（湛江航保修理廠 湛江 524000）

1 引言

隨著激光陀螺和光纖陀螺技術(shù)的迅速發(fā)展，在航海領(lǐng)域光學(xué)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)也逐步得到應(yīng)用。

本文以光學(xué)（光纖、激光）捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)為研究對象，給出船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)碼頭標(biāo)定實驗室樣機(jī)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)同時能夠兼顧撓性捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定。

2 標(biāo)定工作原理［1］

根據(jù)標(biāo)定場所可以將標(biāo)定分為內(nèi)場標(biāo)定和外場標(biāo)定，這是標(biāo)定的兩個不同階段，內(nèi)場標(biāo)定是外場標(biāo)定的基礎(chǔ)。內(nèi)場標(biāo)定是指在實驗室內(nèi)利用慣性測試設(shè)備標(biāo)定系統(tǒng)的參數(shù)，此時標(biāo)定出的參數(shù)是相對于標(biāo)準(zhǔn)的北向基準(zhǔn)及水平基準(zhǔn)的。外場標(biāo)定則是將系統(tǒng)安裝在船體上后進(jìn)行的標(biāo)定。

根據(jù)標(biāo)定的層次可以分為元件標(biāo)定和系統(tǒng)標(biāo)定。元件級的標(biāo)定一般是在工廠進(jìn)行的。慣性儀表的精度最終是反映在慣性系統(tǒng)的精度性能水平上的，而且慣性系統(tǒng)的誤差還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如安裝誤差，因此通過慣性系統(tǒng)的測試即系統(tǒng)標(biāo)定，可直接得到儀表的實際使用性能參數(shù)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

系統(tǒng)的標(biāo)定根據(jù)觀測量的不同可以分為分立標(biāo)定法和系統(tǒng)級標(biāo)定法。分立標(biāo)定法直接利用陀螺儀和加速度計的輸出作為觀測量，一般采用最小二乘法。系統(tǒng)級標(biāo)定則利用陀螺儀和加速度計的輸出進(jìn)行導(dǎo)航解算，以導(dǎo)航誤差（位置誤差、速度誤差及姿態(tài)誤差）作為觀測量來標(biāo)定系統(tǒng)的誤差參數(shù)。

系統(tǒng)級標(biāo)定方法具備如下優(yōu)點：對標(biāo)定設(shè)備要求低；工作方式靈活；精度較高。

3 研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 研究內(nèi)容

3.1.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差特性分析

不同慣性儀表的誤差有其自身的特性，其相應(yīng)的誤差模型也不盡相同。

不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)T性儀表和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求不同，對不同的載體而言，誤差的主要來源也不同。

3.1.2 高精度復(fù)合標(biāo)定方法［4，6］

高精度復(fù)合標(biāo)定方法由傳統(tǒng)的分立標(biāo)定方法和系統(tǒng)級標(biāo)定方法組合而成。

·傳統(tǒng)分立標(biāo)定方法：分立標(biāo)定法直接利用IMU 的輸出進(jìn)行標(biāo)定。

·系統(tǒng)級標(biāo)定方法：系統(tǒng)級標(biāo)定建立在導(dǎo)航系統(tǒng)誤差傳播方程基礎(chǔ)上，通過一段時間的導(dǎo)航累積，根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果反算系統(tǒng)各項誤差。在具體的標(biāo)定過程中，通常利用零速等外部信息進(jìn)行輔助。

轉(zhuǎn)臺姿態(tài)的改變是連續(xù)的，其變化規(guī)律叫做標(biāo)定路徑。

3.1.3 多級綜合仿真驗證技術(shù)

本項目開發(fā)了綜合仿真驗證平臺，對標(biāo)定效果進(jìn)行在線評估，確保標(biāo)定結(jié)果的有效性。綜合仿真驗證技術(shù)的基本原理為標(biāo)定完成后，把標(biāo)定結(jié)果補(bǔ)償進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)，用三軸轉(zhuǎn)臺按照設(shè)計路徑改變慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)并進(jìn)行導(dǎo)航，由導(dǎo)航誤差大小即可評估標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確與否：具體的驗證手段分為三級：1）靜態(tài)導(dǎo)航驗證；2）動態(tài)導(dǎo)航驗證；3）跑車驗證。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 系統(tǒng)級標(biāo)定路徑優(yōu)化設(shè)計［7～8］

