捷聯雙態陀螺羅經模型研究*

陳建國 張迎輝

(1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室 上海 201108)(2.上海航海儀器有限責任公司 上海 200129)

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捷聯雙態陀螺羅經模型研究*

陳建國1張迎輝2

(1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室 上海 201108)(2.上海航海儀器有限責任公司 上海 200129)

捷聯系統是慣性導航設備發展的必然趨勢。傳統雙態陀螺羅經模型具有抗干擾能力強、在高緯度區可正常使用、在線測漂等優點,可借鑒到現代捷聯羅經設計中。論文介紹了捷聯羅經應用傳統雙態陀螺羅經模型的思路和方法,并給出了模型框圖和程序流程圖。

雙態羅經; 捷聯系統; 方位儀狀態

Class Number U666.12

1 引言

電控陀螺羅經是常用的艦船導航設備,它為載體提供航向信息,保障航行安全。現代固態陀螺的出現和計算機技術的快速發展,為開發捷聯羅經提供了可能。捷聯羅經將慣性敏感元件(陀螺和加速度計)直接“捆綁”在載體上,由高速計算機代替框架結構,完成指北功能。與傳統羅經系統相比,它有如下優點[1]:

1) 采用軟件實現指北,采用數字濾波方法克服載體搖擺誤差,實現靈活,更新方便;

2) 捷聯系統無框架結構,體積小,重量輕;

3) 減少了各種加工誤差風險,敏感元件便于安裝、維修和更換;

4) 捷聯系統在傳統羅經提供航向的基礎上,還提供水平信息和姿態角速度信息,內容更豐富;

5) 捷聯系統敏感元件易于重復布置,實現冗余技術,這對提高性能和可靠性十分有利。

雖然傳統羅經與捷聯羅經在硬件結構上有較大差別,但其基本原理卻是相似的。即通過敏感元件測量當地地球旋轉角速率和重力加速度信息,找到當地北向信息,這個過程即慣性導航系統中的對準[2]。雙態陀螺羅經含羅經狀態和方位儀狀態,在低緯度下,工作在羅經狀態;高緯度或測漂需要時,可工作在方位儀狀態。將傳統羅經雙態模型借鑒到捷聯羅經設計中,可提高系統抗干擾能力,擴大導航區域,增加在線測漂能力等;傳統理論與現代科技結合,具有十分重要意義。

2 傳統雙態羅經模型

傳統電控陀螺羅經采用框架結構,利用電磁擺(或加速度計)和陀螺儀敏感重力和地球自轉角速度信息,經計算輸出電磁力矩,控制陀螺儀跟蹤當地北向,框架結構起到隔離載體運動的作用。雙態陀螺羅經含羅經狀態和方位儀狀態,在低緯度下,擺信號輸出經控制系統放大,輸給水平力矩器(水平修正回路)及方位力矩器(方位修正回路),形成閉環,驅動陀螺主軸指北,保證羅經精度,這就是所謂羅經狀態[3]。在高緯度下(一般大于±70°),由于地球自轉的水平分量減弱,找北能力急劇下降,羅經模型誤差大,這時一般拉斷方位修正回路(緯度補償依然存在),形成開環,這就是所謂方位儀工作狀態,其原理圖見圖1,虛線部分在方位儀狀態斷開。

圖1 電控陀螺羅經狀態原理圖

具體實現中,傳統羅經在啟動后經歷修平和快穩兩個階段,稱之為初始羅經對準,然后才進入羅經導航狀態。“修平”階段,電磁擺(或加速度計)輸出的電壓信號經放大、相敏整流后的全部電流都輸送給陀螺水平力矩器,使主軸快速修正至一定水平精度。“快穩”階段,由電磁擺輸出的電壓信號經放大、相敏整流后,幾乎全部流入方位力矩器,以產生最大的找北力矩,使陀螺球主軸以最快的速度靠近子午面;整流后的很小部分電流流入水平力矩器,產生快穩阻尼。這兩個階段的信號來源都是電磁擺信號,但由于參數設計不同,分配給陀螺水平力矩器和方位力矩器的力矩大小差異較大;羅經狀態是兩者參數的折中,方位儀狀態與修平狀態模型基本相同。

雙態羅經的方位儀工作狀態在高緯度下可減小羅經原理本身帶來的大誤差,為用戶提供了另一種選擇,在有其它高精度導航設備的參照下,還可估計出陀螺儀的漂移,并實時補償,因此,在面世之初,受到極大好評。但由于方位修正是開環的,其航向誤差與慣性導航系統一樣,隨時間積累,其誤差積累速度取決于陀螺儀本身的漂移誤差[4]。隨著現代材料、工藝的發展和新型陀螺儀表的出現,陀螺精度較以前有了大幅度的提升,雙態羅經的開發與研究仍然具有現實意義。

3 捷聯羅經模型及參數

捷聯羅經實現方案較多,比較典型的有傳統羅經法、卡爾曼濾波法等。卡爾曼濾波法找北速度快,但對外界測量信息的準確性依賴較強,抗干擾能力較差[5];羅經法具有理論成熟、對外界信息依賴小、動態誤差穩定的特點,仍然在現代捷聯羅經設計中有一席之地,但由于羅經原理限制,振蕩周期較長(無阻尼振蕩周期達84.4min),找北速度較慢[6]。將兩者有機結合將是一個不錯選擇。

