GPS_IMU组合定位定向系统设计

GPS/IM U组合定位定向系统设计

徐　勇,何秀凤Ξ

(河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏南京210098)

摘　要:介绍了一种组合低成本的GPS和IMU(Inertial Measurement Unit)来获得高精度姿态、位置和速度信息的方法。文中介绍了GPS/IMU组合系统的设计方案及系统的硬件和软件设计,并给出了实验结果。该组合系统将来安装于炮兵测地车后,不仅可以提高测地的精度,而且在采样率、可靠性等方面比单独采用GPS定位的方法更有优势。

关键词:GPS;IMU;组合系统;导航;定位

1　引　言

在未来战争中,由于我军远程火力打击力量不足,炮兵仍将承担大部分的火力支援任务。在影响炮兵火力突击作用发挥的诸多因素中,炮兵测地保障是炮兵组织侦察、决定射击的基础,是炮兵能否提供及时、有效火力支援的重要因素。因此,能否为炮兵提供全天候、实时、快速、准确的测地保障,将直接影响到炮兵火力反应的速度和精度,甚至关系到战斗的成败。

目前我军炮兵的测地保障受测地车、测地器材等条件的限制。由于未来高技术条件下作战全天候、全天时的特点,作战行动将不分昼夜连续实施,但炮兵测地保障由于受测地车的限制,在夜间实施的难度较大。尽管可以引进GPS解决上述问题,但GPS信息受制于人,在发生战争的情况下,应用GPS卫星定位受限制,并且GPS信号容易受到干扰,在动态环境中可靠性差。惯性导航系统是完全自主式的导航系统,不受外界环境的干扰影响,也没有信号丢失等问题。但是惯导系统的误差随时间迅速积累增长。利用GPS和惯导的互补性,我们设计了GPS/IMU组合系统。在接收不到卫星信号时,惯导系统可以独立进行导航定位,当GPS 的信号条件得到改善后,惯导系统又可以向GPS 提供相关的初始位置、速度等信息,以便迅速地重新获取GPS码和载波相位观测值。此外,利用GPS提供的数据作为外部信息频繁地校正惯导系统,可以有效地减弱惯导系统的积累性误差[1-2]。因此,将GPS和惯导综合构成组合系统,是提高炮兵测地保障能力最直接、最有效的途径。

本文设计的GPS/IMU组合系统着眼于提高炮兵测地保障的精度与速度。其特点是采用低成本的固态IMU和GPS接收机组合出高性能的定位定向系统,具有成本低、性能价格比高、应用范围广等优点。

2　炮兵测地车系统

炮兵测地车系统是一种高精度的地面测量系统,主要仪器是定位定向仪。与其配套的有控制显示器、打印机、绘图仪、经纬仪、激光测距机等辅助仪器。可以快速、准确、实时的定位,并具有绘图和导航功能。传统的测地车在系统启动前必须检查直流电源的电压,当不低于22V时则发动汽车,中速运转,使直流电源处于充电状态。系统启动后,在载体静止的情况下,由外界输入停车点的三维坐标来完成初始对准,同时做好绘图仪和打印机的准备。初始准备结束后,即可行车进行测量。在测量的过程中,计算机随时计算测地车的位置,同时将参数信号传输给绘图仪,驱动绘图仪标绘行车路线。在未到零校时间之前,输入已知点的位置,可以是经纬度表示(B,L,H),也可以是高斯坐标表示(X,Y,H);当到了零校间隔时,音响器发出零校准备的信号,测地车停在已知校正点上,进行零速校正,并将有关数据保存在计算机中。零校结束

Ξ收稿日期:2004205220

后,继续行车,到达测点后,对点停车,在需定位的点架设经纬仪,进行测量。在测量的过程中,系统一方面始终保证惯性平台保持与当地地理坐标系的精确对准,另一方面,通过对两个水平加速度计输出的东向加速度和北向加速度两次积分,求得东向及北向位移,从而实现水平定位的目的。垂直方向加速度计的输出减去重力加速度,经二次积分可

得垂直方向位移,实现高程定位。测量结束后,对该测点进行标记,并根据需要,显示位置数据或输出测量结果。同时,打印机自动打印出测点的各种参数,绘图仪绘出测点位置。按同样的程序,继续进行下一点的测量,直至测量结束。系统工作原理如图1

。

图1　测地车工作原理

3　GPS/IMU 组合系统设计

由于传统测地车采用的是平台惯性导航系统,

存在误差随时间积累、停车零速校正等问题,直接影响到炮兵火力反应的速度和精度。因此,将GPS 和惯性导航综合构成组合定位定向系统,是

解决上述问题最直接、最有效的途径。311　GPS/IMU 组合系统设计方案

目前国内外,炮兵测地车组合系统有以下几种设计方案[3]:

∫直接将GPS 接收机输出的信息和惯导组合;∫差分GPS 和惯导组合。即将GPS 卫星的导航信息和差分站的信息,组成差分观测信号,再与惯导组合;

