引言

　　無人飛機與載人飛機相比，它具有體積小,、造價低,、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低,、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)點,，備受世界各國軍隊的青睞。無人駕駛飛機以其準確,、高效和靈便的偵察,、干擾、欺騙,、搜索,、校射及在非正規(guī)條件下作戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)能力，發(fā)揮著顯著的作用,，并引發(fā)了層出不窮的軍事學(xué)術(shù),、裝備技術(shù)等相關(guān)問題的研究。

　　高空長航時無人機的飛行高度利于觀測星體,，為此,，考慮在慣性/SAR組合基礎(chǔ)上，采用慣性導(dǎo)航和星光組合,，可以為SAR成像提供高精度的姿態(tài)信息,，提高SAR成像質(zhì)量。

　　本文以長航高空無人機成像期間對導(dǎo)航高精度要求為應(yīng)用背景,，開展了基于SAR輔助的慣導(dǎo)/星光組合導(dǎo)航研究,，結(jié)合SAR工作的非連續(xù)特性，設(shè)計了SAR/慣導(dǎo)/星光組合導(dǎo)航定位方案,，提出了非同步輸出多傳感器異步集中卡爾曼濾波算法,，可有效提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)的自主性和精度。

　　1卡爾曼濾波器設(shè)計

　　設(shè)位移s時,，飛機的位置坐標為X（s）,，對于不同的位移值，均有一個X（s）值與之對應(yīng),，當取樣位移不間斷變化時,，就得到位置坐標序列{X（s）,，X（s+1）……}，飛機位置預(yù)測序列{X（s+1）,，X（s+2）……}，該序列是系統(tǒng)噪聲等驅(qū)動的一階遞歸模型,，在x軸方向推導(dǎo)狀態(tài)方程如下：

　　測量方程如下：

　　Zx（s）為s位移時飛機坐標x軸向的測量值,。

　　H為測量參數(shù)，它是由測量系統(tǒng)和測量方法所確定,，不隨位移變化的一個常數(shù),，因為是單模型，取為1,，V（s）為測量噪聲,。

　　均方估計誤差為Px（s+1）=E[Xx（s+1）—Xx（s）]2，在均方估計誤差為最小的準則下,，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo),，即可得出飛機自動控制的卡爾曼濾波公式，如下：

　　預(yù)估計方程：

　　計算卡爾曼濾波增益,，得：

　　均方預(yù)測誤差方程：

　　同理,，可以推導(dǎo)y，z軸向的狀態(tài)方程,，則飛機位置的狀態(tài)方程如下：

　　卡爾曼濾波是以預(yù)測加修正來實現(xiàn)濾波遞推的,，其這個性質(zhì)，很容易通過計算機仿真實現(xiàn),，從而可以完成對飛機位置的預(yù)測,，預(yù)估計方程：

　　同時，與地面基站雷達測量值進行比對,，調(diào)飛機因為機械振動等原因造成的位移偏差,，其濾波模型為：

圖1卡爾曼濾波的系統(tǒng)模型框圖

　　2SAR輔助的慣導(dǎo)/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)

　　SAR圖像導(dǎo)航雖然具備較高的定位精度和自主性，但是其成像時僅能部分時段工作,，而且對系統(tǒng)的姿態(tài)水平精度要求較高,，而基于星敏感器的星光導(dǎo)航系統(tǒng)具有很高的姿態(tài)測定精度，因此,，在采用慣導(dǎo)/星光姿態(tài)組合的同時,，分時段地接入SAR圖像導(dǎo)航信號，能夠保證系統(tǒng)具有較高的定位精度和定姿精度,?？紤]到SAR圖像導(dǎo)航僅能分時段工作，在實際應(yīng)用過程中主要根據(jù)任務(wù)需要接入SAR圖像導(dǎo)航系統(tǒng),，本文設(shè)計了如圖2所示的基于SAR輔助的慣導(dǎo)/星光姿態(tài)組合導(dǎo)航系統(tǒng),。

　　將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星定位,、地理信息系統(tǒng)、里程儀組合構(gòu)成的導(dǎo)航定位系統(tǒng),，既具有慣性導(dǎo)航的自主性,、實時性又具有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高精度、誤差無積累等優(yōu)點,，有效地克服了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差和漂移誤差,，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)多用光學(xué)陀螺,、機械陀螺和加速度表構(gòu)成捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航,，以地理信息匹配、衛(wèi)星定位信息,、里程計信息等為輔,，慣導(dǎo)信息為主，采用卡爾曼濾波技術(shù)實現(xiàn)信息的最優(yōu)綜合以獲得最佳的導(dǎo)航定位參數(shù),。

