巡飛彈組合導航系統(tǒng)誤差補償及可靠性研究

吳有龍

1. 金陵科技學院智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169； 2. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094

巡飛彈是先進導彈技術(shù)和無人機技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠快速抵達目標區(qū)域，執(zhí)行集巡邏飛行，偵察監(jiān)視等多功能于一體，是滿足未來信息化作戰(zhàn)需求的智能化彈藥。由于巡飛彈需要長時間在惡劣環(huán)境下工作的特點，改善彈載導航系統(tǒng)的定位精度和可靠性對提高巡飛彈的系統(tǒng)性能非常關(guān)鍵。為此，本文研究了低成本彈載組合導航系統(tǒng)中的故障處理問題，對慣性傳感器的隨機誤差進行分析和補償，并探討了高精度的導航定位算法。主要工作包括：

(1) 研究了多衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自主完好性監(jiān)測理論。基于仿真數(shù)據(jù)，綜合分析了北斗系統(tǒng)中不同類別衛(wèi)星(GEO/IGSO/MEO)的可靠性和可區(qū)分性以及與其他導航系統(tǒng)的組合性能。結(jié)果表明，相較于MEO和IGSO衛(wèi)星而言，GEO衛(wèi)星的最小可探測粗差較大，這是因為后者的觀測精度低；對多衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)而言，衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)和冗余度得到了顯著增強，從而提高了導航系統(tǒng)的可靠性，并增強了系統(tǒng)對故障的可區(qū)分能力。

(2) 探討了衛(wèi)星導航和慣性導航組合系統(tǒng)的可靠性理論，分析了不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)和慣導系統(tǒng)的不同精度對組合系統(tǒng)可靠性的影響。不同于單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)，組合導航系統(tǒng)中，各衛(wèi)星的最小可探測粗差不僅受衛(wèi)星高度角、冗余觀測量以及衛(wèi)星幾何分布影響，很大程度上也依賴于具體采用的卡爾曼濾波模型。當卡爾曼濾波的解算精度隨導航時間收斂后，各衛(wèi)星的最小可探測粗差也相應地趨于穩(wěn)定。此外，衛(wèi)星導航系統(tǒng)與不同精度的慣導系統(tǒng)組合時，高精度的慣導系統(tǒng)有助于降低觀測量的最小可探測粗差，但降低的幅度并不與慣導系統(tǒng)的精度成正比。

(3) 提出了慣性傳感器中有色噪聲的建模與補償方法。為了提高慣性導航系統(tǒng)的精度，需要對慣性傳感器誤差進行估計與精確建模。本文從理論上分析了零偏不穩(wěn)定性過程，證明了零偏不穩(wěn)定過程可以等效于多個一階馬爾可夫過程，并結(jié)合角隨機游走和速率隨機游走噪聲對傳感器進行建模，通過卡爾曼濾波增強矩陣對傳感器進行補償，最后試驗驗證了此方法的可行性。

(4) 提出了基于相關(guān)性分析的組合導航的故障檢測和隔離方法。當衛(wèi)星的幾何分布較差時，會造成觀測模型殘差之間的高相關(guān)性，由此導致故障檢測中的誤判行為。本文從理論上分析了由相關(guān)性引起的誤判行為對導航定位的影響，提出了一種基于標準化殘差相關(guān)性分析的故障檢測與隔離的算法。當衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)良好時，可以保證故障檢測的正確性，因而可以直接剔除檢測到的含故障的觀測值。而當觀測值對應的殘差間出現(xiàn)強相關(guān)性時，采用自適應降權(quán)的方法對可能存在故障的觀測值進行處理。試驗結(jié)果表明，該方法可以有效控制異常觀測值對定位結(jié)果的影響。

(5) 設計了可用于巡飛彈導航系統(tǒng)的基于載波相位時間差分高精度組合導航定位和測速方法。本文針對巡飛彈的具體應用設計了利用載波相位時間差分的導航算法，避免求解模糊度，大大減小了系統(tǒng)運算復雜度。組合導航試驗結(jié)果表明，利用載波相位時間差分可以獲得毫米/秒量級的速度信息以及米級精度的位置解算結(jié)果。