地形辅助导航系统的关键技术
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写存储器 (FLA SH ) 是 In tel 公司于 80 年代末 90 年代初推出的一种新型存储器, 其主要特点是可 以整体电擦除, 是完全非易失的, 其存储量也高 达几兆字节。
Байду номын сангаас
3 地形随机化线性技术
图 1 由等高线地图获取数字地图的示意图
读取的高程按格网距离存放。 为使格网点上的数 值能反映格网平面内的 “真实”高程, 通常将格网平 面正方形地区内的高程取平均值, 也可根据系统协方 差分析的仿真结果来决定。 格网距离的大小与所需定 位精度和存储有关, 通常格网间距可取为 20～ 60 m。
《现代电子技术》2002 年第 1 期总第 132 期
收稿日期: 2001- 11- 16
应用技巧
地形辅助导航系统的关键技术
Key Technolog ies of Terra in A ided Nav iga tion System
袁会昌 刘光斌
Yuan H u ichang L iu Guangb ing (西安第二炮兵工程学院 西安 710025)
式中, (xδ, yδ) 为惯导系统提供的飞行器位置估计值; f (x , y ) 是地形高度的线性表示; a 为在 (xδ, yδ) 点的平
面坐标值; hx、hy 分别为地形在 x 与 y 方向上的斜率。
76
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
关键词 地形辅助导航系统 数字地图 地形随机化 多模卡尔曼滤波 数字相关器
所谓地形辅助导航 (TAN ) , 实质是由惯性系统 ( IN S) 与无线电高度表和数字地图构成的组合导航系 统。 TAN 作为一种新型导航系统之所以引起人们的 广泛注意, 是因为它在海湾战争、 科索沃战争中发挥 了良好的实战应用效果。 地形辅助导航系统采用了当 今电子技术的最新成果, 从而把军事导航性能提高到 一个新的高度。 该系统有着广泛的应用前景, 它不仅 能用于低空飞行, 而且还用于海上和陆地航行。 促使 地形辅助导航系统迅速发展和成熟的因素很多, 除了 计算机技术的迅速发展之外, 还有下列几项关键技术。
①采用大地测量的方法直接从地形上测出高程; ②利用航空摄影测量照片, 采用数字高程判读仪 从 2 张对应的照片上读取高程; ③利用卫星摄影测量照片读取高程; ④从小比例尺普通等高线地形上读取高程。 美军战斧巡航导弹应用的制备地图软件, 就是由 霍普金斯大学应用物理试验室和国防测绘局 1974 年 研制的, 它可以将卫星或航空测绘的等高线地图自动 转换成数字地图。 图 1 给出了由等高线地图获取数字地图的示意图。
(X i’an the Second A rtillery Engineering Co llege, X i’an, 710025)
摘 要 地形辅助导航系统被誉为第四代导航系统, 除了计算机技术外, 注重讨论了在地形导航系统中利用的数字 地图技术、存储技术、地形随机化技术、多模卡尔曼滤波技术和数字相关器, 对各技术的特点及其有关的参数进行了分 析。
数字地图就是存储在计算机数字化了的地图, 它 是通过对地形高度的离散采样并量化后得到的, 其采 样距离叫做格网距离。数字地图采用二维平面坐标, 通 常采用W GS- 84 大地坐标系。 地理坐标系经横轴麦 卡托坐标投影转换为数字地形数据库。 美国航空战术 飞行图就是采用的这一方法。 数字地图的制作方法有 以下几种。
3 结 语
该系统的成本低、 维护简便、 功能全, 可对寻呼 基站的各种设备及环境状态实施有效的监控, 极大地 提高维护质量、 降低维护人员的工作强度。 该系统在 联通寻呼陕西分公司得到了成功的应用。 从实际应用 效果来看, 系统运行稳定、可靠, 达到了预期的效果。
参 考 文 献
空航天大学出版社, 1992 2 王修才, 刘祖望 1 单片机接口技术 1 上海: 复旦大
图 2 给出了按格网方式存储的数字地图, 图中沿格网 x 与 y 方向的格网距离 ∃x 与 ∃y 取为等间距 d。
52467871574 76356672432 59024532686 47103119217 23342072431 01587421352 62245600569 52253123187 74360232154 53120446255 02731606743
扩展卡尔曼滤波的实质, 就是采用地形随机
线性化技术, 将非线性测量方程线性化。
地形高度是位置的非线性函数。 所谓地形线
性化就是用平面方程 f (x , y ) 来代替地形的曲面
h t (x , y ) , 如图 3 所示。 f (x , y ) = a + hx (x - xδ) + hy (y - yδ)
图 4 搜索阶段的并行卡尔曼滤波结构
参 考 文 献 1 干国强, 邱致和等 1 导航与定位 [M ] 1 北京: 国
防工业出版社, 2000
Abstract T erra in A ided N aviga tion System (TAN S) is rega rded a s the fo rth genera tion naviga tion system. T h is p ap er m a in ly discu sses the key techno logies u sed in TAN S exp ect com p u ter techno logy: digita l m ap , da ta m em o ry, terra in random iza tion, p a rellel Ka lm an filtering and num eric co rrela to r and their cha racteristics and rela ted p a ram eters is a lso ana lyzed.
