基于RFID的车载定位定向技术研究与应用

陈 思，仲启媛，谭立龙，王 鹏，张彦涛

(火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

发射车车载定位定向技术是实现导弹无预设阵地机动发射的关键技术，本质是指车载导航系统在发射车行进过程中实时提供精确的经纬度、高程、北向方位角和姿态角等导弹瞄准与发射所需的基本信息[1]。基于作战应用的车载定位定向系统要求具有自主性、快速性、精确性和抗干扰性。从国内外发展历程上看，捷联惯导系统(SINS)凭借其完全自主性和实用性得到广泛认可，但由于误差随时间累积而不能长时单一使用[2]；最初采用零速修正或地标点停车修正方式[3]的车载导航因其削弱了车载发射的机动性不被青睐；采用捷联惯导(SINS)/GPS组合导航系统[4]虽然抑制了误差发散，但GPS信号易受遮挡且技术被他国控制，因此不能作战使用，即使采用国产北斗定位也存在卫星信号被干扰等类似问题；采用地图匹配技术[5]辅助有一定效果，但存在地图精度要求高、数据处理技术也有较高要求等问题；SINS/里程计(OD)组合导航采用航位推算技术自主性好，误差发散得到一定程度抑制，但由于车轮空转、打滑等导致长时导航误差也较大[6]。

近年来，物联网技术迅猛发展，带动了射频识别技术(RFID,Radio Frequency Identification Devices)快速提升与应用。RFID利用射频信号将储存于标签内的信息传送给RFID阅读器，是一种新兴的识别与定位手段，具有构造简单、寿命长、抗恶劣环境、非接触、快速、安全、准确、价廉(军用标签10美分左右)等优势[7]。近年来军用射频标签被应用于军事物流、军车定位等领域，尤其是近期美国在全源定位与导航项目(ASPN)中将RFID作为一种重要的传感器，但没有详细公开具体使用方式[8]。在发射车作战区域内设置射频定位系统，辅助车载定位定向，具有可期的前景。

1 RFID定位系统的设计

1.1 RFID工作原理

RFID由标签、阅读器、天线3部分组成，标签存储数字信息，读写器控制射频模块通过天线发射射频信号，读取对应标签信息，如图1所示。RFID可识别高速运动物体,能够穿透塑料等材质进行识别并可同时识别多个标签[9]。

1.2 发射车利用RFID定位方案设计

标签分为无源标签和有源标签，鉴于作战使用采用无源标签并进行加密处理；阅读器可采用超高频阅读器，其识别标签并读取内置信息时间为几十毫秒；识别距离可根据需求调节选用功率，几十米内的识别距离均可选。

1.2.1 路面铺设射频标签法

射频标签铺设于车道路面中央，标签内储存该位置地理信息代码(经纬度、高程等)，阅读器安装在发射车底部，车辆通过标签上方时，识别读取传送至车载计算机，迅速与车载惯性导航系统定位信息进行融合处理。考虑到碾压破坏等问题，可采用凹陷下沉或镶嵌在反光路钮内侧的方法，如图2所示。

阅读器的安装有多种方式，为了满足后文辅助初始对准需求，采用垂直向下识别型进行分析。该方式阅读器与标签简化的几何关系如图3所示，其中v为载车速度，H为车载阅读器中心点在发射车上安装位置距离水平地面的高度，α为阅读器发出射频信号的辐射形成的扇面所张开的信号辐射角(即波瓣宽度)，β为射频标签被激活后发出的反馈信号辐射角(两者均为空间类圆锥型辐射，在这里作平面分析处理)，L为标签能接收到阅读器信号到阅读器不能读到标签反馈信号的极限条件下阅读器在行车方向上的移动距离，并设这段可感知时间为t。

设完成单次超高频射频识别的识别时间为t0，由于识别时间很短，该时间内行车速度几乎无变化，可看成恒定值，由相应的运动学和平面几何关系可知，垂直向下识别时，行车方向绝对定位误差为

(1)

为了保证至少完成一次识别，识别时间t0和可感知时间t之间应满足如下条件：

(2)

即行车速度v不能超过其最大值，否则在固定的RFID标签的锥角范围内无法有效识别标签，行车速度v需要满足如下条件：

(3)

根据目前使用到的RFID实际技术指标条件，选定阅读器和标签的信号辐射锥角α=β=60°，单次射频识别时间20 ms；战车尤其是发射车在设计时要求适应不同的战场环境，具有很强的越野性能，因此车辆底盘高。广泛查阅各型战车结构参数，合理约束阅读器安装高度H<0.5 m。通过仿真分析得出最高速度与安装高度关系，如图4所示。

