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【摘要】本文通過對科學考察船只的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向的闡述，使讀者進一步認識到船載定位定向系統(tǒng)的組成、功能、及實際應用。并通過應用案例，來說明姿態(tài)方位組合導航系統(tǒng)在船載定位定向領域的突破，其高精度、高動態(tài)的性能推動著科考船的進一步發(fā)展，也使得船載定位定向系統(tǒng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，開辟了中國定位導航領域的新紀元。
項目背景
隨著科技水平的不斷提高，人們對環(huán)境的監(jiān)測及探索行為不斷的增多。從古代的鄭和下西洋，到我國*艘“極地號”科考船*航行，再到現(xiàn)在我國極地科考船“雪龍?zhí)?rdquo;的多次成功完成極地考察任務，人們對海洋及極地的探索在不斷的升級。
而伴隨著科考環(huán)境范圍的擴大，次數(shù)的增加，以及對科考結果要求的提高，使得科考船及其相關的配套設備也要不斷的升級。尤其隨著科考所深入環(huán)境的不斷惡劣，對科考船只及人員安全保障也更為顯得重要。因此，各國都在極力的發(fā)展著自己的科考船只及其配套設備。
隨著近些年各國對科學考察的重視，科考船及其配套設備的發(fā)展十分迅速。我國在這方面的研究也取得了巨大的成果，雪龍?zhí)柕亩啻纬晒ν瓿蓸O地考察的案例，足以說明我國在科考裝備研究領域已經(jīng)達到了比較*的水平。
*，船只航行或者在陌生環(huán)境進行探索，zui重要的就是對自身位置及行進方向的判斷，經(jīng)使用證實，傳統(tǒng)的陀螺尋北儀、羅盤等測量航向的設備，因為其易受外界環(huán)境的影響，抗*力差，而且有積累誤差，可以滿足一般的定向要求，但是對于極地科考的定向問題，就很難保證實時、準確的航向信息了。這也是科考隊zui為重視的因素。因此，科考船只也好，科考車輛也好，其定位定向系統(tǒng)的性能往往直接影響到任務的完成情況以及科考過程中的人身安全。
北京星網(wǎng)宇達科技開發(fā)有限公司自主開發(fā)的XW-ADU系列產(chǎn)品成功*了國內(nèi)在GPS高精度動態(tài)定位定向方面的空白，“雪龍?zhí)?rdquo;正是多次采用此公司ADU系列產(chǎn)品，實現(xiàn)了高精度的位置及航向的控制，為其成功完成任務起到了巨大的作用。也同時證明，我們有能力使用國產(chǎn)定位定向產(chǎn)品實現(xiàn)各種考察及監(jiān)測任務。下面將重點介紹北京星網(wǎng)宇達公司XW-ADU系列產(chǎn)品的組成及特點。
系統(tǒng)簡介
傳統(tǒng)的單GPS定位系統(tǒng)，雖然能夠準確的計算出載體當前的位置，但是確不能有效的給出實時的方向信息，也就是無法給出載體當前的航向，因此，使用者只能選擇傳統(tǒng)的羅盤和陀螺尋北儀等來進行航向測量，這樣就無形當中增加了成本，也增加了系統(tǒng)管理控制的難度。另外，傳統(tǒng)的陀螺尋北儀不但成本高、動態(tài)性差而且操作復雜；磁羅盤雖然操作簡單，但是精度不高、響應慢、不易安裝、抗*力差，在有外界強磁場的干擾下誤差比較大。
為了克服上述的種種問題，星網(wǎng)宇達公司經(jīng)過多年的實踐，繼承前人的經(jīng)驗，終于自主研發(fā)了XW-ADU系列產(chǎn)品。
系統(tǒng)使用兩個GPS接收機和慣性測量單元作為核心傳感器，通過載波相位差分技術和快速求解整周模糊度技術，計算出運動載體的航向角及位置信息。由于系統(tǒng)中集成了IMU慣性測量系統(tǒng)，因此，在GPS信號受到干擾后，通過慣性測量單元的保持，在一段時間內(nèi)，系統(tǒng)仍可以輸出高精度的數(shù)據(jù)?？梢哉fXW-ADU系列產(chǎn)品充分發(fā)揮了GPS精度高、無積累誤差、無漂移和慣性產(chǎn)品動態(tài)性能好、抗*力強、不需外部信號源就能自主工作等特點，提高了系統(tǒng)整體的姿態(tài)方位測量精度、導航精度及實時跟蹤對準性能。
2.1 系統(tǒng)組成
（1） 天線（2個）
（2）嵌入式*處理單元
（3）高精度GPS接收模塊
（4）接口
2.2 工作原理簡介
