葛孚寧，尹洪亮

(1．海軍駐武漢四三八廠軍代表室，湖北武漢430060;2．中國(guó)艦船研究院，北京100192)

激光慣導(dǎo)系統(tǒng)凝固坐標(biāo)系粗對(duì)準(zhǔn)方法

葛孚寧1，尹洪亮2

(1．海軍駐武漢四三八廠軍代表室，湖北武漢430060;2．中國(guó)艦船研究院，北京100192)

激光慣導(dǎo)系統(tǒng)早已成為北約各國(guó)海軍艦艇的主流裝備，我國(guó)海軍也將激光慣導(dǎo)系統(tǒng)作為艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。由于艦艇運(yùn)動(dòng)環(huán)境的干擾，慣導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)基座下完成對(duì)準(zhǔn)，這對(duì)對(duì)準(zhǔn)方法提出很高的要求。本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)基于凝固坐標(biāo)系的粗對(duì)準(zhǔn)算法，并利用國(guó)內(nèi)50型激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效隔離載體的動(dòng)態(tài)干擾，系統(tǒng)冷啟動(dòng)進(jìn)行3 min粗對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)入純慣性導(dǎo)航，1 h定位精度達(dá)0．7 nm，證明該方法作為動(dòng)基座慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對(duì)準(zhǔn)方案的可行性。

激光慣導(dǎo);凝固坐標(biāo)系;粗對(duì)準(zhǔn);動(dòng)態(tài)干擾

0 引言

由于陣風(fēng)、海浪和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，以及人員走動(dòng)等因素的作用，艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中不可避免遭受各種運(yùn)動(dòng)干擾。艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)是經(jīng)常處于系泊狀態(tài)或錨泊狀態(tài)下，甚至遇到緊急情況時(shí)會(huì)在行進(jìn)間完成初始對(duì)準(zhǔn)。在動(dòng)基座下要短時(shí)間內(nèi)提高方位對(duì)準(zhǔn)精度就必須引入外界輔助措施以測(cè)量慣導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償，降低或消除運(yùn)動(dòng)的影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究者提出一種以慣性坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)進(jìn)行晃動(dòng)干擾基座初始對(duì)準(zhǔn)的新方法［1－5］，代表產(chǎn)品有iXSea公司的Phins光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和Octans光纖捷聯(lián)羅經(jīng)系統(tǒng)［6］。該方法的基本原理是：以陀螺測(cè)量輸出跟蹤慣性坐標(biāo)系的變化，將加計(jì)輸出在慣性系投影，當(dāng)濾除載體對(duì)地加速度影響后，可觀測(cè)到地球自轉(zhuǎn)引起重力加速度g在慣性系中緩慢漂移旋轉(zhuǎn)，g的漂移是在以地球自轉(zhuǎn)軸為主軸的一個(gè)錐面內(nèi)，最終可從g的漂移圖中確定出地理北向。

本文在前人研究的成果基礎(chǔ)上，針對(duì)激光慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)凝固坐標(biāo)系下粗對(duì)準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，并驗(yàn)證該方法作為艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對(duì)準(zhǔn)方案的可行性。

1 新坐標(biāo)系定義

為分析方便，除常用的導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)、載體坐標(biāo)系(b系)、地心慣性坐標(biāo)系(i系)、地球坐標(biāo)系(e系)外，引入以下幾種新的坐標(biāo)系［5］：

1)初始導(dǎo)航坐標(biāo)系 (n0系)：對(duì)準(zhǔn)初始時(shí)刻與導(dǎo)航系重合，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始后不隨載體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，相對(duì)地球表面固定不變。

2)初始慣性坐標(biāo)系 (i0系)：oxi0軸在當(dāng)?shù)刈游缑鎯?nèi)且平行于赤道平面，ozi0軸指向地球自轉(zhuǎn)方向，3軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始后相對(duì)慣性空間不變。

3)初始地球坐標(biāo)系 (e0系)：oxe0軸在赤道平面內(nèi)且指向起始時(shí)刻的當(dāng)?shù)刈游缇€，oze0指向地球自轉(zhuǎn)方向，3軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始后相對(duì)地球固定不變。

