单兵自主导航技术研究

0 引言

在现代战争中，尤其是在空中打击之后的地面进攻、巷战、反恐等作战行动中，单兵导航装备对于辅助士兵任务完成、保障其生命安全具有重要的作用。目前，单兵导航装备的核心是卫星导航系统。卫星导航系统能够为武器装备提供高精度的定位、导航与授时信息，但其信号易被干扰，难以到达室内、丛林及水下等区域，导航卫星存在被攻击的危险。因此，在现代战争中，卫星导航系统既不可或缺，又不能过于依赖。

惯性导航系统具有自主、实时、连续、不受干扰等突出特点，可解决各类武器平台及导弹等大型武器装备对自主导航的需求，但难以满足单兵导航对精度、体积、重量、功耗以及成本的苛刻限制，也难以满足高速旋转导弹、制导炮弹、微型无人装备等比较特殊的需求。

针对卫星导航系统不可用情况下武器装备对定位、导航与授时信息的需求，美国DARPA于2010 年启动了 MicroPNT［1－2］计划，通过研制微型陀螺、微型加速度计、微型原子钟并予以高度集成，来实现小体积、高精度的自主定位、导航与授时系统，其实质是一种基于现代最新科技的微型惯性导航系统，在技术上极具挑战性。单兵导航是MicroPNT计划重点研究的方向之一。需要说明的是，目前解决单兵导航问题的方法还有射频定位技术［3］，但其与卫星导航系统同样不具备自主性，作者认为，惯性技术是单兵导航的最终解决方案。本报告依次论述了单兵自主导航的基本方案、关键技术、试验情况及发展前景，希望为我国单兵导航技术乃至MicroPNT技术的发展提供参考。

1 基本方案

本部分介绍单兵自主导航系统的基本原理、系统组成和基本算法。

1.1 基本原理

惯导系统应用于测地车时，常采用间隔一定时间的零速修正来实现高精度定位测量;若采用导航级的惯导系统，在10 min间隔零速修正下定位精度能够达到5 m（CEP）的精度，在5 min间隔零速修正下定位精度能够达到2～3 m（CEP）的精度。采用更高精度的惯导系统或者缩短零速修正间隔时间，都能够有效的提高定位精度。

单兵自主导航技术的实现基于这样一个事实:人在行走过程中，脚部着地瞬间的速度为零;若在脚部适当的位置安装一套惯导系统，则这一瞬间的零速可用来修正惯导的导航误差，也就是可以进行零速修正［4－6］。尽管目前体积和重量能够满足脚部安装的惯导系统 （目前只有微机电惯导系统合适）精度较差，但由于零速修正间隔时间非常短，因此，仍有望实现很高的定位精度。这就是单兵自主导航技术的基本原理。

1.2 系统组成

基于上述原理的单兵自主导航系统至少包括一套可以嵌在鞋中的微型惯导系统和一台便携式显控系统;为便于实际应用，还应有监控指挥系统来实现统一的作战指挥。因此，完整单兵自主导航系统应具有定位、便携显控、监控指挥三大功能，相应的，产品包括微惯性导航系统 （下称“微惯导”）、便携式显控系统 （下称“显控”）和综合监控指挥系统 （下称“监控”）三部分，如图1所示。

微惯导主要由微机电陀螺、微机电加速度计、处理器、接口控制等部分组成，此外，还可以集成磁力计、气压计以及卫星接收机芯片等，以获得更为丰富的导航资源。显控可采用一般的PDA或手机，实时接收和显示微机电惯导系统发送来的定位信息和原始数据，同时将定位信息经由无线网络发送给监控，并接收后者的指令;显控与惯导之间可采用有线方式连接，从而更好的保障惯导的电源;导航解算也可以在显控中完成，因为后者具有更强的运算能力。监控可采用具有无线通讯功能的笔记本，接收并显示各单兵显控发送来的定位信息，并通过无线通讯对各单兵实施指挥。实际应用时，惯导、显控以及监控需要相互配合，共同实现单兵定位功能，如图2所示。

图2 单兵定位系统应用模拟图Fig.2 Simulation of navigation system of individual soldier

图1 个人导航系统组成结构图Fig.1 Structure of navigation system of individual soldier

1.3 基本算法

单兵自主导航技术的算法主要包括初始对准、导航解算、零速检测、滤波修正四部分。

（1）初始对准技术

初始静止一定时间，由水平方向的两个加速度计输出可完成水平对准，计算公式为

式中:g0为重力加速度;fxs、fzs为x向、z向加速度计输出，s代表系统坐标系;θ、γ为导航系统的俯仰角和滚动角;为俯仰角和滚动角估算值。初始航向角可采用磁力计提供的磁航向角装订，或者直接装订为0，后续的导航都是相对初始位置和初始方位来进行的。

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0717/747.html