∫多个GPS 天线和惯导组合。即在载体上安

装两副以上的天线,除了接收卫星的信号以外,还在天线之间进行运算处理,获取载体的二维(双天线)或三维(三天线)姿态信息,然后再和惯导组合。

本文研究的测地车GPS/IMU 组合系统,直接取GPS 的原始观测值作为卡尔曼滤波器的量测输入信息。将GPS 观测数据与经过力学编排得到的INS 数据进行同步后送往组合卡尔曼滤波器,组合滤波器给出一组状态变量(位置、速度、姿态角、陀螺漂移、加速度计零漂等)的最优估计值[4]。将这些参数误差的估值反馈回INS ,并重新校正INS (如陀螺漂移、零偏等),经过组合滤波器校正后,即使当GPS 不能正常工作时INS 也可以作精密导航,同时还可利用INS 的定位结果(位置、速度)辅助GPS 接收机快速捕获卫星信号,组合系统结构如图2所示

。

图2　GPS/IMU 组合系统的结构图

这种组合方式的优点是:

∫结构简单、运算精度高、速度快;

∫只需要一个卡尔曼滤波器(不需要对GPS输出信息滤波);

∫可靠性高。当GPS不能正常工作时,可由惯导系统给出各种导航定位参数,保证定位的连续性。

这种组合方式的缺点是增加了与GPS有关的状态量,使得状态方程较复杂,并且卡尔曼滤波器模型的线性假设容易被破坏,难以反映误差的传播过程。为了保证组合系统的精度和可靠性,必须解决好下面几个问题:

①必须对低成本的IMU进行误差补偿。建立误差模型时必须考虑到惯导的器件误差,不能忽略,这在编写滤波算法的时候加以考虑。这部分工作由软件来完成。

②对GPS提供的数据和采集的惯导数据必须进行预处理,才能保证组合系统的精度。软件应该考虑GPS数据受影响的情况,必须进行数据的检验和判别,从而使组合系统正常工作。这部分工作应由软件来完成。

312　卡尔曼滤波方程

卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计,它的估计准则是估计的均方差最小。在计算方法上,它采用递推形式,使计算量大大减小。因而,系统的综合通常是采用卡尔曼滤波技术将两个或两个以上系统的信息融合在一起,估计出系统的各种参数。

组合系统的状态方程和量测方程分别表示为:

X k+1=Φk+1,k X k+Γk+1,k W k

Z k+1=H k+1X k+1+V k+1

组合系统中,15状态卡尔曼滤波器中各状态量分别为:3个姿态、方位误差角(φn,φe,φd);3个速度误差分量(δV n,δV e,δV d);3个位置误差分量(δφ,δλ,δh);3个一阶马尔可夫陀螺偏移分量(εb x,εb y,εb z)和3个加速度计零漂分量( n, e,

d)。按上述顺序各状态量的系统噪声分别取值

0.5、0.02、0.01、0.02和0.02。姿态和位置的量测噪声分别取0.5°和20m。

313　组合系统软硬件设计

组合系统中GPS接收机采用Novatel公司的R T220OEM接收机板。这种接收机不仅具有体积小、功耗低等特点,而且具有高数率数据输出、低数率延迟、快速信号重捕等优势,能输出L1/L2伪距和载波相位观测值,其位置和速度的输出频率可以达到5Hz。值得一提的是这种接收机不仅输出1PPS(1Pulse Per Second)的秒脉冲,而且还输出与1PPS同步的10KHz的同步信号,这为GPS与IMU的组合提供了极大的方便。IMU采用Cross2 bow公司的IMU2400CC,具有体积小、重量轻、耗电少等特点。内部安装三个固态加速度计(100Hz 带宽)和三个固态陀螺仪(10Hz带宽),集成模/数转换,可以直接通过串口输出三个轴向的惯性测量量。

组合系统软件包括:中断处理、数据采集与预处理、惯导算法、卡尔曼滤波及系统校正等模块。系统软件框图如图3所示。

∫数据采集与预处理:IMU三个陀螺仪和三个加速度计直接输出6个惯性测量量,以硬件中断的方式触发计算机中断,计算机响应此中断后,就迅速采用查询方式对陀螺和加速度计进行采样,采样后根据需要进行姿态更新、速度或位置运算。计算机对GPS数据的采集也是采用中断方式。对采集的数据首先进行平滑滤波,然后提供给导航软件进行导航计算。

∫惯导算法:采用四元数法求解姿态矩阵,能避免欧拉角法的退化现象,并且解算矩阵微分方程时计算量比方向余弦法少。

∫卡尔曼滤波:以载波相位双差为观测量进行载波相位双差组合。

∫系统校正:根据卡尔曼滤波对系统误差的估计。对速度、位置及传感器的误差可以直接进行补偿,而对于姿态误差的补偿则要求将卡尔曼滤波器估计的平台误差角经过一定的变换才能实现。