激光慣導系統凝固坐標系粗對準方法

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．中國艦船研究院，北京100192)

激光慣導系統凝固坐標系粗對準方法

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．中國艦船研究院，北京100192)

激光慣導系統早已成為北約各國海軍艦艇的主流裝備，我國海軍也將激光慣導系統作為艦艇慣導系統的主要發展方向之一。由于艦艇運動環境的干擾，慣導系統經常處于動基座下完成對準，這對對準方法提出很高的要求。本文在國內外學者研究成果的基礎上，推導基于凝固坐標系的粗對準算法，并利用國內50型激光陀螺慣導系統進行驗證。試驗結果表明，該方法能夠有效隔離載體的動態干擾，系統冷啟動進行3 min粗對準轉入純慣性導航，1 h定位精度達0．7 nm，證明該方法作為動基座慣導系統粗對準方案的可行性。

激光慣導;凝固坐標系;粗對準;動態干擾

0 引言

由于陣風、海浪和發動機振動，以及人員走動等因素的作用，艦艇慣導系統在對準過程中不可避免遭受各種運動干擾。艦艇慣導系統初始對準是經常處于系泊狀態或錨泊狀態下，甚至遇到緊急情況時會在行進間完成初始對準。在動基座下要短時間內提高方位對準精度就必須引入外界輔助措施以測量慣導系統的運動，對運動量進行補償，降低或消除運動的影響。

近年來，國內外一些研究者提出一種以慣性坐標系為參考基準進行晃動干擾基座初始對準的新方法［1－5］，代表產品有iXSea公司的Phins光纖捷聯慣導系統和Octans光纖捷聯羅經系統［6］。該方法的基本原理是：以陀螺測量輸出跟蹤慣性坐標系的變化，將加計輸出在慣性系投影，當濾除載體對地加速度影響后，可觀測到地球自轉引起重力加速度g在慣性系中緩慢漂移旋轉，g的漂移是在以地球自轉軸為主軸的一個錐面內，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上，針對激光慣導系統，對凝固坐標系下粗對準方法進行研究，并驗證該方法作為艦艇慣導系統粗對準方案的可行性。

1 新坐標系定義

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

1)初始導航坐標系 (n0系)：對準初始時刻與導航系重合，對準開始后不隨載體運動而運動，相對地球表面固定不變。

2)初始慣性坐標系 (i0系)：oxi0軸在當地子午面內且平行于赤道平面，ozi0軸指向地球自轉方向，3軸構成右手坐標系，對準開始后相對慣性空間不變。

3)初始地球坐標系 (e0系)：oxe0軸在赤道平面內且指向起始時刻的當地子午線，oze0指向地球自轉方向，3軸構成右手坐標系，對準開始后相對地球固定不變。

4)初始載體凝固坐標系 (ib0系)：起始時刻與載體系b系重合，對準開始后相對慣性空間不變。

2 基于外速度輔助的凝固坐標系動基座粗對準算法

等式右邊各部分根據坐標系定義表示為：

式中：λ0和L0分別為初始時刻慣導系統的精度和緯度;λt和Lt分別為t時刻慣導系統的精度和緯度。代入式 (2)整理得：其中Δλt為t時刻相對初始時刻的經度變化量。

由于ib0系相對慣性空間不變，(t)可以由陀螺測量由下式求得：

代入上式得：

進一步化簡得：

以上2點近似在靜基座情況下可以不用考慮，經近似簡化后，式(11)變為：

為了減小速度測量和加速度測量噪聲干擾的影響，將上式作積分處理得：

在靜基座或晃動基座，即慣導不發生位移情況下，˙vb(t)+(t)×vb(t)=0。取對準總時間的中間時刻和末了時刻，有，利用矩陣構造算法可求得常值矩陣：

3 凝固坐標系粗對準方法精度驗證

為了對凝固坐標系粗對準方法的精度進行驗證，采用表1的仿真參數，進行數學仿真。對準時間3 min，在40 s時開始顯示對準結果，對準結果如圖1所示。2個水平角能很快收斂，且振蕩幅度比較小。航向角在大約80 s時達到理論精度1.2'以內，并在這個范圍內繼續收斂。從仿真結果來看，該方法2 min可完成對準過程，3 min的精度更高一些。