根据一般性使用经验，正常行车速度为30～60 km/h。由图4可知，在上述条件下，垂直向下识别方式的行车速度要满足使用条件，即大于60 km/h，则安装高度应满足在H>0.3 m，再根据国内外多型导弹发射车车体结构参数，划定图4中虚线框区域为最佳安装范围，工程实际可以此为参考。

设阅读器安装高度分别为H=0.3、0.4、0.5 m，通过仿真计算，考察不同车速下行车方向定位精度，如图5所示。

由图5可知，垂直向下识别安装方式的理论行车定位精度高，车辆速度20 km/h以上时，行车方向定位精度可达0.2 m以上。根据该仿真结果，综合考虑实际使用车速情况、车辆底盘越野性能(底盘要具有一定高度的通过性)和标签锥角范围内信号可阅读率，安装高度H在0.4～0.5 m范围内取值较好。该方案经行车验证，识别定位精度能达到0.5 m以内，满足行进间定位修正要求，而且无需停车，简单易行。

1.2.2 路侧铺设射频标签法

射频标签等距安装在路中隔离带或者路边防护桩上，阅读器安装于发射车左(右)侧与标签同高位置，在行进间读取位置信息，称之为路标定位，如图6所示。D为车道宽，d为发射车宽，d1为该标签垂直对应车道中线处距离，标签内存储该标签垂直对应车道中线处位置坐标代码。

根据问卷调查有特种超宽车辆驾驶经验的驾驶员可知，被调查人员百分之百表示驾驶车辆保持在单一车道内行驶非常轻松容易。以此为实际可行条件进行定位误差分析，并定义该方法为基于标准车道约束的车载RFID路侧感知定位法。

由图6可知，在发射车保持同一车道内行驶条件下，横向理论定位误差为

(4)

纵向误差由识别距离、识别角度和车速共同决定,如图7所示。

x、y分别为射频卡接收到阅读器发出射频信号时两者横向距离和纵向距离，θ为标签接收到信号时角度，则纵向误差为

δy=xtanθ-vt0,

(5)

则定位坐标点概率偏差为

(6)

按国家道路标准，1～4级公路单一行车道宽度均在3.5 m左右，例如高速公路车道宽3.75 m。参照俄罗斯“白杨”系列发射车标准，假设取车宽3 m、接收信号角15°，以车速40 km/h行驶在二车道进行分析可得：δx=0.37 m,δy=1.28 m,则理论计算精度为δr=1.34 m，可以达到美国军用GPS数量级。

在工程实际应用时，通过调整射频识别距离和功率、调整识别角度，在正常行车速度20～50 km/h情况下可以不用计算反应距离，因为实地试验时也无法测量，只需测量识别到标签时车辆实际位置与理论位置之差。在一段废弃高速公路上进行实地试验，标签间隔10 m，共计30个，铺设300 m长距离，合理调节配置射频识别参数，试验用民用大货车(宽2.5 m)分别以20、30、50 km/h进入识别区域，以DGPS定位数据为参考基准，有效识别率达到97.7%，每组取24个试验定位数据分析，定位偏差如表1所示。

表1 不同车速下射频定位偏差

1.2.3 洞库/隧道铺设射频标签法

在长隧道或者洞库顶壁上安装多个阅读器，识别贴于发射车上方的无源标签，在车辆正常行进中实时定位，并将定位信息通过数据链同步传给车载计算机进行信息融合。根据清研讯科公司实验室相关试验表明，该方式下定位精度能达到0.3 m以上。相关硬件设施投入较大，但可以和民用RFID车辆识别发展思路契合，通过军民融合方式解决隐蔽性和高成本问题。限于篇幅，在此不过多阐述此类较复杂方案原理。

2 RFID单点定位辅助动态初始对准

SINS/OD组合车载定位定向具有完全自主性和相对长时高精度保持性。现阶段利用SINS/OD进行组合导航的研究很多，许多科研院所进行了样机研发，相关跑车结果表明，长航时下，定位误差仍发散变大甚至超出应用要求。同时，大多都采用出发地进行原地初始对准方式，分为粗对准和精对准，其中精对准耗时较长，约5 min左右，影响了作战使用的效能。而RFID可以在战区广布置，恰好能弥补以上不足。借用“将卫星定位移到地上，让静态地标活动起来”的思想，利用上述RFID定位方案辅助进行行进间动态初始对准和导航修正。

严恭敏等提出利用航位推算轨迹与真实轨迹相似性原理进行行进间动态初始精对准方案[10]，精度高，但由于预设地标点停车定位的繁琐性和耗时性限制了作战应用而被搁置。RFID定位精度达米级及以上时，可用于改进此方案，避免了庞大发射车找点定位的实际应用困难。