論文先介紹捷聯系統的羅經指北方案,該方案是通過構造數學平臺代替傳統羅經系統的真實平臺,因此可以將框架系統的羅經對準方法移植到捷聯系統中,也就是說將傳統羅經對準中用于控制平臺運動的信號流,使用數學方法實現。數學平臺構造原理如圖2所示[7]。

圖2 捷聯羅經數學平臺

圖3 捷聯羅經對準北向水平通道

對反饋網絡離散化,即可得到羅經狀態北向通道的計算模型:

Δt為系統解算周期。

圖4 捷聯羅經對準方位通道

同樣,得到方位通道的計算模型:

KN1、KN2、KN3、KU1、K(s)等參數的選取,應根據實際使用環節,結合準確性和快速性要求,經仿真后,適當選取[8]。參照傳統羅經,初始對準分為修平階段和快穩階段;在修平階段,KN2、KN3較大,KN1較小,開關Q(如圖4)斷開,即僅提供修平力矩;在快穩階段,開關Q閉合,KU1較小,K(s)增益較大,以保證將主軸較快“拉”到子午面。與Kalman濾波對準相比,羅經對準不依賴外部信息,但速度較慢;在有外接準確信息(如速度、位置等),一般采用Kalman濾波對準,對準速度較快。進入導航狀態后,捷聯羅經的兩種工作狀態,羅經狀態和方位儀狀態,當開關Q接通時,反饋信息接入捷聯平臺,設備工作于羅經狀態;Q斷開時,捷聯平臺處于開環狀態(緯度補償依然存在),設備處于方位儀狀態。這時,捷聯解算平臺方位驅動角速度為ωcU=ωiesinφ,即地理坐標系當地地球自轉角速度的垂直分量,由于陀螺漂移及外界干擾引起的羅經誤差將無法補償,航向誤差隨時間積累,這也是方位儀狀態無法長期工作的主要原因。方位儀狀態在載體靜態或勻速直航狀態下,利用外界較高精度的航向信息,可估計出陀螺的航向漂移量,利用這一信息,可對捷聯平臺的陀螺漂移量進行定期補償,這是方位儀狀態的另一大優勢[9]。

4 捷聯羅經軟件流程

圖5 捷聯雙態羅經程序流程圖

有了借鑒傳統雙態羅經的基本思路,在確定參數并對模型進行離散化后,就可考慮軟件的設計了。某捷聯雙態羅經的程序流程圖如圖5所示。該流程中,初始對準方式可選擇,在系統可獲得準確速度或位置信息,并且載體靜態或勻速直航狀態時,采用Kalman濾波對準方式,否則采用羅經對準方式;導航模式根據緯度不同,設置為羅經狀態或方位儀狀態,在預知艦船機動航行時間較長的情況下,也可進入方位儀狀態,待機動航行結束后,重新進入羅經導航方式;在設備使用一段時間(一般以月計)后,陀螺儀漂移可能發生一些變化,在設備軟件流程中設置了測漂選擇(模型與方位儀狀態相同),在載體靜態或勻速直航狀態(橫搖和縱搖角較小),可進入測漂功能,利用一段時間(可取1小時),測出漂移值,系統自動進行航向補償;在某捷聯羅經中將該方案實施,通過了靜態試驗、搖擺試驗及跑車試驗證明,傳統雙態羅經模型借鑒到捷聯羅經是可行、有效的。

5 結語

隨著固態陀螺技術和捷聯系統技術的不斷發展和成熟,由于有結構簡單、性能可靠、輸出信息豐富的優點,捷聯羅經成為未來艦船自主導航設備的發展趨勢[10]。它利用現代卡爾曼濾波技術,實現快速穩定;利用數字濾波手段,靈活克服搖擺干擾。借鑒傳統雙態羅經模型,對外部信息依賴小,抗干擾能力強;可克服高緯度區域航行羅經誤差大的原理性弊端,可在線估算陀螺漂移誤差。因此,將傳統雙態羅經模型借鑒到捷聯羅經設計中,取長補短,可取得不錯的效果。

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Study of Strapdown Double-state Gyrocompass Model

CHEN Jianguo1ZHANG Yinghui2

(1. Military Representatives Office of Underwater Sound & Navigation System in Shanghai Area, Shanghai 201108) (2. Shanghai Marine Instrument Co., Ltd., Shanghai 200129)

Strapdown system is the development trend of inertial navigation equipment. The traditional two-state gyrocompass model has strong anti-interference ability, can be used in high latitude area and can measure drift online. The model can be used in modern strapdown gyrocompass. This paper introduces the ideas and methods of the application of traditional two-state gyrocompass model in strapdown gyrocompass, and gives the block diagram of the model and the software flow chart.

two-state gyrocompass, strapdown system, directional gyro mode

2014年10月5日,

2014年11月27日

陳建國,男,碩士,工程師,研究方向:艦船導航。張迎輝,男,工程師,研究方向:艦船導航及裝備維修。

U666.12

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.014