如前面所述，系統(tǒng)級標(biāo)定是通過特定的路徑設(shè)計激發(fā)誤差，并通過可觀測量來推算出誤差大小。因此，路徑的“特定性”將決定慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定是否準(zhǔn)確、快速，即標(biāo)定路徑優(yōu)化設(shè)計是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)而言，準(zhǔn)確性和快速性是兩項重要指標(biāo)，如何在最短的時間內(nèi)最準(zhǔn)確地標(biāo)定出慣導(dǎo)系統(tǒng)的各種誤差是標(biāo)定路徑優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。因此，標(biāo)定路徑優(yōu)化設(shè)計問題是一個多目標(biāo)非線性規(guī)劃設(shè)計問題。

3.2.2 標(biāo)定精度分析技術(shù)

分析標(biāo)定精度與器件、轉(zhuǎn)臺等硬件設(shè)備自身精度關(guān)系，從理論上對標(biāo)定精度進(jìn)行評估，找出標(biāo)定精度影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。

3.2.3 多級綜合仿真驗證技術(shù)

多級綜合仿真驗證技術(shù)一方面為標(biāo)定結(jié)果提供了驗證手段，另一方面也為慣導(dǎo)系統(tǒng)在工作壽命期內(nèi)可能經(jīng)歷的動態(tài)環(huán)境下的表現(xiàn)提供了測試手段。如前所述，現(xiàn)有技術(shù)對慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果的驗證不夠充分，尤其是無法在實驗室中模擬系統(tǒng)將來的真實動態(tài)環(huán)境來驗證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計要求。由此可見，多級綜合仿真驗證技術(shù)是本項目的一個關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.4 場地建設(shè)

場地建設(shè)是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)碼頭標(biāo)定試驗及多級綜合仿真驗證測試的基礎(chǔ)和保障條件，也是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括場地規(guī)劃、穩(wěn)定測試地基建立、穩(wěn)定測試方位基準(zhǔn)建立、設(shè)備選型等方面。

慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定過程中要求穩(wěn)定的測試基準(zhǔn)，因此對場地的地質(zhì)特性有特殊要求，從而建設(shè)地基，確保測試基準(zhǔn)穩(wěn)定。一般情況下，慣導(dǎo)系統(tǒng)精度越高，則對基準(zhǔn)穩(wěn)定性要求越嚴(yán)格。此外，慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定過程還要求準(zhǔn)確的初始對準(zhǔn)，因此在場地建設(shè)中要引入準(zhǔn)確的北向基準(zhǔn)以及基準(zhǔn)傳遞設(shè)備。測試設(shè)備的指標(biāo)要選擇得當(dāng)，指標(biāo)太低會影響標(biāo)定和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，指標(biāo)太高，則會增加建設(shè)成本，造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費。因此，要以建設(shè)目標(biāo)為依據(jù)，通過理論分析，恰當(dāng)對設(shè)備進(jìn)行選型，確定設(shè)備指標(biāo)。

4 方案設(shè)計

4.1 研究方案

船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)的研究采取自上而下的總體研究思路，以總體目標(biāo)為輸入條件，以理論分析、工藝實現(xiàn)以及實驗驗證與優(yōu)化相結(jié)合的方法，分階段對船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行研究。從而達(dá)到總體技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，圖1為項目研究總體技術(shù)路線。

圖1 總體技術(shù)路線圖

4.2 技術(shù)途徑

4.2.1 在役或即將服役捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)特性分析

1）誤差特性分析與建模［2～3］

對模型的建立采用物理建模的方法：根據(jù)對儀表誤差機(jī)理的分析并結(jié)合實驗測試數(shù)據(jù)，確定誤差模型中的各項參數(shù)。物理模型中的每一項，都跟產(chǎn)生儀表內(nèi)部組件的物理因素有關(guān)?；诖送ㄟ^實驗確定出這些未知參數(shù)之后，可以對調(diào)整儀表的參數(shù)、評價儀器的質(zhì)量和性能、改進(jìn)設(shè)計等等提供具體準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

影響慣性器件誤差的外界因素很多，一般來說主要有三類誤差：1）與載體線運動有關(guān)的誤差，即靜態(tài)誤差；2）與載體角運動有關(guān)的誤差，即動態(tài)誤差；3）不確定的、隨機(jī)變化的誤差，這是不可補(bǔ)償?shù)恼`差部分。在標(biāo)定過程中只考慮與靜態(tài)誤差模型有關(guān)的誤差項，即零偏誤差、安裝誤差、標(biāo)度因數(shù)誤差。

