單兵自主導航技術研究

徐海剛，吳亮華，楊 軍，李海軍，姜述明

（北京自動化控制設備研究所，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攻、巷戰(zhàn)、反恐等作戰(zhàn)行動中，單兵導航裝備對于輔助士兵任務完成、保障其生命安全具有重要的作用。目前，單兵導航裝備的核心是衛(wèi)星導航系統(tǒng)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠為武器裝備提供高精度的定位、導航與授時信息，但其信號易被干擾，難以到達室內(nèi)、叢林及水下等區(qū)域，導航衛(wèi)星存在被攻擊的危險。因此，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)既不可或缺，又不能過于依賴。

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

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

1 基本方案

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

1.1 基本原理

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

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

1.2 系統(tǒng)組成

基于上述原理的單兵自主導航系統(tǒng)至少包括一套可以嵌在鞋中的微型慣導系統(tǒng)和一臺便攜式顯控系統(tǒng);為便于實際應用，還應有監(jiān)控指揮系統(tǒng)來實現(xiàn)統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮。因此，完整單兵自主導航系統(tǒng)應具有定位、便攜顯控、監(jiān)控指揮三大功能，相應的，產(chǎn)品包括微慣性導航系統(tǒng) （下稱“微慣導”）、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。

微慣導主要由微機電陀螺、微機電加速度計、處理器、接口控制等部分組成，此外，還可以集成磁力計、氣壓計以及衛(wèi)星接收機芯片等，以獲得更為豐富的導航資源。顯控可采用一般的PDA或手機，實時接收和顯示微機電慣導系統(tǒng)發(fā)送來的定位信息和原始數(shù)據(jù)，同時將定位信息經(jīng)由無線網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)控，并接收后者的指令;顯控與慣導之間可采用有線方式連接，從而更好的保障慣導的電源;導航解算也可以在顯控中完成，因為后者具有更強的運算能力。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施指揮。實際應用時，慣導、顯控以及監(jiān)控需要相互配合，共同實現(xiàn)單兵定位功能，如圖2所示。

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

圖1 個人導航系統(tǒng)組成結構圖Fig.1 Structure of navigation system of individual soldier

1.3 基本算法

單兵自主導航技術的算法主要包括初始對準、導航解算、零速檢測、濾波修正四部分。

（1）初始對準技術

初始靜止一定時間，由水平方向的兩個加速度計輸出可完成水平對準，計算公式為

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

（2）導航解算

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

式中:F（tk）、U（tk）和R（tk）分別表示tk時刻前、上和右的位移，VnF（tk）、VnU（tk）和VnR（tk）表示tk時刻前、上和右的速度，n代表導航坐標系。

（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)了腳進行抬起→邁步→落地的周期運動，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動狀態(tài)，基本算法如下:

（4）濾波修正

由靜態(tài)檢測技術檢測出靜止狀態(tài)后，最直接的零速修正方法是將解算的速度置零，但該方法對導航精度的提高有限，為此提出零速修正技術，當檢測結果為靜止狀態(tài)時，通過“速度”匹配估計出此時的速度誤差、位移誤差以及水平姿態(tài)角誤差，并進行閉環(huán)修正，從而獲得高精度的導航結果。

2 關鍵因素分析

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

2.1 慣性儀表性能的影響

由1.1的分析可知，慣導儀表的性能是影響單兵自主導航精度的關鍵因素;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，為實現(xiàn)10 m/h的定位精度，要求慣導系統(tǒng)的陀螺精度優(yōu)于1（°）/h，加速度計精度優(yōu)于500ug;為實現(xiàn)10 m/d的定位精度，要求陀螺精度優(yōu)于0.1（°）/h，加速度計精度優(yōu)于100ug。

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

2.2 零速修正設計

單兵自主導航所能采用的外部輔助手段只有瞬時零速信息，因此，零速修正技術的設計對于定位精度至關重要。影響零速修正性能的主要因素有零速檢測和濾波器設計。

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

（1）零速檢測

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

（2）濾波器設計

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

需要重點指出的是，美國MicroPNT計劃的單兵導航方案中提及，可采用微型速率計輔助來提高定位精度;作者通過分析和試驗驗證發(fā)現(xiàn)，速率計并不能從根本上提高定位精度，主要原因如下:其一，速率計本身存在標度因數(shù)誤差和安裝誤差，并不能精確測量人體的運動，在復雜運動條件下也難以建立誤差模型;其二，零速修正是比速率計更為精確的輔助信息，通過試驗發(fā)現(xiàn)，僅采用零速修正的定位精度與同時采用零速修正和速率計輔助的結果相當，而僅采用速率計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，是單兵導航技術另一項關鍵的誤差源，采用速率計輔助并不能修正這一誤差，所以不能提高定位精度。

3 樣機研制及試驗情況

3.1 樣機研制情況

采用微機電慣性儀表設計了鞋式單兵自主導航設備，如圖5所示，共包括導航、通訊和供電三個模塊。

圖5 鞋式單兵導航設備Fig.5 The shoe of navigation system of individual soldier

其中，導航模塊包括陀螺、加速度計和導航計算機，如圖6所示;陀螺測量范圍1200（°）/s，實測零偏穩(wěn)定性50（°）/h;加速度計測量范圍18g，實測零偏穩(wěn)定性500ug;導航計算機采用TMS320C6713B，主頻200MHz。

圖6 鞋式單兵導航設備的導航模塊Fig.6 Navigation module of the shoe of navigation system of individual soldier

3.2 試驗情況

在多種環(huán)境下對單兵自主導航設備進行了導航試驗。在樓梯進行的試驗結果如圖7所示，可見，導航設備能夠精確的描繪出人在樓梯上的運動軌跡。

圖7 單兵導航設計樓梯試驗Fig.7 The result of experiment on stairs

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

3.3 總結

通過一系列的試驗和分析，作者對單兵自主導航技術的認識可歸納如下:

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

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，但根本途徑只有進一步提高微機電陀螺的精度;采用微型速率計對提高導航精度沒有實質(zhì)性的幫助。

3）陀螺的測量范圍是系統(tǒng)設計時需要考慮的一個重要參數(shù);零速檢測與誤差修正技術是算法設計的關鍵所在。

4 結束語

單兵導航技術是美國MicroPNT計劃的重要研究方向之一;采用微型慣導系統(tǒng)在零速修正下實現(xiàn)單兵導航是可行的，導航精度的提高有賴于微型陀螺儀性能的進一步提高。以目前微機電慣性儀表的性能，有望實現(xiàn)100 m/h的定位精度，滿足短時間單兵自主導航需求;隨著國內(nèi)導航級微機電陀螺、微型核磁共振陀螺技術的進步，在未來5～10年內(nèi)，有望實現(xiàn)10 m/d的微型單兵自主導航系統(tǒng)，滿足長時間單兵導航需求。

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