高空长航时无人机( HALE U AV )是一种飞行高度在10 000 m以上,续航时间至少12 h,能昼夜持续空中侦察监视的无人驾驶飞机。高空长航时无人机具有长时间持续侦察监视并截获和收集目标区域的完整情报、观察地面目标分辨率高、成本低、安全性好、灵活性强等特点。
高空长航时无人机特殊的任务使命和运行环境要求其导航系统必须能够长时间地保持较高的精度并且在可能出现的电子对抗等恶劣环境中保持较高的可靠性。本文从我国国情出发,对捷联惯性导航系统( SIN S)、全球定位系统( GPS)、北斗卫星导航系统( BDSN S)和大气数据系统( ADS)在高空长航时无人机导航系统中应用的可行性进行了探讨,在此基础上提出了基于自适应联邦滤波的SIN S /GPS /BDSN S /ADS组合导航系统方案,建立了组合导航系统的状态方程和量测方程,给出了自适应联邦滤波算法,并设计开发了组合导航仿真系统。
1 高空长航时无人机导航系统方案
捷联惯性导航系统是一种完全自主的导航系统,具有隐蔽性好、不受气象条件和电子环境限制、短时间导航精度高、导航信息完备、数据刷新率高、实时性好等优点,在航空、航天、航海和许多民用领域得到了广泛应用,已成为目前各类载体首选的一种导航设备。其主要缺点是导航误差随时间积累、高精度惯性传感器价格昂贵等。组合导航是目前解决系统导航误差随时间积累、降低成本的一种行之有效的主要手段。
鉴于捷联惯性导航系统和全球定位系统具有很好的优缺点互补特性, SINS /GPS组合导航技术已经成为近年来导航领域的研究热点。但是, GPS受美国控制,可能在非常时期被关闭或限制使用,同时GPS的导航精度和可靠性与载体的动力学特性及信号的通视性有关,抗干扰性能差,这给SIN S /GPS组合导航系统的可靠使用带来了巨大的安全隐患。因此, GPS 只能作为组合导航系统的辅助设备之一,用于提高系统的导航精度,另外还需要其它导航设备以保证系统的可靠性。
北斗卫星导航系统( BDSNS)是我国自行研制的区域性卫星导航系统,具有完全的自主知识产权,作为一种全天候、高精度的卫星导航系统,其导航精度与GPS相当。跟GPS一样,捷联惯性导航系统和北斗卫星导航系统同样具有很好的优缺点互补特性。因此,将捷联惯性导航系统和北斗卫星导航系统进行组合不仅能够提高系统的导航精度,而且还能为系统可靠运行提供保障。大气数据系统( ADS)利用安装在载体外侧的压力传感器、总温传感器和攻角传感器测量载体周围流场的动压、静压、总温和攻角,并将这些信息送到计算机中进行解算,得到载体的气压高度和速度等导航信息,是北斗卫星导航系统很好的补充。大气数据系统属于自主导航系统,可靠性高,不受高度、地形等因素的影响,是一种较为理想的辅助导航设备。
综上所述,为了满足高空长航时无人机对导航系统提出的精度和可靠性等性能指标要求,需要设计一个SIN S /GPS /BDSN S /ADS组合导航系统。目前,在组合导航系统中常用的信息融合算法有集中滤波、分散滤波和联邦滤波等。在综合考虑了高空长航时无人机导航系统的任务要求之后,本文选用了自适应联邦滤波算法作为SIN S /GPS /BDSNS /ADS组合导航系统的信息融合算法,各局部滤波器先独立地进行时间更新和量测更新,然后进行故障检测,若第i 个局部滤波器发生故障,则对第i 个子系统进行隔离并重构系统,若无故障,则送入主滤波器进行信息融合处理,得到全局估计。
2 自适应联邦滤波算法
考虑到系统运行环境的动态变化对各个子系统工作状况的影响,本文采用自适应联邦滤波算法作为SINS /GPS /BDSNS /ADS组合导航系统的信息融合算法。自适应联邦滤波算法的特点在于能够自适应地确定信息分配系数,使精度较高的子系统所对应的局部滤波器获得较大的信息分配系数,同时使精度较低的子系统所对应的局部滤波器获得较小的信息分配系数,从而改善整个滤波器对状态的估计能力,具体算法如下
( 1) 状态重置和信息分配
利用全局估计重置各局部滤波器的状态,并将状态方程信息和状态估计信息根据信息分配系数分配到各局部滤波器和主滤波器, 自适应确定信息分配系数的一般方法有3种,本文采用通过实时提取各局部滤波器和主滤波器得到的协方差矩阵的迹来确定信息分配系数的方法,
( 2) 时间更新
各局部滤波器和主滤波器独立地进行时间更新
( 3) 量测更新
主滤波器没有量测,因此只需在各局部滤波器中进行量测更新
( 4) 信息融合
将各局部滤波器和主滤波器得到的估计和协方差矩阵进行融合处理,得到全局估计和协方差矩阵
3 仿真
在仿真计算中各个导航设备的相关误差参数如表1所示。参考RQ-4A全球鹰高空长航时无人机的相关参数,设计了飞行航迹、包含直线平飞、爬升、转弯、S机动、盘旋等飞行模式,最大飞行高度约为20 000 m,飞行速度约为206 m /s,飞行时间为1 800 s。
为了分析系统的导航性能以及对GPS的依赖性,假设在900 s到1 200 s之间的这段时间GPS被关闭或限制使用,针对这一情况,本文利用所开发的组合导航仿真系统在SINS /GPS组合模式和SIN S /GPS /BDSN S /ADS组合模式下分别进行了仿真计算,并获得了在不同组合模式下位置误差、速度误差和姿态角误差的对比曲线。限于篇幅,文中仅给出部分仿真计算结果
从仿真计算结果来看,与SIN S /GPS组合模式相比, SIN S /GPS /BDSN S /ADS组合模式由于增加了北斗卫星导航系统和大气数据系统,引入了更多的位置和速度信息,使得信息冗余度得到了增强,同时采用了自适应联邦滤波结构,从而提高了系统的导航精度,并大大改善了系统的可靠性和容错性。SIN S / GPS组合模式对GPS的依赖性较强, 一旦GPS被关闭或限制使用,系统的导航误差立即迅速增大, 以至于无法完成导航任务, 而SINS /GPS /BDSN S /ADS组合模式则基本不受GPS被关闭或限制使用的影响。
4 结 论
本文以高空长航时无人机为研究背景,从我国国情出发,提出了基于自适应联邦滤波的SIN S /GPS /BDSN S /ADS组合导航系统方案,并设计开发了组合导航仿真系统。仿真计算结果表明该系统具有较高的导航精度和良好的可靠性,为高空长航时无人机导航系统的研制和开发提供了理论和技术支持。