4)初始載體凝固坐標(biāo)系 (ib0系)：起始時(shí)刻與載體系b系重合，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始后相對(duì)慣性空間不變。

2 基于外速度輔助的凝固坐標(biāo)系動(dòng)基座粗對(duì)準(zhǔn)算法

等式右邊各部分根據(jù)坐標(biāo)系定義表示為：

式中：λ0和L0分別為初始時(shí)刻慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和緯度;λt和Lt分別為t時(shí)刻慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和緯度。代入式 (2)整理得：其中Δλt為t時(shí)刻相對(duì)初始時(shí)刻的經(jīng)度變化量。

由于ib0系相對(duì)慣性空間不變，(t)可以由陀螺測(cè)量由下式求得：

代入上式得：

進(jìn)一步化簡(jiǎn)得：

以上2點(diǎn)近似在靜基座情況下可以不用考慮，經(jīng)近似簡(jiǎn)化后，式(11)變?yōu)椋?/p>

為了減小速度測(cè)量和加速度測(cè)量噪聲干擾的影響，將上式作積分處理得：

在靜基座或晃動(dòng)基座，即慣導(dǎo)不發(fā)生位移情況下，˙vb(t)+(t)×vb(t)=0。取對(duì)準(zhǔn)總時(shí)間的中間時(shí)刻和末了時(shí)刻，有，利用矩陣構(gòu)造算法可求得常值矩陣：

3 凝固坐標(biāo)系粗對(duì)準(zhǔn)方法精度驗(yàn)證

為了對(duì)凝固坐標(biāo)系粗對(duì)準(zhǔn)方法的精度進(jìn)行驗(yàn)證，采用表1的仿真參數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。對(duì)準(zhǔn)時(shí)間3 min，在40 s時(shí)開(kāi)始顯示對(duì)準(zhǔn)結(jié)果，對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如圖1所示。2個(gè)水平角能很快收斂，且振蕩幅度比較小。航向角在大約80 s時(shí)達(dá)到理論精度1.2'以內(nèi)，并在這個(gè)范圍內(nèi)繼續(xù)收斂。從仿真結(jié)果來(lái)看，該方法2 min可完成對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，3 min的精度更高一些。

表1 器件誤差仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of IMU errors

圖1 凝固坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)方法仿真結(jié)果Fig.1 Simulation result of alignment method based on the solidification coordinates

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法對(duì)動(dòng)基座環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)國(guó)內(nèi)50型激光陀螺IMU套進(jìn)行不同干擾下的對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證。第1次將IMU放置于地板上，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中人在旁邊走動(dòng)、跳躍，增加對(duì)系統(tǒng)的干擾;第2次將IMU放置于座椅上，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中輕微搖晃座椅;第3次仍將IMU放置于座椅上，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中拉動(dòng)座椅作小距離運(yùn)動(dòng)。3 min對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后轉(zhuǎn)入導(dǎo)航1 h。圖2～圖4分別是3次試驗(yàn)導(dǎo)航的速度誤差和位置誤差曲線。

圖2 第1次試驗(yàn)導(dǎo)航1 h的速度和位置誤差曲線Fig.2 Velocity and position errors about one hour navigation for the first test

圖3 第2次試驗(yàn)導(dǎo)航1 h的速度和位置誤差曲線Fig.3 Velocity and position errors about one hour navigation for the second test

圖4 第3次試驗(yàn)導(dǎo)航1 h的速度和位置誤差曲線Fig.4 Velocity and position errors about one hour navigation for the third test

