談機場搶建中新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)范文

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摘要：開展機場搶建工作時，需要考量的工程及技術(shù)要素比較多，該項工作專業(yè)性強，實施過程復(fù)雜。其中，測量系統(tǒng)不僅能夠精準(zhǔn)定位，還要具備較高的可靠性，同時，也對這一系統(tǒng)作業(yè)時間提出了明確限制。在激光跟蹤定位/慣性組合導(dǎo)航理念基礎(chǔ)上，對IMU/TS組合定位導(dǎo)航方法予以應(yīng)用，明確各系統(tǒng)組成元素及傳感器誤差項，通過延遲系統(tǒng)時間，估計相關(guān)狀態(tài)，選擇卡爾曼濾波器，實現(xiàn)IMU與TS數(shù)據(jù)之間的融合，在對比分析過程中，驗證新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)在機場搶建中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機場；導(dǎo)航定位技術(shù)；激光跟蹤；GNSS

機場搶建工作實施難度比較大，為了達到良好的工程效果，需要考量新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合實際工程目標(biāo)，執(zhí)行具體工作。自動化系統(tǒng)中，導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用普遍，其定位精確及系統(tǒng)可靠與否，與該系統(tǒng)工作能力和應(yīng)用潛能相關(guān)，要依據(jù)實際工程情況加以選擇和實施，方能達到良好的應(yīng)用效果。該背景下，無論是GNSS系統(tǒng)，還是作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS/INS，應(yīng)用都非常普遍。但倘若選擇衛(wèi)星導(dǎo)航方式，其對衛(wèi)星系統(tǒng)中相關(guān)信息的依賴度大，在高層樓房區(qū)域、隧道、橋梁等衛(wèi)星信號不是很強的地方，使用效果不好。此外，機場搶建工作中，涉及到深空探測、交會對接測量等相關(guān)工作，還需要及時清除空間碎片，因此，采用全自主綜合定位導(dǎo)航系統(tǒng)，方能滿足實際工作要求。倘若借助激光跟蹤定位/慣性組合導(dǎo)航理念，即使無GNSS信號，系統(tǒng)的定位和定姿仍然會比較精準(zhǔn)。

1組合導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)情況

1.1組合導(dǎo)航系統(tǒng)概述

組合導(dǎo)航系統(tǒng)即INS，通常組合飛機和艦船等運載體上兩種或多種導(dǎo)航設(shè)備，其本質(zhì)是一種綜合信息系統(tǒng)，旨在實施導(dǎo)航定位，控制運動及執(zhí)行設(shè)備標(biāo)定對準(zhǔn)等相關(guān)工作。該系統(tǒng)無論是精度還是可靠性都較高，且具備自動化優(yōu)勢，從根本上實現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。因單一導(dǎo)航系統(tǒng)利弊兼具，所以通過導(dǎo)航定位技術(shù)的組合，同時采用多種信息源，實施多功能系統(tǒng)構(gòu)建，增加系統(tǒng)維度的同時，使定位更加精準(zhǔn)[1]。

1.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀及優(yōu)勢組合

導(dǎo)航系統(tǒng)以計算機和數(shù)據(jù)處理技術(shù)為載體，組合導(dǎo)航設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)更加完備，包含輸入裝置、輸出裝置、數(shù)據(jù)處理和控制及外圍設(shè)備等。輸入裝置能夠?qū)Ω黝悳y量信息進行精準(zhǔn)接收，經(jīng)計算機處理之后，對飛機航向和航速等進行測定，并進行相關(guān)天文測算，而顯示器、打印機等輸出裝置的功能主要顯示優(yōu)化和處理之后的信息。在機場搶建過程中應(yīng)用新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)，能夠彌補單一導(dǎo)航系統(tǒng)定位過程中的不足，使系統(tǒng)精確性和可靠性兼具。

1.3組合導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)實際上是對多傳感器多源導(dǎo)航信息的集成和優(yōu)化，該過程中，信息的融合和處理非常關(guān)鍵，會用到卡爾曼濾波。其依托遠動、測量方程，在參量值已知的前提下，執(zhí)行相關(guān)推測、校正和估算工作。這一背景下，倘若同時有多種分系統(tǒng)參與組合，可對狀態(tài)矢量概念進行應(yīng)用。誤差多被用作狀態(tài)矢量，用以對速度和方位誤差等進行科學(xué)估算。計算機是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的主設(shè)備，其作用在于借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，整合、優(yōu)化、處理各導(dǎo)航傳感器發(fā)送的信息，繼而顯示出來[2]。2IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成IMU和TS分別為慣性測量單元和全站儀。IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中涉及到的相關(guān)要素包括慣性測量單元、全站儀、時間同步器、數(shù)據(jù)采集處理單元。將各傳感器部件之間的分布關(guān)系作為劃分依據(jù)，還可將IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為觀測站和流動站兩項。前者囊括全站儀、時間同步器、數(shù)據(jù)采集處理單元，已知控制點為其主要分布區(qū)。在流動站上布置IMU和激光棱鏡，從而增強移動載體位置、角速度、加速度等各指標(biāo)敏感度。當(dāng)這一系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，全站儀的作用在于對激光棱鏡進行跟蹤，在這一過程中，獲取棱鏡位置斜距、航向、俯仰角等關(guān)鍵性指標(biāo)信息，并在卡爾曼濾波器中，與經(jīng)過時間同步后的慣性數(shù)據(jù)同時解算，達到良好的信息處理效果。采用正確的方式，科學(xué)比對GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)和IMU/TS組 合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，以此為背景，對后者的位置測量精度進行科學(xué)評估，繼而對該系統(tǒng)原理進行驗證。