《现代电子技术》2002 年第 1 期总第 132 期 a, hx , hy 是地形平面方程的参数。将 f (x , y ) 式离散化, 得到:
f (kx , ky ) = a + hx d (kx - i) + hy d (ky - j ) 式 中, (k x , k y ) 为 (x , y ) 位置坐标的序列数; ( i, j ) 为 (x , y ) 坐标的序列数; d 为数字地图的格网距离。所谓 地形随机线性化, 可归结为实时地计算地形平面参数 a, h x , h y。
图 2 按格网方式存储的数字地图
2 存储技术
地形辅助导航系统需要建立数据库和存储高质量 的数字地图, 可以想象, 存储飞行器所飞越地区的数 字地图数据, 需要很大容量的存储器。 现代大容量存 储技术的发展, 使实现这一目标成为可能。 现有的大 容 量 存 储 器 有 磁 泡 存 储 器、 快 速 擦 写 存 储 器 (FLA SH )、 光盘等。
地形辅助导航系统具有较大的初始误差, 为获得 必要的寻航精度, 地形轮廓匹配导航系统和惯性地形 辅助导航系统都采用递归算法。 这种递归算法的基础 是扩展的卡尔曼滤波器。 如果估算的初始位置偏离真 实位置很远, 滤波器就可能发散, 即是说, 滤波器估 算的飞行器位置是远离而不是趋近真实位置。 滤波器 发散的可能性是使用这种方法的一个主要障碍。 为解 决这一问题, 常利用多模型估算算法, 即并厅的卡尔 曼滤波结构, 来减小大的初始位置不确定性引起的滤 波器发散, 以保证某个滤波器在飞机真实位置附近得
数字相关器是地形辅助导航系统关键设备之一。 我们知道无论是地形等高线匹配或景象匹配, 都需要 做大量的数据相关处理, 通常用单一的数字相关器或 数字相关器阵构成实时处理系统。 由于要求处理速度 高, 所以该处理系统一般用硬件来实现, 例如用 FPGA 可编程门阵列。现在 FPGA 已采用了 0125 Λm 以下的 工艺, 5 层金属连线, 门数最高可达 250 000 门, 时钟 可达 175 M H z。
1 数字地图技术
111 基准数据库 实现任何以地形为基础的导航系统的前提是, 必
须有所需要的和符合质量要求的基准数据库, 否则, 它 就不可能得到正确的使用。
数字地图数据日益广泛的应用有可能使飞行器在 大部分目标地区使用地形辅助导航系统。 目前, 美国 国防测绘局领导着一个国家集团, 每个国家负责建立 本国及有关地区的数字陆地块系统 (DLM S) 的数据档
地形辅助导航系统的关键技术
案。现有的DLM S 数据大约包含 5×108 km 2 的地形数 据。即使 5×108 km 2 不能覆盖全球地形, 在目前尚未 取得数据的地方还可以用自动化方法将纸质地图数字 化, 同样, 也可以用卫星或飞机拍摄的侦察照片来取 得DLM S 数据。
地形辅助导航系统的数据库通常是用美国国防测 绘局的 1 级数字地形标高数据库。 这种数据库来源于 绘制地图和摄影测量数据。 就美国而言, 其数据库先 种高度点构成的格网, 其点间间隔为 3rad·s, 或者是 纬线约为 100 m 和经线略短一些的格网。欧洲目前使 用的数据库是根据大比例地图获得的。 112 数字地图的制作
Keywords rem o te m on iter system , p aging, R S232, R S485, M OD EM
作者简介 毛永毅 男, 博士生, 主要从事通信、 自动控制等方面的研究。
75 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
应用技巧 到初始化。 此时, 不是只用单一的卡尔曼滤波器对系 统状态进行修正, 而是使用一组相同的扩展卡尔曼滤 波器, 其中每个滤波器都在先验不确定性网格村的不 同点上进行初始化。 这样, 滤波器收敛的概率就会显 著提高, 从而使导航性能得到改善。 图 4 给出了该模 式滤波结构。 这些并行的滤波器所采用的都是来自无 线电高度表的同一测量数据, 而每个滤波器所利用的 数字地图位置数据各不相同。对于N 个滤波器可获得 N 个估计值 xδ1, xδ2, …, xδN 。对其做出决策, 可在搜 索阶段获得较为准确的估计位置 x。 5 数字相关器
磁泡存储器是利用单晶的强磁化薄膜或多晶合金 磁膜形成的磁泡制成的存储器件, 其中存储密度可达 116×105 (数字) mm 2。 例如法国 SA GEM 公司在地 形基准系统中采用的 EB S250 磁泡存储卡的存储量可 达 2 M B (字节)。这种存储器的缺点是存储容量有限, 使用起来比较麻烦。 目前使用的数据库存储器在可擦 只读存储器和光盘驱动器之间选择, 对存储器量小一 些的可采用 FLA SH 电子可编程只读存储器。 快速擦
