姿态方位组合导航系统在科考船上的应用———姿态方位组合导航系

【摘要】本文通过对科学考察船只的现状及未来的发展方向的阐述，使读者进一步认识到船载定位定向系统的组成、功能、及实际应用。并通过应用案例，来说明姿态方位组合导航系统在船载定位定向领域的突破，其高精度、高动态的性能推动着科考船的进一步发展，也使得船载定位定向系统实现了国产化，开辟了中国定位导航领域的新纪元。
   
  项目背景
  随着科技水平的不断提高，人们对环境的监测及探索行为不断的增多。从古代的郑和下西洋，到我国第一艘“极地号”科考船环球航行，再到现在我国极地科考船“雪龙号”的多次成功完成极地考察任务，人们对海洋及极地的探索在不断的升级。
  而伴随着科考环境范围的扩大，次数的增加，以及对科考结果要求的提高，使得科考船及其相关的配套设备也要不断的升级。尤其随着科考所深入环境的不断恶劣，对科考船只及人员安全保障也更为显得重要。因此，各国都在极力的发展着自己的科考船只及其配套设备。
  随着近些年各国对科学考察的重视，科考船及其配套设备的发展十分迅速。我国在这方面的研究也取得了巨大的成果，雪龙号的多次成功完成极地考察的案例，足以说明我国在科考装备研究领域已经达到了比较先进的水平。
  众所周知，船只航行或者在陌生环境进行探索，最重要的就是对自身位置及行进方向的判断，经使用证实，传统的陀螺寻北仪、罗盘等测量航向的设备，因为其易受外界环境的影响，抗干扰能力差，而且有积累误差，可以满足一般的定向要求，但是对于极地科考的定向问题，就很难保证实时、准确的航向信息了。这也是科考队最为重视的因素。因此，科考船只也好，科考车辆也好，其定位定向系统的性能往往直接影响到任务的完成情况以及科考过程中的人身安全。
  北京星网宇达科技开发有限公司自主开发的XW-ADU系列产品成功填补了国内在GPS高精度动态定位定向方面的空白，“雪龙号”正是多次采用此公司ADU系列产品，实现了高精度的位置及航向的控制，为其成功完成任务起到了巨大的作用。也同时证明，我们有能力使用国产定位定向产品实现各种考察及监测任务。下面将重点介绍北京星网宇达公司XW-ADU系列产品的组成及特点。
  
  
  系统简介
  传统的单GPS定位系统，虽然能够准确的计算出载体当前的位置，但是确不能有效的给出实时的方向信息，也就是无法给出载体当前的航向，因此，使用者只能选择传统的罗盘和陀螺寻北仪等来进行航向测量，这样就无形当中增加了成本，也增加了系统管理控制的难度。另外，传统的陀螺寻北仪不但成本高、动态性差而且操作复杂；磁罗盘虽然操作简单，但是精度不高、响应慢、不易安装、抗干扰能力差，在有外界强磁场的干扰下误差比较大。
  为了克服上述的种种问题，星网宇达公司经过多年的实践，继承前人的经验，终于自主研发了XW-ADU系列产品。
  系统使用两个GPS接收机和惯性测量单元作为核心传感器，通过载波相位差分技术和快速求解整周模糊度技术，精确计算出运动载体的航向角及位置信息。由于系统中集成了IMU惯性测量系统，因此，在GPS信号受到干扰后，通过惯性测量单元的保持，在一段时间内，系统仍可以输出高精度的数据。可以说XW-ADU系列产品充分发挥了GPS精度高、无积累误差、无漂移和惯性产品动态性能好、抗干扰能力强、不需外部信号源就能自主工作等特点，提高了系统整体的姿态方位测量精度、导航精度及实时跟踪对准性能。
  2.1 系统组成
    (1) 天线（2个）
  （2）嵌入式中央处理单元
  （3）高精度GPS接收模块
  （4）接口
  2.2 工作原理简介
  本系统在GPS高精度定位的基础上，采用两个高精度高动态的GPS接收机作为卫星信号传感器，利用主天线与次天线之间的距离（即基线距离）这一已知量再加上天线所接到的卫星的星历等信息，通过载波测量技术和快速求解整周模糊度等独特的算法，精确计算出载体当前的航向角度，而且同时还可输出俯仰角度、位置、速度及UTC时间等时间。使使用者得到更多、更全面的数据，不仅可以进一步提高工作效率，更在最大程度上保证了载体的安全运行。
  其原理框图如下：
  
  
  3. XW-ADU5600在科考船上应用实例
  XW-ADU5600姿态方位测量系统由北京星网宇达科技开发有限公司研制开发，该系列产品以双GPS定向为基础，主要用于解决船只航行时高精度偏航角的需求，并且提供UTC时间、经度坐标、纬度坐标、海拔高度、瞬时速度等信息；带有IMU系统的ADU产品还可以提供高精度的姿态信息。
         XW-ADU5600技术参数：

系统精度