本系統(tǒng)在GPS高精度定位的基礎上，采用兩個高精度高動態(tài)的GPS接收機作為衛(wèi)星信號傳感器，利用主天線與次天線之間的距離（即基線距離）這一已知量再加上天線所接到的衛(wèi)星的星歷等信息，通過載波測量技術和快速求解整周模糊度等*的算法，計算出載體當前的航向角度，而且同時還可輸出俯仰角度、位置、速度及UTC時間等時間。使使用者得到更多、更全面的數(shù)據(jù)，不僅可以進一步提高工作效率，更在zui大程度上保證了載體的安全運行。
其原理框圖如下：
3. XW-ADU5600在科考船上應用實例
XW-ADU5600姿態(tài)方位測量系統(tǒng)由北京星網(wǎng)宇達科技開發(fā)有限公司研制開發(fā)，該系列產(chǎn)品以雙GPS定向為基礎，主要用于解決船只航行時高精度偏航角的需求，并且提供UTC時間、經(jīng)度坐標、緯度坐標、海拔高度、瞬時速度等信息；帶有IMU系統(tǒng)的ADU產(chǎn)品還可以提供高精度的姿態(tài)信息。
XW-ADU5600技術參數(shù)：
| 系統(tǒng)精度 | 航向精度 | 0.1°（2m基線）0.05°（4m基線） 0.025°（8m基線） | |
| 姿態(tài)精度 | 橫滾 | 0.2° （靜 態(tài)） 1° （動態(tài)） | |
| 俯仰 | 0.2°（2m基線） 0.1°（4m基線） 0.05°（8m基線） | ||
| 位置精度 | 0.3m CEP DGPS； ＜2m CEP autonomous, no SA | ||
| 速度精度 | 0.02m/s | ||
| 數(shù)據(jù)更新率 | 100Hz | ||
| 主要器件性能 | 陀螺 | 量 程 | ±100°/s （±200°/s 可選） |
| 零 偏 | ≤0.08°/S | ||
| 零偏穩(wěn)定性 | ≤0.05°/S | ||
| 零偏重復性 | ≤0.05°/S | ||
| 加速度計 | 量 程 | ±10g （±2g 可選） | |
| 零 偏 | ≤0.005g | ||
| 零偏穩(wěn)定性 | ≤0.001g | ||
| 零偏重復性 | ≤0.002g | ||
| GPS | 定位精度 | 2m | |
| 速度精度 | 0.02m/s | ||
| 授時精度 | 50ns | ||
| 接口 特性 | 接口方式 | RS-232/485 | |
| 波特率 | 115200 | ||
| 物理 指標 | 供電電壓 | 12VDC額定（9～15V） | |
| 工作溫度 | -40℃～+85℃ | ||
| 物理尺寸 | 132*68*79mm | ||
| 重量 | 775g | ||
3.2 產(chǎn)品安裝
產(chǎn)品安裝于艦船尾部的直升機控制室。將天線安裝到控制室的zui高處以保證能夠接收到良好的GPS信號；并且使兩個GPS天線形成的連線與船體中軸線重合或者平行。如果安裝出現(xiàn)較大誤差會引起所測得的偏航角與船體實際指向的固定偏差。
GPS天線安裝位置
將IMU單元（根據(jù)產(chǎn)品不同外形會有所變化）安裝到控制室內(nèi)，并保證IMU單元的Y軸與艦船中軸線、兩個GPS天線形成的連線重合或者平行。如果安裝出現(xiàn)較大誤差將引起GPS坐標系與IMU坐標系不重合，造成系統(tǒng)精度下降或工作不正常。
將各單元線纜連接到主機單元相應接口中，IMU單元線纜連接到檢測口，打開顯示設備，接通主機電源，等待系統(tǒng)初始化完成；輸入兩個GPS天線相位中心之間的距離（事先測量好）；待系統(tǒng)狀態(tài)提示GPS定向時觀察偏航角是否與船頭方向一致，如果不一致請關閉主機單元并將前天線與后天線線纜位置對換；再次接通電源，系統(tǒng)正常工作。
系統(tǒng)正常工作截圖
艦船在雨中航行
3.4 測試數(shù)據(jù)
此系列產(chǎn)品曾隨我國科考船遠赴南北兩極，途經(jīng)不同的緯度地區(qū)都能穩(wěn)定工作。經(jīng)實際應用證明，該系列產(chǎn)品*可以滿足船載系統(tǒng)需求。能夠在高溫、低溫、高動態(tài)、高鹽霧、高濕度的苛刻環(huán)境中連續(xù)正常工作。
4. 應用結論
姿態(tài)方位組合導航系統(tǒng)憑借著高動態(tài)、高精度、抗*力強等優(yōu)點，能夠實時準確的給載體提供航向、姿態(tài)及位置信息。其使用不但簡單方便，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，為科學研究及高精度導航提供了準確的信息保證。
IMU單元封裝位置關鍵詞：加速度計
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