学出版社, 1995 3 M O TO ROL A R ad iu s 发射机操作手册 4 宇龙寻呼发射机操作手册 5 云海寻呼发射机操作手册 6 陆冰霞, 李小白 1 无线寻呼系统 1 北京: 电子工业
出版社, 1997
1 陈粤初等 1 单片机应用系统设计与实践 1 北京航
Abstract R em o te m on iter system of p aging ba se con structed by 89C 52, 89C 2051 and M OD EM is p resen ted1T h is system con sist of the M U X R S232, R S485 and da ta sam p ling system 1 It is cha racterized by sim p le con struction , reliab ility service and econom y1
图 3 自适应地选取拟合区域 8
用平面来拟合地形曲面, 是在数字地图的一小块 区域 8 中进行的。拟合区域 8 取多大, 存在着相当的 技巧。 由于在卡尔曼滤波过程中可实时地获得位置误 差的均方根值 Ρx 和 Ρy , 为使拟合区域 8 的大小具有自 适应性 (即当 Ρx , Ρy 较大时, 将 8 也取大些, 反之亦 然) , 例如可将 8 取为半边长为 115Ρx 和 115Ρy 的矩形 区。 图 3 示出了大卡尔曼滤波过程中自适应地选取拟 合区域 8 的示意图。随着位置误差的减小, 拟合区域 8 也应减小, 以获得最佳的估计精度。 4 多模卡尔曼滤波技术
Байду номын сангаас
3 地形随机化线性技术
图 1 由等高线地图获取数字地图的示意图
读取的高程按格网距离存放。 为使格网点上的数 值能反映格网平面内的 “真实”高程, 通常将格网平 面正方形地区内的高程取平均值, 也可根据系统协方 差分析的仿真结果来决定。 格网距离的大小与所需定 位精度和存储有关, 通常格网间距可取为 20～ 60 m。
《现代电子技术》2002 年第 1 期总第 132 期
收稿日期: 2001- 11- 16
应用技巧
地形辅助导航系统的关键技术
Key Technolog ies of Terra in A ided Nav iga tion System
袁会昌 刘光斌
Yuan H u ichang L iu Guangb ing (西安第二炮兵工程学院 西安 710025)
式中, (xδ, yδ) 为惯导系统提供的飞行器位置估计值; f (x , y ) 是地形高度的线性表示; a 为在 (xδ, yδ) 点的平
面坐标值; hx、hy 分别为地形在 x 与 y 方向上的斜率。
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
关键词 地形辅助导航系统 数字地图 地形随机化 多模卡尔曼滤波 数字相关器
所谓地形辅助导航 (TAN ) , 实质是由惯性系统 ( IN S) 与无线电高度表和数字地图构成的组合导航系 统。 TAN 作为一种新型导航系统之所以引起人们的 广泛注意, 是因为它在海湾战争、 科索沃战争中发挥 了良好的实战应用效果。 地形辅助导航系统采用了当 今电子技术的最新成果, 从而把军事导航性能提高到 一个新的高度。 该系统有着广泛的应用前景, 它不仅 能用于低空飞行, 而且还用于海上和陆地航行。 促使 地形辅助导航系统迅速发展和成熟的因素很多, 除了 计算机技术的迅速发展之外, 还有下列几项关键技术。
①采用大地测量的方法直接从地形上测出高程; ②利用航空摄影测量照片, 采用数字高程判读仪 从 2 张对应的照片上读取高程; ③利用卫星摄影测量照片读取高程; ④从小比例尺普通等高线地形上读取高程。 美军战斧巡航导弹应用的制备地图软件, 就是由 霍普金斯大学应用物理试验室和国防测绘局 1974 年 研制的, 它可以将卫星或航空测绘的等高线地图自动 转换成数字地图。 图 1 给出了由等高线地图获取数字地图的示意图。
(X i’an the Second A rtillery Engineering Co llege, X i’an, 710025)
摘 要 地形辅助导航系统被誉为第四代导航系统, 除了计算机技术外, 注重讨论了在地形导航系统中利用的数字 地图技术、存储技术、地形随机化技术、多模卡尔曼滤波技术和数字相关器, 对各技术的特点及其有关的参数进行了分 析。