2.1 RFID辅助动态初始对准流程设计

改进型动态初始对准流程：先在出发点A进行30 s抗干扰粗对准，采用惯性系粗对准方式，之后任意机动至多个RFID区域(B、C、D)进行精对准，通常一次修正方位角偏差可达角分级，由于RFID定位修正便捷快速，可进行多次迭代修正，进一步提高精度，如图8所示。

2.2 对准原理

2.2.1 粗对准

应对发动机振动、操作人员走动等干扰，可引用文献[11]方法，进行抗干扰粗对准。通过将初始姿态阵分解为3个矩阵链乘，由加速度计和陀螺输出直接求解初始姿态阵：

(7)

符号具体定义参见文献[11]。

2.2.2 动态修正精对准

粗对准后开始导航行进，其航位推算误差主要由姿态偏差、陀螺漂移和里程计刻度系数误差等引起，由于水平姿态误差小，可忽略，在高精度陀螺漂移小和修正航时短的条件下，修正过程中可以认为航向角误差和里程计刻度系数误差为常量φU和δKD，则可以利用航位推算轨迹与实际轨迹相似性原理，用航位误差反向修正粗对准航向角误差，达到精对准目的。

2.2.2.1 航位推算更新算法原理[12]

(8)

(9)

(10)

具体符号含义参考文献[12]。

2.2.2.2 航位推算误差分析

载车在地理位置变化不大的范围内行驶，即整个导航过程中导航坐标系的旋转变化不大，可当作平面处理，在上述分析条件下，航位推算误差主要由φU和δKD引起：

(11)

如图9所示，SINS/OD在A点粗对准产生航向偏差 ，开始沿任一线路绕行一圈回到A点。在行驶轨迹上任取一点C，则AC为真实位移，AB为对应的航位推算位移。

式(11)的几何图解意义是：真实位移AC绕天向轴转动角度φU分得到AD；再乘以系数(1+δKD)得航位推算位移AB。由此可知轨迹上任一点均满足此规律，因而航位推算轨迹和真实轨迹是几何相似的，即以起始点A为中心点解算路线在整体上转动了航向误差角并扩大了由里程计误差系数增加的误差。可见，里程计误差系数将引起沿着位移方向的误差，而粗对准航向偏差会引起垂直于位移方向的误差，误差和为CB。

2.2.2.3 航向偏差角修正

在B点由航位推算值和RFID精确定位值之差求得航位偏差角ΔφU后，可直接将导航计算出的B点的姿态矩阵进行修正更新，C、D点同理，即可达到辅助精对准目的。

(12)

2.2.2.4 里程计刻度系数同步估计

设RFID修正点处定位误差为ΔP，修正点位两点间位移为ΔS，在ΔP远小于ΔS条件下，同步估计简化式为

(13)

2.3 跑车试验验证

试验用车载定位定向系统参数为：陀螺常值漂移0.01(°)/h，加速度计常值漂移0.1 mg，OD刻度系数误差是0.013 1。

改进型初始对准跑车试验,如图10所示，进行了约10.5 km跑车试验。

先在出发点1进行约30 s抗干扰粗对准，之后任意机动至RFID区域2进行修正，1、2点直线距离约5 km，RFID实测定位精度0.6 m，由于RFID定位修正便捷快速，可进行多次迭代修正，进一步提高精度，所以紧接着任意行进至RFID区域3再次修正，该点定位精度0.4 m，2、3点直线距离约4.5 km。惯组上安装有棱镜，可以用寻北仪测量对准偏差。试验结果如表2所示。

从模拟实际使用流程上看，整个初始对准过程中，粗对准抗干扰、耗时短，RFID辅助修正精对准过程中，只需缓速行进路过RFID点位，识别上一点即可，不必刻意定某一点，避免了找点停车定位的繁琐与不便，快捷迅速而且定位精度高。一次修正航向精度达到1.21′，一次修正后航位推算误差明显减小；二次迭代修正达到0.78′，精度较高，并且能获得精确定位信息作为惯导误差修正源。

3 结束语

作战使用的车载定位定向的发展朝着高精度和自主性(不依赖卫星)方向，但是误差累计需要修正、野外重启需要快速获得坐标等，这些问题均可由RFID定位方式解决。笔者提出了多种RFID定位使用方式，并将其应用到SINS/OD组合导航中，快速高效初始对准，提高陆基导弹发射机动反应能力和生存打击能力。RFID辅助定位定向方式既可以对车载捷联惯导进行航向修正，同时可以提供精确的定位坐标。下一步，将对RFID连续定位辅助SINS/OD行进间初始对准、RFID辅助车载导航长航时导航修正、RFID辅助铁路机动发射快速定位等进一步研究。