一種改進的艦載機快速傳遞對準方法

王勇軍，徐景碩，王曉飛，羅恬穎

（1. 海軍航空工程學院青島校區，青島 266041；2. 92514部隊，煙臺 264007；3. 南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063）

一種改進的艦載機快速傳遞對準方法

王勇軍1,2，徐景碩1，王曉飛3，羅恬穎1

（1. 海軍航空工程學院青島校區，青島 266041；2. 92514部隊，煙臺 264007；3. 南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063）

為提高艦載機的快速反應能力，設計了一種測量參數組合匹配傳遞對準新方法。以艦載機慣導的姿態四元數和移動基準慣導的姿態四元數為切入點，通過四元數乘法構建量測量，并與角速度匹配組合構成量測方程，可有效克服傳統姿態角匹配計算量大的不足，并獲得較好的快速性和濾波精度。給出了數學模型，闡述了工作思路，推導了量測方程，并在艦載條件下進行了分析比較和仿真驗證。仿真結果表明，采用本文提出的方法可獲得良好的穩健性、快速性和準確性，估計精度與角速度加姿態角匹配方案的精度相當，計算量也明顯減小。艦載機慣導系統不但在不到10 s的時間里就完成了對失準角和安裝誤差角的估計，估計精度均在0.5＇以內，還能在不到100 s的時間里完成對陀螺漂移的估計，實現對陀螺器件的標定。

捷聯慣導系統；快速傳遞對準；測量參數匹配；組合匹配；角速度匹配；姿態四元數

傳遞對準常被作為艦載機捷聯慣導系統初始對準的首選方案[1-2]。為適應準確、快速的作戰要求，艦載機慣導系統傳遞對準必須具備良好的準確性和快速性。艦載慣導傳遞對準的精度[3]主要來自慣導安裝誤差、甲板變形和慣性器件誤差等因素的影響。且因艦船龐大體型，傳遞對準一般在艦船低幅度線運動和角運動的條件下進行。按照匹配性質，傳遞對準[4]可分為測量參數匹配和計算參數匹配。

總體而言，測量參數匹配，如角速度匹配，姿態角匹配，其快速性好，但估計精度不高，而計算參數匹配，如速度匹配，其估計精度較高，但響應時間較長?！八俣?姿態”[5-6]匹配雖可以提高快速性和估計精度，但對變形角的估計時間較長，且無法估計慣性器件誤差。由于受風浪影響，船體軸會產生扭矩，會使得機載慣導感測的角速度和母艦慣導感測到的角速度有較大偏差,無法直接將其角速度信息進行匹配。若采用角速度匹配法，可以采用移動基準慣導作為參考基準。姿態角匹配可以提供較為平滑的匹配信號，角速度匹配對運載體的運動狀態敏感，比較適用[7]于艦船這種低動態環境下的傳遞對準。由于角速度匹配和姿態角匹配都加強了對姿態誤差的耦合，如將兩者組合可有效提高對失準角和安裝誤差角的觀測性，有望獲得較好的快速性和準確性。

考慮到姿態角匹配的量測方程較為復雜，計算量較大，本文擬采用角速度加姿態四元數匹配，旨在提高快速性和對準精度的同時，有效減小計算量，實現艦載機慣導的快速傳遞對準。仿真結果驗證了該方案的有效性，并在相同條件下與角速度加姿態角匹配方案進行了比較。

1 基本思路

設主、子慣導的導航坐標系為東北天地理坐標系，艦體（機體）坐標系方向為右前上。由于受風浪影響，甲板變形幅度較大，不能直接將母艦慣導和艦載機慣導的角速度信息進行比對。可以采用移動基準慣導系統和艦載機慣導系統進行機電匹配?？焖賯鬟f對準原理如圖1所示。由于姿態誤差角、動態撓曲變形角和安裝誤差角的存在，艦載機慣導確定的姿態矩陣為：