数字地图就是存储在计算机数字化了的地图, 它 是通过对地形高度的离散采样并量化后得到的, 其采 样距离叫做格网距离。数字地图采用二维平面坐标, 通 常采用W GS- 84 大地坐标系。 地理坐标系经横轴麦 卡托坐标投影转换为数字地形数据库。 美国航空战术 飞行图就是采用的这一方法。 数字地图的制作方法有 以下几种。
3 结 语
该系统的成本低、 维护简便、 功能全, 可对寻呼 基站的各种设备及环境状态实施有效的监控, 极大地 提高维护质量、 降低维护人员的工作强度。 该系统在 联通寻呼陕西分公司得到了成功的应用。 从实际应用 效果来看, 系统运行稳定、可靠, 达到了预期的效果。
参 考 文 献
空航天大学出版社, 1992 2 王修才, 刘祖望 1 单片机接口技术 1 上海: 复旦大
图 2 给出了按格网方式存储的数字地图, 图中沿格网 x 与 y 方向的格网距离 ∃x 与 ∃y 取为等间距 d。
52467871574 76356672432 59024532686 47103119217 23342072431 01587421352 62245600569 52253123187 74360232154 53120446255 02731606743
扩展卡尔曼滤波的实质, 就是采用地形随机
线性化技术, 将非线性测量方程线性化。
地形高度是位置的非线性函数。 所谓地形线
性化就是用平面方程 f (x , y ) 来代替地形的曲面
h t (x , y ) , 如图 3 所示。 f (x , y ) = a + hx (x - xδ) + hy (y - yδ)
图 4 搜索阶段的并行卡尔曼滤波结构
参 考 文 献 1 干国强, 邱致和等 1 导航与定位 [M ] 1 北京: 国
防工业出版社, 2000
Abstract T erra in A ided N aviga tion System (TAN S) is rega rded a s the fo rth genera tion naviga tion system. T h is p ap er m a in ly discu sses the key techno logies u sed in TAN S exp ect com p u ter techno logy: digita l m ap , da ta m em o ry, terra in random iza tion, p a rellel Ka lm an filtering and num eric co rrela to r and their cha racteristics and rela ted p a ram eters is a lso ana lyzed.
《现代电子技术》2002 年第 1 期总第 132 期 a, hx , hy 是地形平面方程的参数。将 f (x , y ) 式离散化, 得到:
f (kx , ky ) = a + hx d (kx - i) + hy d (ky - j ) 式 中, (k x , k y ) 为 (x , y ) 位置坐标的序列数; ( i, j ) 为 (x , y ) 坐标的序列数; d 为数字地图的格网距离。所谓 地形随机线性化, 可归结为实时地计算地形平面参数 a, h x , h y。
图 2 按格网方式存储的数字地图
2 存储技术
地形辅助导航系统需要建立数据库和存储高质量 的数字地图, 可以想象, 存储飞行器所飞越地区的数 字地图数据, 需要很大容量的存储器。 现代大容量存 储技术的发展, 使实现这一目标成为可能。 现有的大 容 量 存 储 器 有 磁 泡 存 储 器、 快 速 擦 写 存 储 器 (FLA SH )、 光盘等。
地形辅助导航系统具有较大的初始误差, 为获得 必要的寻航精度, 地形轮廓匹配导航系统和惯性地形 辅助导航系统都采用递归算法。 这种递归算法的基础 是扩展的卡尔曼滤波器。 如果估算的初始位置偏离真 实位置很远, 滤波器就可能发散, 即是说, 滤波器估 算的飞行器位置是远离而不是趋近真实位置。 滤波器 发散的可能性是使用这种方法的一个主要障碍。 为解 决这一问题, 常利用多模型估算算法, 即并厅的卡尔 曼滤波结构, 来减小大的初始位置不确定性引起的滤 波器发散, 以保证某个滤波器在飞机真实位置附近得
