机场抢建中新型组合导航定位技术的应用

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〕