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(dòng)控制研究所，西安 710065）

傳遞對準(zhǔn)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(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對載體上需要對準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱子慣導(dǎo))的初始對準(zhǔn)[1-2]。具體做法是，剛進(jìn)入傳遞對準(zhǔn)時(shí)，子慣導(dǎo)以當(dāng)前時(shí)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(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。而實(shí)際上子慣導(dǎo)的真實(shí)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(huì)造成子慣導(dǎo)的初始數(shù)學(xué)平臺(tái)偏角，從而造成子慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差[3]。通過準(zhǔn)確建立子慣導(dǎo)的導(dǎo)航誤差數(shù)學(xué)模型，在傳遞對準(zhǔn)過程中，以主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息為基準(zhǔn)，通過卡爾曼濾波計(jì)算估計(jì)出子慣導(dǎo)的導(dǎo)航參數(shù)誤差及陀螺漂移、加速度計(jì)零位等元件誤差并加以修正[4-5]，實(shí)現(xiàn)子慣導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)中對準(zhǔn)。

在傳遞對準(zhǔn)過程中，為了增加系統(tǒng)誤差的可觀測性，確保傳遞對準(zhǔn)精度，通常要求對載體作機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如要求載體作加速運(yùn)動(dòng)或作S型運(yùn)動(dòng)[6]等。但是由于試驗(yàn)船無法實(shí)現(xiàn)要求的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因而對于慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)而言，要在規(guī)定的對準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)滿足對準(zhǔn)精度要求，對系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)方案提出了更高的要求。

針對上述問題，我們設(shè)計(jì)了一種傳遞對準(zhǔn)方案，該傳遞對準(zhǔn)技術(shù)具備如下的優(yōu)點(diǎn)：①在傳遞對準(zhǔn)過程中，不專門要求載體作機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，就可在運(yùn)動(dòng)過程中完成傳遞對準(zhǔn)計(jì)算；②在較短的對準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的傳遞對準(zhǔn)精度；③能有效抑制擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)對傳遞對準(zhǔn)精度的影響。

系統(tǒng)在試驗(yàn)船上完成了數(shù)十次的傳遞對準(zhǔn)試驗(yàn)。達(dá)到的對準(zhǔn)指標(biāo)是：傳遞對準(zhǔn)時(shí)間7 min，水平對準(zhǔn)精度3"，方位對準(zhǔn)精度3.3'。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 坐標(biāo)系選擇

1)載體坐標(biāo)系(O?XYZ)。

載體坐標(biāo)系為：選擇慣性敏感元件(陀螺、加速度計(jì))敏感軸交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)系。

選擇導(dǎo)航坐標(biāo)系為東(E)、北(N)、天(U)坐標(biāo)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(dá)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(tái)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(jì)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(zhǔn)計(jì)算框圖

傳遞對準(zhǔn)計(jì)算框圖如圖1所示。

圖1 傳遞對準(zhǔn)計(jì)算框圖

2 傳遞對準(zhǔn)仿真計(jì)算

2.1 仿真計(jì)算條件

在仿真計(jì)算中，取平臺(tái)東向、北向、天向初始偏角分別為3°、3°、7°。

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

按照2.1的仿真計(jì)算條件進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)仿真計(jì)算，得到傳遞對準(zhǔn)的第1、2、3、4、5、6、7 min時(shí)刻平臺(tái)東向、北向、天向偏角估計(jì)誤差，見表1。傳遞對準(zhǔn)7 min 內(nèi)平臺(tái)東向、北向、天向偏角估計(jì)誤差變化過程見圖2a)～c)。

表1 傳遞對準(zhǔn)過程中平臺(tái)偏角估計(jì)誤差

圖2 傳遞對準(zhǔn)7 min 內(nèi)平臺(tái)偏角估計(jì)誤差

3 傳遞對準(zhǔn)海試驗(yàn)證

海上試驗(yàn)時(shí)，參試的主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)及試驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)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(yàn)方法

在試驗(yàn)船運(yùn)動(dòng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)中傳遞對準(zhǔn)。傳遞對準(zhǔn)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(zhǔn)，對子慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對準(zhǔn)精度進(jìn)行評(píng)估[1，11]，得到各次傳遞對準(zhǔn)的精度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 傳遞對準(zhǔn)精度

各次傳遞對準(zhǔn)結(jié)束后，分別以主慣導(dǎo)及GPS為基準(zhǔn)，計(jì)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(jì)，得到傳遞精度，分別見表2、3，表中對準(zhǔn)時(shí)間均為7 min。

表2 以主慣導(dǎo)為評(píng)估基準(zhǔn)得到的傳遞對準(zhǔn)精度

表3 以衛(wèi)星為評(píng)估基準(zhǔn)得到的傳遞對準(zhǔn)

根據(jù)表2、3 統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到對準(zhǔn)時(shí)間為7 min時(shí)傳遞對準(zhǔn)精度如下。

1)與主慣導(dǎo)比較。

東向數(shù)學(xué)平臺(tái)偏角精度(RMS)為3.16"；北向數(shù)學(xué)平臺(tái)偏角精度(RMS)為1.86"；方位數(shù)學(xué)平臺(tái)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(tái)偏角精度(RMS)為7.13"；北向數(shù)學(xué)平臺(tái)偏角精度(RMS)為6.89"；方位數(shù)學(xué)平臺(tái)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(zhǔn)，計(jì)算子慣導(dǎo)完成7 min 傳遞對準(zhǔn)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(jì)算位置誤差[1]時(shí)，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(píng)估基準(zhǔn)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(píng)估基準(zhǔn)得到的純慣性導(dǎo)航精度

根據(jù)表4、5，統(tǒng)計(jì)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(shí)：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(shí)：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(shí)：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(shí)：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(shí)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(zhǔn)的初始航向誤差控制在幾度范圍內(nèi)。因此，本文設(shè)計(jì)的激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對準(zhǔn)方案在傳遞對準(zhǔn)過程中不需要對試驗(yàn)船提任何機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)要求。仿真分析和海上試驗(yàn)結(jié)果均表明：論文設(shè)計(jì)的方案達(dá)到了較高的傳遞對準(zhǔn)精度及純慣性導(dǎo)航精度，為系統(tǒng)今后實(shí)際使用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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