圖2基于SAR輔助的慣導(dǎo)/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)

　　從圖1可以看出：SAR輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)由按照任務(wù)需要可以靈活接入的SAR圖像導(dǎo)航,、慣導(dǎo)/星光姿態(tài)組合導(dǎo)航部分和地面基站雷達跟蹤系統(tǒng)三部分構(gòu)成，激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)組合最主要的特點是采用了激光陀螺技術(shù),，與機械陀螺相比,，激光陀螺無需模數(shù)轉(zhuǎn)換脈沖輸出，是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的理想元件,，而且構(gòu)成捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性敏感元件直接與載體相連,，省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機械平臺，因而較機械慣導(dǎo)系統(tǒng)體積小,、重量輕,、可靠性高；此外激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)組合還具有抗干擾能力強,、啟動時間短等技術(shù)特點,，符合飛機快速飛行以及在強電磁干擾背景下精確定位的實際需求，在導(dǎo)航精度,、環(huán)境適應(yīng)能力,、可靠性等方面可以很好地滿足了使用要求。雷達跟蹤系統(tǒng)導(dǎo)航輸出通過無線模塊發(fā)送給無人飛機,，其信號與組合導(dǎo)航輸出的信號構(gòu)成反饋信號,。系統(tǒng)綜合運用激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)、光學(xué)測距測角,、衛(wèi)星定位,、無線通信、數(shù)字地圖和地理信息處理,，基站式雷達跟蹤等多項技術(shù),，采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)和自主式快速標定方法,。

　　3具體實現(xiàn)

　　飛機首先通過激光陀螺組合定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)實現(xiàn)絕對位置、方向基準的建立和動態(tài)保持,，并結(jié)合地面基站的雷達系統(tǒng)定位結(jié)果進行誤差消除,，具體實現(xiàn)過程描述如下：

　　（1）絕對位置和方向基準的確定：飛機處于停機狀態(tài),，組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)尋北,、初始對準，通過激光陀螺,、加速度計分別測量地球自轉(zhuǎn)角速度矢量與重力場矢量方向，根據(jù)所在緯度區(qū)域,，確定真北方向,。位置基準的確定是利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、數(shù)字地圖或地理信息得到的,。

　?。?）位置和方向基準的動態(tài)保持：組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)尋北、初始對準完成后,，進入定位定向?qū)Ш綘顟B(tài),。在飛機飛行過程中，實時測量激光陀螺載體在慣性空間中的姿態(tài),，從而可計算出慣性組合坐標系與當?shù)厮降乩碜鴺讼档霓D(zhuǎn)換關(guān)系,，實現(xiàn)動態(tài)方向基準保持。同時,，利用里程儀信息實現(xiàn)組合導(dǎo)航,，確定飛機的位置變化。

　?。?）地面基站實時定位導(dǎo)航：地面設(shè)置多個基站,，基站負責(zé)對飛機實時定位，并通過無線模塊將位置信息和速度信息發(fā)送給飛機,。

　?。?）誤差消除：SAR輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出與地面雷達定位輸出形成定位誤差和速度誤差，將定位誤差作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入,，形成一個閉環(huán)系統(tǒng),，進行誤差的消除。誤差消除過程中最關(guān)鍵的問題在于解決多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)存在SAR和星光信息的輸出不同步的問題,，為此采用異步集中卡爾曼濾波器處理不同頻率信息的同步問題,。

　　4結(jié)論

　　飛機導(dǎo)航定位工作主要由組合定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)完成，組合導(dǎo)航系統(tǒng)實時閉環(huán)輸出位置和姿態(tài)信息,，為飛機提供精確的方向基準和位置坐標,，同時實時根據(jù)姿態(tài)信息對飛機飛行狀態(tài)進行預(yù)測,。組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機,、組合導(dǎo)航計算機,、里程計、高度表和基站雷達系統(tǒng)等組成,。結(jié)合了SAR圖像導(dǎo)航的定位精度,、自主性和星敏感器的星光導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測定精度，從而保證了無人飛機的自主飛行,。