3次試驗(yàn)的干擾程度逐漸增大。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，第1次試驗(yàn)結(jié)果最差，第2次次之，第3次試驗(yàn)結(jié)果最好，說(shuō)明凝固坐標(biāo)系粗對(duì)準(zhǔn)算法能夠有效消除載體動(dòng)基座干擾對(duì)初始對(duì)準(zhǔn)精度的影響。眾所周知，對(duì)準(zhǔn)精度受慣性器件精度水平影響，而對(duì)于50型激光陀螺來(lái)說(shuō)，雖然溫度敏感性相比光纖陀螺已經(jīng)非常好，但是溫度變化仍然會(huì)對(duì)陀螺漂移產(chǎn)生一定的影響，尤其是系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)的一小段時(shí)間里，這對(duì)于初始對(duì)準(zhǔn)來(lái)講不可忽視。這3次試驗(yàn)是在系統(tǒng)冷啟動(dòng)后逐次進(jìn)行的，可以看到第1次的干擾最小，但由于受冷啟動(dòng)溫變的影響，對(duì)準(zhǔn)精度相對(duì)較差。推算對(duì)于0.7 nm/h的導(dǎo)航精度，對(duì)準(zhǔn)精度在3'以內(nèi)，作為粗對(duì)準(zhǔn)方法是足夠的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從凝固坐標(biāo)系定義出發(fā)，推導(dǎo)了基于凝固坐標(biāo)系的慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對(duì)準(zhǔn)算法，并進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)3次不同干擾程度的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出基于凝固坐標(biāo)系下粗對(duì)準(zhǔn)方法能有效隔離載體的動(dòng)態(tài)干擾，對(duì)準(zhǔn)精度與理論上對(duì)準(zhǔn)極限精度相當(dāng)，可以作為慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座下的粗對(duì)準(zhǔn)方法。

2)50型激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)在冷啟動(dòng)下對(duì)準(zhǔn)，有人為干擾情況下對(duì)準(zhǔn)3 min轉(zhuǎn)入導(dǎo)航，位置精度優(yōu)于0.7 nm/h，說(shuō)明該粗對(duì)準(zhǔn)方法能夠有效隔離載體動(dòng)態(tài)干擾，在系統(tǒng)啟動(dòng)受溫度影響的情況下仍能夠達(dá)到比較高的對(duì)準(zhǔn)精度。

本文對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)凝固坐標(biāo)系粗對(duì)準(zhǔn)算法的研究能夠?yàn)榇媒萋?lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

［1］秦永元，嚴(yán)恭敏，顧冬晴，等．搖擺基座上基于g信息的捷聯(lián)慣導(dǎo)粗對(duì)準(zhǔn)研究［J］．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23(5)：681－684．

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［2］于飛，翟國(guó)富，高偉，等．艦船捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對(duì)準(zhǔn)方法研究［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(5)：15 －20．

YU Fei，ZHAI Guo-fu，GAO Wei，et al．Research on coarse alignment for vessel strapdown inertial navigation system［J］．Transducer and Microsystem Technologies，2009，28(5)：15－20．

［3］練軍想．捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)新方法及導(dǎo)航誤差抑制技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2007．

［4］嚴(yán)恭敏，秦永元，衛(wèi)育新，等．一種適用于SINS動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的新算法［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(3)：634 －639．

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Research on coarse alignment method based on the solidification coordinates of ring laser gyro inertial navigation system

GE Fu-ning1，YIN Hong-liang2
(1．Naval Deputation in Wuhan 438 District，Wuhan 430060，China;2．China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Ring Laser Gyro(RLG)Inertial Navigation System(INS)has become the mainstream of NATO naval equipment，which also as one of the main development direction for ship's INS by our navy．Due to the interference of ship motion environment，alignment method designing is very complex for completing the alignment of INS on moving base．Based on the research achievements of the domestic and the abroad scholars，coarse alignment method is calculated，and related tests are carried out．The test results show that the coarse alignment can effectively isolated the dynamic interference．If INS is transfer to pure inertial navigation after coarse alignment about 3 minutes，navigation accuracy is 0．7 nm/h．So，the coarse alignment method based on the solidification coordinates as INS coarse alignment scheme on moving base is suitable．

RLG INS;the solidification coordinates;coarse alignment;dynamic interference

U666．1

A

1672－7649(2014)06－0121－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.024

2014－03－14

葛孚寧(1967－)，男，高級(jí)工程師，主要從事艦船監(jiān)造工作。