航系统关键技术

组合导航系统实际上是对多传感器多源导航信息的集成和优化,该过程中,信息的融合和处理非常关键,会用到卡尔曼滤波。其依托远动、测量方程,在参量值已知的前提下,执行相关推测、校正和估算工作。这一背景下,倘若同时有多种分系统参与组合,可对状态矢量概念进行应用。误差多被用作状态矢量,用以对速度和方位误差等进行科学估算。计算机是组合导航系统中的主设备,其作用在于借助相应的数学方法,整合、优化、处理各导航传感器发送的信息,继而显示出来[2]。

2 IMU/TS组合定位导航系统组成

IMU和TS分别为惯性测量单元和全站仪。IMU/TS组合定位导航系统中涉及到的相关要素包括惯性测量单元、全站仪、时间同步器、数据采集处理单元。

将各传感器部件之间的分布关系作为划分依据,还可将IMU/TS组合定位导航系统划分为观测站和流动站两项。前者囊括全站仪、时间同步器、数据采集处理单元,已知控制点为其主要分布区。在流动站上布置IMU和激光棱镜,从而增强移动载体位置、角速度、加速度等各指标敏感度。当这一系统处于工作状态时,全站仪的作用在于对激光棱镜进行跟踪,在这一过程中,获取棱镜位置斜距、航向、俯仰角等关键性指标信息,并在卡尔曼滤波器中,与经过时间同步后的惯性数据同时解算,达到良好的信息处理效果。采用正确的方式,科学比对GPS/IMU组合导航系统和IMU/TS组合定位导航系统中的相关实验数据,以此为背景,对后者的位置测量精度进行科学评估,继而对该系统原理进行验证。

3 IMU/TS组合定位导航系统模型

3.1 状态和量测模型

以惯性系统为载体,对目标运动参数估计方程进行构建,选择Ts作为采样时间设计标准,离散方程:

k=k-1+k-1. (1)

该背景下,状态向量已知,选择一阶马尔科夫过程,对目标运动模型进行假设,得出测量方程()=()×()+().得出TS=[10×10,10×10].

3.2 优化设计卡尔曼滤波器

借用卡尔曼滤波公司,得出最优滤波方程:

经过正确的计算,分别对状态和均方程差进行进一步预测,分别得出以下内容。卡尔曼增益矩阵为:

状态估计和均方程误差估计分别为:

4 分析传感器误差模型

采用科学的方法,优选正确的滤波器结构,并对各类传感器误差模型和各误差源之间的关系具备清晰的认识,结合系统实际情况,科学标定和补偿系统级误差,避免在精确度方面对传感器提出过高要求,以此为根本,使组合导航定位更加精确,达到良好的定位效果。IMU误差、全站仪动态误差和系统时间同步误差共同构成了TS/IMU组合导航误差源。

4.1 IMU误差

在IMU的角误差方程表达式已知的情况下,等效北向和东向加速度计误差分别为▽N和▽E,而等效北向、东向、天向陀螺常值漂移分别为N,E,D.计算得出,等效北向和东向误差为100 μg,陀螺随机漂移为每小时0.1°。

4.2 全站仪动态误差

在高精度动态测量过程中,全站仪的误差模型已知,其中包含测距标度系数、测距动态误差、俯仰角测量误差、航向角测量误差等重点内容和相关要素。

4.3 系统时间同步误差

该误差的形成是全站仪采样时延、IMU采样时延、全站仪时间基准和IMU时间基准的同步误差共同作用的结果。其中,在时间同步误差中起关键作用的是全站仪,该误差通常在0.1~0.2 s,而其余两项误差相对较小,可忽略。执行全站仪动态测量工作时,初步测量至测量结果输出再到测量数据传入计算机,共同构成了时滞。

b+r+ω作为全站仪时延模型,b和r分别指代固定时间延迟和慢变漂移,一阶马尔可夫过程描述在该背景下极具适用性。具体实践过程中,对时延模型起主导作用的是b和ω,前者的数值大约为100 ms,而的取值范围通常在50~100 ms。

5 实验结果

优选一段坡度相对平整的路面,该路面既要具备较好的卫星观测条件,又要有足够长的直线距离。将控制点设置在道路一端,架设全站仪,并依托时间同步器对其进行同步,提升测量信息精确度。同时,还要依据相关测量要求,选定某处作为基线控制点,并在执行具体工作之前,通过GPS精确测量这两个部位的坐标。在试验车顶端,采用科学的方法,固定GPS接收机和激光棱镜,严格控制二者之间的平面距离,以0.440 m为宜。在试验车顶部固定IMU和GPS接收机,使之处于开启状态,平面距离与前者等同。IMU和GPS接收机开启之后,借助全站仪,将与基线相关的信息作为主要测量对象,以此为背景,对基线方位角进行计算。使棱镜中心和全站仪保持对齐,之后,启动自动追踪。当试验车处于移动状态时,全站仪需要对镜头进行自动旋转,以此锁定棱镜。把GPS接收机相位中心和激光棱镜平面距离作为比较对象,经过比较之后,对可跟踪全站仪测距进行验证,看其是否精确。当GPS/IMU组合导航系统处于动态环境下时,定位精度是cm级,明确精度实验原理及激光棱镜和GPS接收机相位中心平面距离变化趋势。

6 结束语

综上所述,组合导航定位系统属新型技术,应用范围比较广。结合机场抢建工作要求,对新型组合导航定位技术进行科学应用。当TS和TMU处于组合状态,在IMU导航数据已知的情况下,借助组合平滑的方式,将定位数据跳变滤除,使TS具备较强的动态精度和位置分辨精度,达到良好的定位数据更新及动态跟踪效果,提升组合导航定位精确度,使其更加可靠。TS/IMU组合定位导航系统以其独特的技术优势,对dm级进行精准定位,很大程度上提升了机场抢修速度及效率。

[1]王何巍,洪勇.新型组合导航定位技术在机场抢建中的应用[J].地理信息世界,2014(01):116-119.

[2]司文静,赵银祥,陈周,等.一种组合式水下导航定位方法研究[J].水能经济,2017(05):331-332.

2095-6835(2018)23-0152-02

U675.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.152

〔编辑:张思楠〕

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