数字相关器是地形辅助导航系统关键设备之一。 我们知道无论是地形等高线匹配或景象匹配, 都需要 做大量的数据相关处理, 通常用单一的数字相关器或 数字相关器阵构成实时处理系统。 由于要求处理速度 高, 所以该处理系统一般用硬件来实现, 例如用 FPGA 可编程门阵列。现在 FPGA 已采用了 0125 Λm 以下的 工艺, 5 层金属连线, 门数最高可达 250 000 门, 时钟 可达 175 M H z。
1 数字地图技术
111 基准数据库 实现任何以地形为基础的导航系统的前提是, 必
须有所需要的和符合质量要求的基准数据库, 否则, 它 就不可能得到正确的使用。
数字地图数据日益广泛的应用有可能使飞行器在 大部分目标地区使用地形辅助导航系统。 目前, 美国 国防测绘局领导着一个国家集团, 每个国家负责建立 本国及有关地区的数字陆地块系统 (DLM S) 的数据档
地形辅助导航系统的关键技术
案。现有的DLM S 数据大约包含 5×108 km 2 的地形数 据。即使 5×108 km 2 不能覆盖全球地形, 在目前尚未 取得数据的地方还可以用自动化方法将纸质地图数字 化, 同样, 也可以用卫星或飞机拍摄的侦察照片来取 得DLM S 数据。
地形辅助导航系统的数据库通常是用美国国防测 绘局的 1 级数字地形标高数据库。 这种数据库来源于 绘制地图和摄影测量数据。 就美国而言, 其数据库先 种高度点构成的格网, 其点间间隔为 3rad·s, 或者是 纬线约为 100 m 和经线略短一些的格网。欧洲目前使 用的数据库是根据大比例地图获得的。 112 数字地图的制作
Keywords rem o te m on iter system , p aging, R S232, R S485, M OD EM
作者简介 毛永毅 男, 博士生, 主要从事通信、 自动控制等方面的研究。
75 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
应用技巧 到初始化。 此时, 不是只用单一的卡尔曼滤波器对系 统状态进行修正, 而是使用一组相同的扩展卡尔曼滤 波器, 其中每个滤波器都在先验不确定性网格村的不 同点上进行初始化。 这样, 滤波器收敛的概率就会显 著提高, 从而使导航性能得到改善。 图 4 给出了该模 式滤波结构。 这些并行的滤波器所采用的都是来自无 线电高度表的同一测量数据, 而每个滤波器所利用的 数字地图位置数据各不相同。对于N 个滤波器可获得 N 个估计值 xδ1, xδ2, …, xδN 。对其做出决策, 可在搜 索阶段获得较为准确的估计位置 x。 5 数字相关器
磁泡存储器是利用单晶的强磁化薄膜或多晶合金 磁膜形成的磁泡制成的存储器件, 其中存储密度可达 116×105 (数字) mm 2。 例如法国 SA GEM 公司在地 形基准系统中采用的 EB S250 磁泡存储卡的存储量可 达 2 M B (字节)。这种存储器的缺点是存储容量有限, 使用起来比较麻烦。 目前使用的数据库存储器在可擦 只读存储器和光盘驱动器之间选择, 对存储器量小一 些的可采用 FLA SH 电子可编程只读存储器。 快速擦
学出版社, 1995 3 M O TO ROL A R ad iu s 发射机操作手册 4 宇龙寻呼发射机操作手册 5 云海寻呼发射机操作手册 6 陆冰霞, 李小白 1 无线寻呼系统 1 北京: 电子工业
出版社, 1997
1 陈粤初等 1 单片机应用系统设计与实践 1 北京航
Abstract R em o te m on iter system of p aging ba se con structed by 89C 52, 89C 2051 and M OD EM is p resen ted1T h is system con sist of the M U X R S232, R S485 and da ta sam p ling system 1 It is cha racterized by sim p le con struction , reliab ility service and econom y1
图 3 自适应地选取拟合区域 8
用平面来拟合地形曲面, 是在数字地图的一小块 区域 8 中进行的。拟合区域 8 取多大, 存在着相当的 技巧。 由于在卡尔曼滤波过程中可实时地获得位置误 差的均方根值 Ρx 和 Ρy , 为使拟合区域 8 的大小具有自 适应性 (即当 Ρx , Ρy 较大时, 将 8 也取大些, 反之亦 然) , 例如可将 8 取为半边长为 115Ρx 和 115Ρy 的矩形 区。 图 3 示出了大卡尔曼滤波过程中自适应地选取拟 合区域 8 的示意图。随着位置误差的减小, 拟合区域 8 也应减小, 以获得最佳的估计精度。 4 多模卡尔曼滤波技术