捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)中的時(shí)間補(bǔ)償算法

徐 翔

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捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)中的時(shí)間補(bǔ)償算法

徐 翔

(海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處, 云南 昆明, 650031)

為了減小或消除時(shí)間延遲的影響, 提高系統(tǒng)動(dòng)基座傳遞對準(zhǔn)精度, 提出了一種捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)過程中對主、子慣導(dǎo)間信息傳輸時(shí)間延遲的補(bǔ)償算法。該算法利用子慣導(dǎo)導(dǎo)航解算過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)和延遲時(shí)間, 對傳遞信息中因時(shí)間延遲產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正, 并用修正后的主慣導(dǎo)信息進(jìn)行動(dòng)基座傳遞對準(zhǔn)。車載試驗(yàn)結(jié)果證明, 該方法可有效提高系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)精度, 減小傳遞對準(zhǔn)時(shí)間, 補(bǔ)償算法有效可行。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng); 傳遞對準(zhǔn); 時(shí)間延遲; 補(bǔ)償算法

0 引言

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)是指利用精度較高的主慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的速度、姿態(tài)等信息, 實(shí)現(xiàn)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)工作, 與自主對準(zhǔn)相比, 傳遞對準(zhǔn)對載體在對準(zhǔn)期間的機(jī)動(dòng)限制較小, 有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)基座對準(zhǔn), 被認(rèn)為是目前最好的對準(zhǔn)方法之一[1]。

在動(dòng)基座條件下, 主慣導(dǎo)系統(tǒng)信息的傳輸延遲對傳遞對準(zhǔn)有著明顯的影響[2], 本文以速度匹配傳遞對準(zhǔn)為例, 分析了時(shí)間延遲對傳遞對準(zhǔn)的影響機(jī)理, 提出了一種在時(shí)間延遲已知條件下的誤差補(bǔ)償算法, 并通過車載試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 傳遞對準(zhǔn)中的時(shí)間延遲

所謂時(shí)間延遲是指, 主慣導(dǎo)輸出的導(dǎo)航信息不能立即傳遞到子慣導(dǎo)系統(tǒng), 而是在延遲了一段時(shí)間后才到達(dá)子慣導(dǎo)系統(tǒng)。產(chǎn)生時(shí)間延遲的主要原因包括主、子慣導(dǎo)間的通信時(shí)間和信息傳遞通道上各信息中轉(zhuǎn)滯留[3]。在實(shí)際情況中, 時(shí)間延遲包括固定延遲和隨機(jī)延遲, 延遲時(shí)間通常是不固定且未知的。

傳遞對準(zhǔn)過程是選擇若干觀測量, 通過主、子慣導(dǎo)一段時(shí)間內(nèi)輸出信息的匹配觀測, 估計(jì)子慣導(dǎo)的數(shù)學(xué)平臺(tái)誤差并予以修正, 使主、子慣導(dǎo)輸出信息誤差的方法達(dá)到最小。

以速度匹配傳遞對準(zhǔn)為例, 所選觀測量為載體運(yùn)動(dòng)的東向速度和北向速度, 當(dāng)主、子慣導(dǎo)輸出的速度信息誤差的方差達(dá)到最小時(shí), 子慣導(dǎo)系統(tǒng)完成對準(zhǔn)。其表達(dá)式為

當(dāng)主、子慣導(dǎo)間存在延遲時(shí), 式(1)變換為

不難看出, 當(dāng)載體處于靜基座或勻速直線運(yùn)動(dòng)條件下時(shí), 系統(tǒng)的對準(zhǔn)過程不受影響, 但當(dāng)系統(tǒng)處于機(jī)動(dòng)條件下時(shí), 將導(dǎo)致系統(tǒng)對準(zhǔn)時(shí)間加長甚至導(dǎo)致產(chǎn)生一定的對準(zhǔn)誤差。

2 基于速度匹配傳遞對準(zhǔn)的時(shí)間延遲補(bǔ)償方案

通過以上分析不難看出, 時(shí)間延遲影響傳遞對準(zhǔn)主要原因是子慣導(dǎo)用于匹配計(jì)算的主慣導(dǎo)信息并非當(dāng)前時(shí)刻主慣導(dǎo)輸出量[4], 因此, 補(bǔ)償算法為在用于匹配計(jì)算的主慣導(dǎo)信息中疊加一個(gè)誤差補(bǔ)償量, 使補(bǔ)償后的主慣導(dǎo)信息盡可能反映載體當(dāng)前時(shí)刻載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 系統(tǒng)量測方程為

