慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準技術(shù)研究及海試驗證

齊廣峰，王悅陽

（1.海軍裝備部，西安 710043；2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

傳遞對準是指在載體航行過程中，以載體上已經(jīng)工作在導(dǎo)航狀態(tài)的高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)(簡稱主慣導(dǎo))的導(dǎo)航信息為基準，實現(xiàn)對載體上需要對準的導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱子慣導(dǎo))的初始對準[1-2]。具體做法是，剛進入傳遞對準時，子慣導(dǎo)以當(dāng)前時刻收到的主慣導(dǎo)位置、速度、姿態(tài)為初始導(dǎo)航參數(shù)，開始進行導(dǎo)航計算。而實際上子慣導(dǎo)的真實姿態(tài)、航向與主慣導(dǎo)的姿態(tài)、航向并不完全相同，存在安裝誤差，因而直接用主慣導(dǎo)的姿態(tài)、航向作為子慣導(dǎo)的初始姿態(tài)、航向會造成子慣導(dǎo)的初始數(shù)學(xué)平臺偏角，從而造成子慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差[3]。通過準確建立子慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差數(shù)學(xué)模型，在傳遞對準過程中，以主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息為基準，通過卡爾曼濾波計算估計出子慣導(dǎo)的導(dǎo)航參數(shù)誤差及陀螺漂移、加速度計零位等元件誤差并加以修正[4-5]，實現(xiàn)子慣導(dǎo)的運動中對準。

在傳遞對準過程中，為了增加系統(tǒng)誤差的可觀測性，確保傳遞對準精度，通常要求對載體作機動運動，如要求載體作加速運動或作S型運動[6]等。但是由于試驗船無法實現(xiàn)要求的機動運動，因而對于慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準而言，要在規(guī)定的對準時間內(nèi)滿足對準精度要求，對系統(tǒng)傳遞對準方案提出了更高的要求。

針對上述問題，我們設(shè)計了一種傳遞對準方案，該傳遞對準技術(shù)具備如下的優(yōu)點：①在傳遞對準過程中，不專門要求載體作機動運動，就可在運動過程中完成傳遞對準計算；②在較短的對準時間內(nèi)達到較高的傳遞對準精度；③能有效抑制擾動運動對傳遞對準精度的影響。

系統(tǒng)在試驗船上完成了數(shù)十次的傳遞對準試驗。達到的對準指標是：傳遞對準時間7 min，水平對準精度3"，方位對準精度3.3'。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 坐標系選擇

1)載體坐標系(O?XYZ)。

載體坐標系為：選擇慣性敏感元件(陀螺、加速度計)敏感軸交點為坐標原點O，X軸指向載體左翼，Y軸指向載體、縱軸，Z與X、Y 成右手系。

2)導(dǎo)航坐標系。

選擇導(dǎo)航坐標系為東(E)、北(N)、天(U)坐標系。

1.2 系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測方程

1.2.1系統(tǒng)狀態(tài)方程

選取到達狀態(tài)變量X為[7-8]：

式(1)中：δ?、δλ分別為緯度誤差、經(jīng)度誤差；δVE、δVN分別為東向速度誤差、北向速度誤差；φE、φN、φU分別為數(shù)學(xué)平臺東向、北向、天向偏角；δDX、δDY、δ DZ分別為X、Y、Z 向陀螺漂移；δ?X、δ ?Y、δ?Z分別為X、Y、Z 向加速度計零位。

系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

式(2)中：W是系統(tǒng)噪聲，為零均值高斯白噪聲；

式(3)中：R是地球半徑；h是載體高程；

1.2.2系統(tǒng)量測方程

選取位置、速度作為卡爾曼濾波器[9]量測變量，量測方程如下：

式(4)中：V是量測噪聲，為零均值高斯白噪聲。

量測矩陣H為：

1.3 傳遞對準計算框圖

傳遞對準計算框圖如圖1所示。

圖1 傳遞對準計算框圖

2 傳遞對準仿真計算

2.1 仿真計算條件

在仿真計算中，取平臺東向、北向、天向初始偏角分別為3°、3°、7°。

2.2 仿真計算結(jié)果

按照2.1的仿真計算條件進行傳遞對準仿真計算，得到傳遞對準的第1、2、3、4、5、6、7 min時刻平臺東向、北向、天向偏角估計誤差，見表1。傳遞對準7 min 內(nèi)平臺東向、北向、天向偏角估計誤差變化過程見圖2a)～c)。