光學(xué)陀螺（激光陀螺、光纖陀螺）的靜態(tài)誤差模型為

其中，NGx，NGy，NGz分別為各陀螺的脈沖輸出；D0x，D0y，D0z分別為各陀螺的零偏；Dxx，Dyy，Dzz分別為各陀螺的標(biāo)度因 數(shù)；Dxy，Dxz，Dyx，Dyz，Dzx，Dzy為各陀螺間的安裝誤差；ωx，ωy，ωz為沿組合坐標(biāo)系的角速度分量，T為采集時間。

加速度計的靜態(tài)誤差模型為

其中，NAx，NAy，NAz分別為單位時間內(nèi)各加速度計的輸出脈沖數(shù)；k0x，k0y，k0z分別為各加速度計的零偏；kxx，kyy，kzz分別為各加速度計的標(biāo)度因數(shù)；kxy，kxz，kyx，kyz，kzx，kzy為各加速度計間的安裝誤差，Ax，Ay，Az為沿組合坐標(biāo)系的加速度分量，靜態(tài)時為地球重力加速度分量。

2）電氣、機(jī)械特性分析及工裝夾具加工

分析電氣接口特性，實現(xiàn)對各種不同電氣接口的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。

結(jié)合轉(zhuǎn)臺機(jī)械特征，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺上的精確安裝固定。

4.2.2 高精度復(fù)合標(biāo)定方法

1）分立標(biāo)定法［7］

分立標(biāo)定法直接利用IMU 的輸出進(jìn)行標(biāo)定。加速度計的標(biāo)定通常采用多位置法，該方法的特點是由慣性測試轉(zhuǎn)臺提供多個轉(zhuǎn)動位置，最基本的6 位置標(biāo)定方法，12 位置標(biāo)定方法，24位置標(biāo)定方法等等，基本原理一致，只是在位置的編排上不同。

陀螺的標(biāo)定是利用速率轉(zhuǎn)臺給陀螺儀提供精確的速率輸入，采集陀螺的輸出，可以標(biāo)定出陀螺的參數(shù)，為了標(biāo)定出每個陀螺的參數(shù)，需要在每個陀螺的輸入軸方向都要有角速率輸入。通常陀螺漂移很?。ㄟh(yuǎn)小于地球自轉(zhuǎn)角速率），并且標(biāo)定中轉(zhuǎn)臺在大速率條件下的轉(zhuǎn)動時間短，因此陀螺標(biāo)定系數(shù)和陀螺等效漂移可以分開標(biāo)定。陀螺標(biāo)定系數(shù)矩陣的標(biāo)定可通過轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的方法標(biāo)定，常用的方法是使轉(zhuǎn)臺繞載體系x，y，z軸正反轉(zhuǎn)動各n圈，將陀螺正轉(zhuǎn)輸出脈沖減去負(fù)轉(zhuǎn)輸出脈沖消除地球自轉(zhuǎn)角速率和漂移的影響。

利用三軸速率轉(zhuǎn)臺標(biāo)定時，標(biāo)定陀螺x軸可通過繞內(nèi)框軸連續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對陀螺x的標(biāo)定；標(biāo)定陀螺y和z，控制中框和內(nèi)框使陀螺y和z依次對準(zhǔn)中框軸，繞中框軸連續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對陀螺y和z的標(biāo)定。

2）系統(tǒng)級標(biāo)定法［12］

誤差標(biāo)定的目的是對器件和系統(tǒng)誤差的常值部分進(jìn)行估計并在系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償，以提高慣性器件的使用精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)級誤差標(biāo)定過程分成粗標(biāo)定和精標(biāo)定過程。粗標(biāo)定即是上述傳統(tǒng)的分立標(biāo)定法，將粗標(biāo)定結(jié)果在系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)進(jìn)入誤差小量線性范圍內(nèi)，利于精標(biāo)定采用卡爾曼濾波器進(jìn)行誤差分離。粗誤差補(bǔ)償后的殘差進(jìn)行系統(tǒng)級標(biāo)定，其目的是將粗標(biāo)定的殘差進(jìn)行分離。標(biāo)定過程流程圖見圖2。通過設(shè)計轉(zhuǎn)臺特殊的轉(zhuǎn)動路徑和轉(zhuǎn)動位置，可進(jìn)一步將剩余的常值誤差激發(fā)，通過一定時間積分，對誤差累積的和進(jìn)行觀測和分離。從而可以對被噪聲所淹沒的確定性誤差標(biāo)定，提高慣性器件和系統(tǒng)的使用精度。