式中:為子慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航解算周期;為系統(tǒng)輸出在導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)加速度, 可直接從子慣導(dǎo)導(dǎo)航解算過程中獲得。

由于本算法建立在延遲時(shí)間已知的條件下, 故, 準(zhǔn)確測量主、子慣導(dǎo)間的信息傳輸延遲是本算法成立的前提條件, 具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

使用時(shí)間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)主、子慣導(dǎo)間的時(shí)鐘對準(zhǔn), 同時(shí)在傳遞信息中加入時(shí)標(biāo)信息, 記錄該組信息的產(chǎn)生時(shí)刻。子慣導(dǎo)系統(tǒng)在讀取信息后, 只需要將其中的時(shí)標(biāo)與本地時(shí)鐘對比, 即可獲得信息傳輸過程中的延遲時(shí)間。

3 時(shí)間延遲補(bǔ)償算法車載驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)以上補(bǔ)償算法進(jìn)行車載驗(yàn)證試驗(yàn), 試驗(yàn)中通過人為在主慣導(dǎo)信息傳輸過程中加入100 ms時(shí)間延遲來模擬真實(shí)的環(huán)境, 采用高精度INS（inertial navigation system）+GPS（global positioning system）組合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬主慣導(dǎo), 考察主、子慣導(dǎo)間的姿態(tài)誤差和速度誤差。

將有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖, 其中, 未進(jìn)行時(shí)間延遲補(bǔ)償時(shí), 主、子慣導(dǎo)間的姿態(tài)誤差和速度誤差分別如圖1(a)和圖2(a)所示, 在進(jìn)行了時(shí)間補(bǔ)償后, 主、子慣導(dǎo)間的姿態(tài)誤差和速度誤差分別如圖1(b)和圖2(b)所示。圖1中, 實(shí)線代表俯仰角誤差, 虛線代表滾動(dòng)角誤差。圖2中, 實(shí)線代表北向速度誤差, 虛線代表東向速度誤差。

通過對誤差圖和車載驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的分析可知, 未進(jìn)行時(shí)間延遲補(bǔ)償前, 系統(tǒng)的姿態(tài)和速度誤差均存在較大的噪聲, 誤差較大且不穩(wěn)定。在進(jìn)行時(shí)間延遲補(bǔ)償后, 系統(tǒng)對準(zhǔn)精度及穩(wěn)定性明顯提高。

圖1 時(shí)間延遲補(bǔ)償前后姿態(tài)誤差圖

圖2 時(shí)間延遲補(bǔ)償前后速度誤差圖

4 結(jié)束語

本文提供的算法為已知固定時(shí)間延遲的補(bǔ)償算法, 在實(shí)際系統(tǒng)中, 時(shí)間延遲包括固定延遲和隨機(jī)延遲, 即使是固定延遲, 也不容易精確測量。因此, 采用統(tǒng)一時(shí)鐘技術(shù)并在傳輸信息中加入時(shí)間標(biāo)簽是最優(yōu)的解決方案。

[1] 袁信, 俞濟(jì)祥, 陳哲. 導(dǎo)航系統(tǒng)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社，1993.

[2] 游文虎, 姜復(fù)興. INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)研究[J] . 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2003, 11(4): 21-23.

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[3] 肖進(jìn)麗, 潘正風(fēng), 黃聲享. GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步方法研究[J] . 測繪通報(bào), 2007(4): 27-29.

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A Time Delay Compensation Algorithm for Transfer Alignment in Strapdown Inertial Navigation System

XU Xiang

(Military Representative Office, Stationed in Kunming, Kunming 650031, China )

To reduce the influence of time delay, and enhance the precision of transfer alignment for movable base, a compensation algorithm for information transmission time delay between master and slave strapdown inertial navigation systems (SINS) in transfer alignment is proposed. The algorithm uses the delay-time and the relevant data in solving process of the slave inertial navigation system to compensate the errors caused by time delay in information transmission, and performs transfer alignment of the movable base according to the corrected information of master inertial navigation system. Test results show that the proposed algorithm can improve the transfer alignment accuracy and reduce transfer alignment time.

strapdown inertial navigation system(SINS); transfer alignment; time delay; compensation algorithm

TJ630.33；P227.9

A

1673-1948(2011)04-0282-03

2011-06-07;

2011-07-08.

徐 翔(1978-), 男, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷反潛.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)