圖1 快速傳遞對準原理圖Fig.1 Schematic of rapid transfer alignment

2 數學模型

2.1 系統狀態方程

2.2 角速度匹配量

2.3 姿態四元數匹配量

式中，n′和n′分別為基準慣導和艦載機慣導計算導航坐標系，φ和 φm分別為艦載機慣導和基準慣導的姿態誤差角。

忽略向量叉乘引起的二階小量，展開并整理式(4)得：

根據狀態變量，結合參考文獻[5]，姿態角匹配量為

從式(6)(7)可以看出，姿態四元數匹配量的計算量明顯小于姿態角匹配量的計算量。

2.4 角速度+姿態四元數匹配量

由式(3)(6)得角速度+姿態四元數匹配量測方程：

3 仿真驗證

艦體右前上三軸搖擺[10]幅值分別為5°、5°和6°，搖擺周期分別6 s、8 s和9 s。甲板動態變形的相關時間分別為1000 s、3000 s、2000 s。艦船運動軌跡：在0～20 s內以0 m/s的初速度，0.5 m/ s2的加速度勻加速直線航行，在20～80 s等速直線航行，在80～90 s以-0.5 m/ s2的加速度勻減速直線航行，之后一直等速直線航行。

圖2 東向失準角估計誤差Fig.2 Estimation error of misalignment angle in east direction

圖3 北向失準角估計誤差Fig.3 Estimation error of misalignment angle in north direction

圖4 天向失準角估計誤差Fig.4 Estimation error of misalignment angle in up direction

圖5 陀螺漂移估計誤差Fig.5 Estimation error of gyro drift

圖6 安裝誤差角估計誤差Fig.6 Estimation error of installation error angle

從圖2～圖7中可以看出，“角速度+姿態角”匹配和“角速度+姿態”四元數匹配傳遞對準的精度相當。“角速度+姿態”四元數匹配方案的響應時間更快。本文采取的方案在不到10 s的時間內完成了對失準角和安裝誤差角的估計，估計精度在0.5′內。100 s的時間里可以完成對甲板動態撓曲變形角的估計，估計精度在 0.1′內，其影響可以忽略。同時還完成了對陀螺器件漂移的估計，估計精度達3×10-3(°)/h。

4 結 論

通過理論分析和仿真驗證得知，采用基于“角速度+姿態”四元數匹配方案可以在不降低精度的情況下，不但在很短的時間內完成對失準角和安裝誤差角的估計，還能有效減少計算量。采用此方案可獲得良好的穩健性、快速性和準確性，能快速實現艦載機慣導傳遞對準，實現對陀螺器件的標定，從而有效提高艦載機的快速反應能力。

（

）：

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Improved rapid transfer alignment method for SINS of carrier plane

WANG Yong-jun1,2, XU Jing-shuo1, WANG Xiao-fei3, LUO Tian-ying1
(1. Qingdao Campus of Naval Aeronautical and Astronautical University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 92514 of PLA, Yantai 264007, China; 3. Institute of Information Engineering, Nanchang HangKong University, Nanchang 330063, China)

To improve the quick reaction capability of shipborne plane, a new transfer alignment method based on integrated matching of measurement parameters is designed. Based on the attitude quaternions of strapdown inertial navigation systems (SINS) both in the shipborne plane and the mobile reference, the measurements are built by quaternion multiplication, and the measurement equation is formed by integrating with the angular rate matching. Meanwhile, the mathematic model is given, the work method is expatiated, and the measurement equation is applied to shipborne SINS. The simulation results show that this method can reduce heavy calculation burden of traditional attitude match and obtain better robustness rapidity and filtering accuracy. Its estimation precision is the same with that of the method based on angular rate plus attitude angle match, while its calculation amount is much less. The SINS of shipborne plane can complete the estimations of misalignment angle and installation error angle in 10 s and the estimation precision is over 0.5′. Meanwhile, it can estimate gyro drift in 100 s and realize the calibration for gyro components.

strapdown inertial navigation system; rapid transfer alignment; measurement parameter match; integration match; angular rate match; attitude quaternion

聯 系 人：徐景碩（1965—），男，教授，博士生導師。E-mail：xujingshuo@sina.com

1005-6734(2014)05-0597-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.05.008

V249.32+2

A

2014-00-00；

2014-00-00

王勇軍（1978—），男，工程師，博士研究生，從事慣導對準和組合導航研究。E-mail：wang94095@sina.com