圖2 系統(tǒng)級誤差標(biāo)定原理框圖

系統(tǒng)級標(biāo)定過程流程如圖3所示，其關(guān)鍵技術(shù)在于：

設(shè)計特殊的一系列轉(zhuǎn)臺動作。其目的是孤立、分離交聯(lián)誤差，使某一誤差在某幾個轉(zhuǎn)臺動作中凸現(xiàn)出來，便于分離；

引入導(dǎo)航解算過程，將凸現(xiàn)的某一小量和微量誤差通過時間的累積激發(fā)放大，提高可觀性和可測性。

圖3 系統(tǒng)級標(biāo)定流程圖

4.2.3 多級綜合仿真驗證技術(shù)

1）靜態(tài)導(dǎo)航驗證

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定完成后在轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行一段時間的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)用標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償后，根據(jù)已知的位置、姿態(tài)信息進(jìn)行導(dǎo)航，由導(dǎo)航精度可以判斷標(biāo)定效果。

2）動態(tài)導(dǎo)航驗證

在對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，用三軸仿真轉(zhuǎn)臺模擬慣性系統(tǒng)實際運動過程，預(yù)先設(shè)計各種環(huán)境條件，部分模擬實際航行環(huán)境下慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定的有效性，評估慣導(dǎo)系統(tǒng)在實際工況下的性能。

圖4 綜合仿真驗證系統(tǒng)

利用上述構(gòu)建的仿真環(huán)境模擬搖擺運動、車載試驗環(huán)境及實航試驗環(huán)境，對船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定精度進(jìn)行驗證，并對慣導(dǎo)系統(tǒng)在實際環(huán)境下的導(dǎo)航精度進(jìn)行評估。圖4是本實驗室已研制的某慣導(dǎo)系統(tǒng)仿真仿真驗證系統(tǒng)樣機(jī)。

3）跑車實驗驗證系統(tǒng)［5，10］

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在實際應(yīng)用前，需要盡量模擬實際應(yīng)用環(huán)境，對慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項性能進(jìn)行測試、分析。跑車實驗驗證系統(tǒng)可以較逼真地模擬船的實際運動狀態(tài)，從而分析慣導(dǎo)系統(tǒng)在實際應(yīng)用時的真實性能，為慣導(dǎo)系統(tǒng)的動態(tài)性能評估提供重要的參考依據(jù)。

分析慣導(dǎo)系統(tǒng)在實際應(yīng)用時的真實性能，為慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能評估及改進(jìn)設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

車載試驗系統(tǒng)的功能包括：

·檢驗慣導(dǎo)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力；

·能夠進(jìn)行長時間不間斷的車載試驗，檢驗慣導(dǎo)系統(tǒng)運動環(huán)境下的長航時性能；

·具有多種輔助設(shè)備，檢驗慣性系統(tǒng)與各種設(shè)備間的通信及數(shù)據(jù)融合性能；

·具有高精度基準(zhǔn)參考系統(tǒng)，可以實時評估慣性系統(tǒng)跑車試驗精度。

選取國內(nèi)生產(chǎn)、使用比較成熟的越野車作為原型車進(jìn)行改造。

配置的輔助導(dǎo)航設(shè)備包括，GPS定位接收機(jī)，北斗定位接收機(jī)，水平儀以及陀螺經(jīng)緯儀等。直流供電通過連接多組蓄電池進(jìn)行供電，交流電通過逆變器或車載發(fā)電機(jī)提供。通信網(wǎng)絡(luò)主要由相應(yīng)的CAN 網(wǎng)絡(luò)分析儀、串口卡和同步信號發(fā)生器組成。過渡板包括安裝在車頂行李架上的輔助設(shè)備安裝過渡板和安裝在車廂尾部的系統(tǒng)安裝過渡板。

5 結(jié)語

通過對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差特性分析與建模，采用多級綜合仿真驗證技術(shù)，高精度復(fù)合標(biāo)定方法和跑車驗證系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定和驗證，可直接得到慣性儀表的實際使用參數(shù)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并評估捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

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