表1 傳遞對準過程中平臺偏角估計誤差

圖2 傳遞對準7 min 內(nèi)平臺偏角估計誤差

3 傳遞對準海試驗證

海上試驗時，參試的主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)及試驗設(shè)備在試驗船的同艙室安裝，主慣導(dǎo)安裝在基座上，子慣導(dǎo)安裝在基座附近的艙室地板上。

3.1 試驗方法

在試驗船運動過程中，利用主慣導(dǎo)提供的導(dǎo)航信息為參考[10]，對子慣導(dǎo)進行運動中傳遞對準。傳遞對準7 min后，子慣導(dǎo)轉(zhuǎn)入純慣性導(dǎo)航狀態(tài)。

在純慣性導(dǎo)航過程中，分別以主慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息為基準，對子慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對準精度進行評估[1，11]，得到各次傳遞對準的精度。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 傳遞對準精度

各次傳遞對準結(jié)束后，分別以主慣導(dǎo)及GPS為基準，計算慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差，根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差估計，得到傳遞精度，分別見表2、3，表中對準時間均為7 min。

表2 以主慣導(dǎo)為評估基準得到的傳遞對準精度

表3 以衛(wèi)星為評估基準得到的傳遞對準

根據(jù)表2、3 統(tǒng)計計算得到對準時間為7 min時傳遞對準精度如下。

1)與主慣導(dǎo)比較。

東向數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為3.16"；北向數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為1.86"；方位數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為0.035o；與主慣導(dǎo)的航向差(RMS)為0.065o。

2)與GPS 比較。

東向數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為7.13"；北向數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為6.89"；方位數(shù)學(xué)平臺偏角精度(RMS)為0.050o；與主慣導(dǎo)的航向差(RMS)為0.065o。

3.3.2 純慣性導(dǎo)航精度

分別以主慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基準，計算子慣導(dǎo)完成7 min 傳遞對準后，在純慣性導(dǎo)航狀態(tài)的位置、速度精度，見表4、5。與GPS相比較計算位置誤差[1]時，扣除了由于主慣導(dǎo)位置誤差而造成的子慣導(dǎo)初始位置誤差。

表4 以主慣導(dǎo)為評估基準得到的純慣性導(dǎo)航精度

表5 以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為評估基準得到的純慣性導(dǎo)航精度

根據(jù)表4、5，統(tǒng)計得到導(dǎo)航精度如下。

1)與GPS 比較的導(dǎo)航精度。

a) 1 h 導(dǎo)航精度時：位置誤差CEP為0.69 n mile/h；東向速度誤差RMS為0.43 m/s；北向速度誤差RMS為0.44 m/s。

b) 1.5 h 導(dǎo)航精度時：位置誤差CEP為0.70 n mile/h；東向速度誤差RMS為0.38 m/s；北向速度誤差RMS為0.41 m/s。

2)與主慣導(dǎo)相比較的導(dǎo)航精度。

a) 1 h 導(dǎo)航精度時：位置誤差CEP為0.50 n mile/h；東向速度誤差RMS為0.32 m/s；北向速度誤差RMS為0.33 m/s。

b) 1.5 h 導(dǎo)航精度時：位置誤差CEP為0.53 n mile/h；東向速度誤差RMS為0.29 m/s；北向速度誤差RMS為0.30 m/s。

4 結(jié)論

在實際使用中，子慣導(dǎo)載體的航向相對于主慣導(dǎo)的航向偏差可精確測量得到，因而可以將子慣導(dǎo)傳遞對準的初始航向誤差控制在幾度范圍內(nèi)。因此，本文設(shè)計的激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準方案在傳遞對準過程中不需要對試驗船提任何機動運動要求。仿真分析和海上試驗結(jié)果均表明：論文設(shè)計的方案達到了較高的傳遞對準精度及純慣性導(dǎo)航精度，為系統(tǒng)今后實際使用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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