艦載飛行器平臺慣導系統傳遞對準及檢驗方法研究

李雙喜 韓利軍

北京航天自動控制研究所，北京100854

利用標定好的載體主慣導的信息對艦載飛行器子慣導進行傳遞對準是艦載飛行器機動發射的一項重要技術，它的精度與時間決定了艦載飛行器發射導航計算初始姿態的精度與準備時間。慣導系統傳遞對準是動基座對準的一種，是指載體航行時利用已經對準好的主慣導對安裝在載體上的飛行器子慣導進行初始對準。

傳遞對準是用于解決艦載飛行器慣導系統在動基座條件下初始對準問題的一項技術。在傳遞對準過程中，需要引入艦上高精度主慣導系統的導航信息，并以此信息為基準，通過一定的機動航行，消除主、子慣導系統之間的對準誤差，確定出子慣導系統的正確姿態。目前國內外對捷聯慣導的傳遞對準研究較多［1－3］，一般在地理系建立傳遞對準模型。

本文針對艦載飛行器平臺慣導傳遞對準技術，在慣性坐標系建立了速度匹配、“速度+姿態”匹配卡爾曼濾波方程?？紤]艦艇的搖擺運動，進行了不同機動方式下艦載飛行器平臺慣導傳遞對準效果數學仿真，并設計了精度實時檢驗方法。

1 傳遞對準數學模型

本文使用以下幾個坐標系:i 為發射慣性坐標系;b 為載體坐標系;p 為平臺坐標系。

1.1 傳遞對準狀態方程

1.1.1 速度誤差方程發射慣性坐標系內的速度向量方程如式(1):

在慣導計算機中計算的載體速度向量微分方程為［4－5］:

式(2)與(1)相減可以得到:

式中，δg 為引力計算誤差。假設地球為勻質圓球，則可認為為引力系數，R 為子慣導系統所處位置的地心向量，以δg 近似表示R 的計算誤差δR 引起的引力計算誤差，其它由模型不準確造成的引力誤差認為是白噪聲并考慮在wΔ中，則:

綜上，可得主子慣導系統速度誤差方程

1.1.2 位置誤差方程

1.1.3 平臺失準角誤差方程

其中，ε，wε分別為陀螺儀的常值漂移和隨機漂移。

1.2 卡爾曼濾波器設計

1.2.1 狀態方程

綜合速度誤差、位置誤差和平臺失準角誤差方程，可得如下系統狀態方程:

狀態變量為

1.2.2 速度匹配量測方程

取速度誤差作為觀測量，量測方程如下:

其中，H = (03×3I3×303×9)，V(t)為量測噪聲。

1.2.3 “速度+姿態”匹配量測方程

取平臺誤差角和速度誤差作為觀測量，量測方程如下:

2 數學仿真

2.1 運動狀態

(1)飛行器初始參數

俯仰角φ=89°，偏航角ψ=0°，滾動角γ=0°。

(2)艦艇搖擺參數

2)偏航運動參數

3)縱搖運動參數

(3)運動參數

1)直線運動:以一定的速度，沿北向勻速直線航行。

2)圓弧機動:以一定的初速度，100 m 為半徑做圓弧運動。

2.2 慣性器件精度

假設子慣導陀螺常值漂移為0.005(°)/s，加速度計零偏10－5g0。

2.3 仿真結果

(1)速度匹配

?

(2)“速度+姿態”匹配

?

3 精度檢驗方法

由于傳遞對準系統精度受到多方面因素的影響，還需要設計精度檢驗方法對傳遞對準在實際工作情況下達到的精度進行驗證。方法如下:

1)將主慣導、子平臺慣性導航系統與雙星定姿系統(即利用2個按一定角度安裝的星敏器同時測量2 顆恒星，從而解算出子平臺慣性導航系統的姿態信息)固定安裝在鋼板上，鋼板固定在試驗船上;

2)主慣導對準后，開始導航解算。試驗船以預定航行速度開始行駛;

3)試驗船行駛過程中，子平臺慣性導航系統進行快速粗調平、方位粗對準;

4)試驗船行駛過程中，子平臺慣性導航系統利用主慣導傳遞的信息進行傳遞對準;

5)雙星定姿系統通過測量恒星，實時輸出子平臺慣性導航系統的姿態信息;

6)傳遞對準完成后，利用雙星定姿系統對傳遞對準的精度進行評估。

圖1 精度檢驗方法框圖

4 結論

采用速度匹配方法時，艦艇的機動可以有效提高對準的精度并縮短對準時間。采用“速度+ 姿態”匹配方法時，不需要艦艇做特殊的機動，就可以在較短的時間內達到較高的精度。但是實際對準時，艦艇的形變及振動可能對對準精度造成影響，還需要進行大量的試驗來對對準方法進行檢驗。

［1］王司，鄧正龍. 慣導系統動基座傳遞對準技術綜述［J］. 中 國 慣 性 技 術 學 報，2003，11 (2):61-67.(WANG Si，DENG Zhenglong. Technique Review of Transfer Alignment for Inertial Navigation Systems on Moving Base［J］. Journal of Chinese Inertial Technology，2003，11(2):61-67.)

［2］郝曙光，張洪鉞.幾種傳遞對準方程的比較研究［J］.慣性技術學報，2003，11(6):53-63. (HAO Shuguang，ZHANG Hongyue. Comparison of Different Transfer Alignment Equations［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2003，11(6):53-63.)

［3］陳建華，洪貞啟.傳遞對準技術研究現狀及其在潛射導彈中的應用展望［J］. 飛航導彈，2011，9(9):50-53.(CHEN Jianhua，HONG Zhenqi. The Research Status of Transfer Alignment and Prospects of Appling in Submarine-based Missile［J］.Aerodynamic Missile Journal，2011，9(9):50-53.)

［4］王東升，艾光彬，呂善民，張玉龍，趙愛武. 艦載平臺式慣導系統的傳遞對準［J］. 中國慣性技術學報，2009，17(1):24-27. (WANG Dongsheng，AI Guangbin，LV Shanmin，ZHANG Yulong，ZHAO Aiwu.Transfer Alignment for Shipboard Platform Inertial Navigation System［J］. Journal of Chinese Inertial Technology，2009，17(1):24-27.)

［5］韓海軍，陳家斌.艦船在風浪干擾下的快速傳遞對準技術研究［J］.北京理工大學學報，2004，24(10):894-896. (HAN Haijun，CHEN Jiabin. A Study on the Rapid Transfer Alignment in Marine Environment［J］.Transactions of Bejing Institute of Technology，2004，24(10):894-896.)