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

圖1 凝固坐標系對準方法仿真結果Fig.1 Simulation result of alignment method based on the solidification coordinates

為了進一步驗證該方法對動基座環境的適應性，對國內50型激光陀螺IMU套進行不同干擾下的對準試驗驗證。第1次將IMU放置于地板上，對準過程中人在旁邊走動、跳躍，增加對系統的干擾;第2次將IMU放置于座椅上，對準過程中輕微搖晃座椅;第3次仍將IMU放置于座椅上，對準過程中拉動座椅作小距離運動。3 min對準結束后轉入導航1 h。圖2～圖4分別是3次試驗導航的速度誤差和位置誤差曲線。

圖2 第1次試驗導航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次試驗導航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次試驗導航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次試驗的干擾程度逐漸增大。從試驗結果來看，第1次試驗結果最差，第2次次之，第3次試驗結果最好，說明凝固坐標系粗對準算法能夠有效消除載體動基座干擾對初始對準精度的影響。眾所周知，對準精度受慣性器件精度水平影響，而對于50型激光陀螺來說，雖然溫度敏感性相比光纖陀螺已經非常好，但是溫度變化仍然會對陀螺漂移產生一定的影響，尤其是系統冷啟動時的一小段時間里，這對于初始對準來講不可忽視。這3次試驗是在系統冷啟動后逐次進行的，可以看到第1次的干擾最小，但由于受冷啟動溫變的影響，對準精度相對較差。推算對于0.7 nm/h的導航精度，對準精度在3'以內，作為粗對準方法是足夠的。

4 結語

本文從凝固坐標系定義出發，推導了基于凝固坐標系的慣導系統粗對準算法，并進行了驗證，得出以下結論：

1)通過3次不同干擾程度的試驗驗證，得出基于凝固坐標系下粗對準方法能有效隔離載體的動態干擾，對準精度與理論上對準極限精度相當，可以作為慣導系統動基座下的粗對準方法。

2)50型激光陀螺慣導系統在冷啟動下對準，有人為干擾情況下對準3 min轉入導航，位置精度優于0.7 nm/h，說明該粗對準方法能夠有效隔離載體動態干擾，在系統啟動受溫度影響的情況下仍能夠達到比較高的對準精度。

本文對慣導系統凝固坐標系粗對準算法的研究能夠為船用捷聯慣導系統的發展提供一定的理論基礎和技術支持。

［1］秦永元，嚴恭敏，顧冬晴，等．搖擺基座上基于g信息的捷聯慣導粗對準研究［J］．西北工業大學學報，2005，23(5)：681－684．

QIN Yong-yuan，YAN Gong-min，GU Dong-qing，et al．A clever way of SINS coarse alignment despite rocking ship［J］．Journal of Northwester Ploytechnical University，2005，23(5)：681－684．

［2］于飛，翟國富，高偉，等．艦船捷聯慣導系統粗對準方法研究［J］．傳感器與微系統，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．捷聯慣導動基座對準新方法及導航誤差抑制技術研究［D］．長沙：國防科技大學，2007．

［4］嚴恭敏，秦永元，衛育新，等．一種適用于SINS動基座初始對準的新算法［J］．系統工程與電子技術，2009，31(3)：634 －639．

YAN Gong-min，QIN Yong-yuan，WEI Yu-xin，et al．New initial alignment algorithm for SINS on moving base［J］．Systems Engineering and Electronics，2009，31(3)：634 －639．

［5］DEYST J J，SUTHERLAND A A．Strapdown inertial system alignment using statistical filters：a simplified formulation［J］．AIAA Journal，1973，11(4)：452 －456．

［6］NAPOLHANO F，GAIFFE T，COTTREAU Y，et al．PHINS-the first high performances inertial navigation system based on fiber optic gyroscopes［C］．9thSaint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems，2002：296 －304．

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，高級工程師，主要從事艦船監造工作。