3IMU/TS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)模型

3.1狀態(tài)和量測

模型以慣性系統(tǒng)為載體，對目標(biāo)運動參數(shù)估計方程進行構(gòu)建，選擇Ts作為采樣時間設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，離散方程：該背景下，狀態(tài)向量已知，選擇一階馬爾科夫過程，對目標(biāo)運動模型進行假設(shè)，得出測量方程Z（K）=H（K）×（K）+V（K）.得出HTS=[I10×10，O10×10].3.2優(yōu)化設(shè)計卡爾曼濾波器借用卡爾曼濾波公司，得出最優(yōu)濾波方程：式（2）中：Kk和1k/kkkˆXHZ分別為卡爾曼濾波系數(shù)矩陣和誤差方程。經(jīng)過正確的計算，分別對狀態(tài)和均方程差進行進一步預(yù)測，分別得出以下內(nèi)容。卡爾曼增益矩陣為：狀態(tài)估計和均方程誤差估計分別為：

4分析傳感器誤差

模型采用科學(xué)的方法，優(yōu)選正確的濾波器結(jié)構(gòu)，并對各類傳感器誤差模型和各誤差源之間的關(guān)系具備清晰的認識，結(jié)合系統(tǒng)實際情況，科學(xué)標(biāo)定和補償系統(tǒng)級誤差，避免在精確度方面對傳感器提出過高要求，以此為根本，使組合導(dǎo)航定位更加精確，達到良好的定位效果。IMU誤差、全站儀動態(tài)誤差和系統(tǒng)時間同步誤差共同構(gòu)成了TS/IMU組合導(dǎo)航誤差源。

4.1IMU誤差

在IMU的ψ角誤差方程表達式已知的情況下，等效北向和東向加速度計誤差分別為▽N和▽E，而等效北向、東向、天向陀螺常值漂移分別為εN，εE，εD.計算得出，等效北向和東向誤差為100μg，陀螺隨機漂移為每小時0.1°。4.2全站儀動態(tài)誤差在高精度動態(tài)測量過程中，全站儀的誤差模型已知，其中包含測距標(biāo)度系數(shù)、測距動態(tài)誤差、俯仰角測量誤差、航向角測量誤差等重點內(nèi)容和相關(guān)要素。

4.3系統(tǒng)時間同步誤差

該誤差的形成是全站儀采樣時延、IMU采樣時延、全站儀時間基準(zhǔn)和IMU時間基準(zhǔn)的同步誤差共同作用的結(jié)果。其中，在時間同步誤差中起關(guān)鍵作用的是全站儀，該誤差通常在0.1～0.2s，而其余兩項誤差相對較小，可忽略。執(zhí)行全站儀動態(tài)測量工作時，初步測量至測量結(jié)果輸出再到測量數(shù)據(jù)傳入計算機，共同構(gòu)成了時滯。τ=τb+τr+τω作為全站儀時延模型，τb和τr分別指代固定時間延遲和慢變漂移，一階馬爾可夫過程描述在該背景下極具適用性。具體實踐過程中，對時延模型起主導(dǎo)作用的是τb和τω，前者的數(shù)值大約為100ms，而q的取值范圍通常在50～100ms。

5實驗結(jié)果

優(yōu)選一段坡度相對平整的路面，該路面既要具備較好的衛(wèi)星觀測條件，又要有足夠長的直線距離。將控制點設(shè)置在道路一端，架設(shè)全站儀，并依托時間同步器對其進行同步，提升測量信息精確度。同時，還要依據(jù)相關(guān)測量要求，選定某處作為基線控制點，并在執(zhí)行具體工作之前，通過GPS精確測量這兩個部位的坐標(biāo)。在試驗車頂端，采用科學(xué)的方法，固定GPS接收機和激光棱鏡，嚴(yán)格控制二者之間的平面距離，以0.440m為宜。在試驗車頂部固定IMU和GPS接收機，使之處于開啟狀態(tài)，平面距離與前者等同。IMU和GPS接收機開啟之后，借助全站儀，將與基線相關(guān)的信息作為主要測量對象，以此為背景，對基線方位角進行計算。使棱鏡中心和全站儀保持對齊，之后，啟動自動追蹤。當(dāng)試驗車處于移動狀態(tài)時，全站儀需要對鏡頭進行自動旋轉(zhuǎn)，以此鎖定棱鏡。把GPS接收機相位中心和激光棱鏡平面距離作為比較對象，經(jīng)過比較之后，對可跟蹤全站儀測距進行驗證，看其是否精確。當(dāng)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)處于動態(tài)環(huán)境下時，定位精度是cm級，明確精度實驗原理及激光棱鏡和GPS接收機相位中心平面距離變化趨勢。

6結(jié)束語

綜上所述，組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)屬新型技術(shù)，應(yīng)用范圍比較廣。結(jié)合機場搶建工作要求，對新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)進行科學(xué)應(yīng)用。當(dāng)TS和TMU處于組合狀態(tài)，在IMU導(dǎo)航數(shù)據(jù)已知的情況下，借助組合平滑的方式，將定位數(shù)據(jù)跳變?yōu)V除，使TS具備較強的動態(tài)精度和位置分辨精度，達到良好的定位數(shù)據(jù)更新及動態(tài)跟蹤效果，提升組合導(dǎo)航定位精確度，使其更加可靠。TS/IMU組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，對dm級進行精準(zhǔn)定位，很大程度上提升了機場搶修速度及效率。

參考文獻：

［1］王何巍，洪勇.新型組合導(dǎo)航定位技術(shù)在機場搶建中的應(yīng)用［J］.地理信息世界，2014（01）：116-119.

［2］司文靜，趙銀祥，陳周，等.一種組合式水下導(dǎo)航定位方法研究［J］.水能經(jīng)濟，2017（05）：331-332.

作者：曲春旭 喬惠君 單位：中國飛行試驗研究院