基于邊界仿真的艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)性能評估方法

查　月

(解放軍92941部隊, 遼寧 葫蘆島　125001)

近年來,艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)完成了從渤海到南海海域的跨大緯度、長周期的海上航行試驗,加強了海上實際使用環(huán)境的考核。為了有效地評估不同捷聯(lián)慣導(dǎo)算法在不同航行區(qū)域、不同航行狀態(tài)以及環(huán)境下的導(dǎo)航性能,使產(chǎn)生的測試基準(zhǔn)數(shù)據(jù)符合艦船的動態(tài)特性,需要建立仿真測試平臺對其進行分析和評估[1-4]。文獻[5-7]基于MFC 和Vega 開發(fā)了艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)虛擬試驗平臺,利用虛擬試驗仿真技術(shù)研究各種捷聯(lián)導(dǎo)航算法, 慣性導(dǎo)航虛擬仿真系統(tǒng)及虛擬運行環(huán)境的建立為實際的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和研制起了很好的指導(dǎo)作用。類似的思想,針對捷聯(lián)慣導(dǎo)算法測試中真實飛行軌跡數(shù)據(jù)難以獲得的問題,文獻[8-9]建立了一種基于六自由度飛機模型的捷聯(lián)慣導(dǎo)算法測試平臺,可以有效地評估不同捷聯(lián)慣導(dǎo)算法的性能優(yōu)劣。文獻[10]針對建立的艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)航跡仿真的數(shù)學(xué)模型,分別利用畢卡逼近算法、雙子樣算法和三子樣算法,進行導(dǎo)航解算與對比。文獻[11]提出了一種基于三級多源信息融合結(jié)構(gòu)的SINS性能測試綜合評估算法,給出了包括精度測試、穩(wěn)定性測試和可靠性測試等三大性能測試指標(biāo)和16個性能測試底層子指標(biāo)構(gòu)成的SINS性能測試指標(biāo)體系。針對武器系統(tǒng)對彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能評估要求,文獻[12-14]對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)對準(zhǔn)和導(dǎo)航精度評估方法展開研究。

但是,在高低緯度試驗和艦艇高低速航行試驗環(huán)境構(gòu)建方面,仍達不到艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)邊界工作條件。目前艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)機動工作條件中姿態(tài)角邊界下的性能可以通過陸上搖擺試驗進行測試,速度邊界條件中正速度可以通過陸上車載試驗進行測試,針對試驗海域和負速度邊界條件下,本文首先對艦艇運動學(xué)和捷聯(lián)慣導(dǎo)慣性器件進行建模,然后對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過仿真測試的方法進行了分析和評估。

1　艦艇運動學(xué)模型

1.1　艦艇角運動模型

本文首先設(shè)定艦艇姿態(tài)角隨時間變化的函數(shù),微分后得到姿態(tài)角速率隨時間變化的函數(shù),再由坐標(biāo)系投影換算,可得到姿態(tài)角速率在艦艇坐標(biāo)系下的投影。

1)設(shè)定姿態(tài)角為時間的正弦函數(shù)

(1)

其中,H、P、R分別表示艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)的航向、縱搖和橫搖。

2)姿態(tài)角速率即為姿態(tài)角的微分

(2)

3)姿態(tài)角速率在艦艇坐標(biāo)系下的投影

(3)

1.2　艦艇線運動模型

將艦艇設(shè)定為質(zhì)點,運動線速度包含速度常值和與搖擺相關(guān)的瞬時分量。

1)設(shè)定速度為時間的正弦函數(shù)

(4)

2)加速度即為速度的微分,

(5)

2　慣性器件數(shù)學(xué)模型

2.1　陀螺儀測量模型

(6)

(7)

3)激光陀螺儀的理想輸出

(8)

4)激光陀螺儀的實際輸出

(9)

其中ε、ωg分別為疊加在激光陀螺儀理想輸出上的常值誤差和白噪聲。在實際應(yīng)用的過程中,激光陀螺通過計算輸出的脈沖數(shù)來表示陀螺輸出的角速率信息。

2.2　加速度計測量模型

加速度計比力計算方法如下:

(10)

(11)

(12)

3)地理下的比力ft

(13)

4)加速度計的理想輸出

(14)

5)加速度計的真實輸出

(15)

3　仿真分析

3.1　仿真條件

假設(shè)陀螺儀的器件參數(shù)如表1所示。

表1　陀螺儀器件仿真參數(shù)

假設(shè)加速度計的器件參數(shù)如表2所示。

表2　加速度計器件仿真參數(shù)

3.2　工作海域仿真結(jié)果

假設(shè)初始時刻艦艇的位置信息為經(jīng)度120.87°,艦艇運動速度為0,航向為120°,水平姿態(tài)為0°。設(shè)定系統(tǒng)已經(jīng)完成了初始對準(zhǔn),導(dǎo)航仿真時間為60h,仿真步長為0.01s,分別在緯度為北緯70°、南緯70°海域和0°海域?qū)ο到y(tǒng)進行仿真,仿真結(jié)果如圖1所示。

假設(shè)初始時刻艦艇的位置信息為經(jīng)度120.87°,緯度為42.70°,航向為120°,水平姿態(tài)為0°,艦艇運動速度為0。假設(shè)艦艇運動狀態(tài)為:系統(tǒng)導(dǎo)航后,東向速度由0加速到60.00kn,北向速度由0加速到-10.00kn,24h后,東向速度反向加速到-10kn,北向速度反向加速到2kn。設(shè)定系統(tǒng)初始對準(zhǔn)仿真時間為12h,導(dǎo)航仿真時間為48h,仿真步長為0.01s。仿真結(jié)果如圖2所示。

純捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是一種遞推的自主性的導(dǎo)航方式,由于慣性器件固有的誤差的存在,例如陀螺的常值漂移,加表的零偏等,這些誤差會隨著時間進行累積,因此純捷聯(lián)慣導(dǎo)下輸出位置、速度、姿態(tài)和航向的導(dǎo)航信息隨時間推移是發(fā)散的,但是其發(fā)散是有規(guī)律性的,基于慣性導(dǎo)航的特點,其誤差特性中包含了84.4min的舒勒周期性震蕩和24小時的地球周期震蕩。為了更好地對比導(dǎo)航的結(jié)果,本文在純捷聯(lián)慣導(dǎo)下進行了60個小時的仿真實驗,對比圖1中a-c的位置誤差,可以看出整體上有2.5周期的地球震蕩規(guī)律,而曲線上每一個小的波動則是一個周期的舒勒震蕩。同時,對比不同緯度下導(dǎo)航特點,仿真結(jié)果表明,艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在高緯度環(huán)境下,航向誤差較大,位置誤差隨時間發(fā)散較快,低緯度環(huán)境下,航向誤差較小,位置誤差隨時間發(fā)散較慢;系統(tǒng)變速運動對位置影響較大。

4　結(jié)束語

本文對艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在試驗海域和速度邊界條件下的工作性能開展了研究。針對試驗海域和艦艇航速有限問題,提出了利用建立艦艇運動學(xué)模型和慣性器件測量模型,在計算機中對艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在邊界工作海域和速度條件下工作性能進行仿真的方法。仿真結(jié)果表明,本文提出的仿真方法能夠滿足系統(tǒng)邊界環(huán)境條件下的性能測試,滿足系統(tǒng)對全面評估的需求。