引入外速度的激光陀螺羅經水平對準方法*

張 健 路君里 辛月寬 靳碧耀

(中船航海科技有限責任公司 北京 100070)

引入外速度的激光陀螺羅經水平對準方法*

張 健 路君里 辛月寬 靳碧耀

(中船航海科技有限責任公司 北京 100070)

激光陀螺羅經作為一種價格相對低廉、精度適中的導航設備,必將在導航領域受到廣泛的重視。文中針對激光陀螺羅經研制與實現關鍵技術之一水平通道控制技術進行了研究與驗證。分析驗證了現階段水平通道控制技術中存在的問題,提出引入外速度補償的水平對準方法,實現機動環境下的水平對準。

激光陀螺; 平臺羅經; 水平對準; 水平阻尼

(CSSC Marine Technology Co., Ltd, Beijing 100070)

Class Number U666.151

1 引言

激光陀螺羅經是一種精密而又復雜的導航儀器,能夠連續提供艦船等運載體的航向及橫縱搖信息,進而為艦船上的武備、控制等系統提供精確的基準信息[1～2]。相比較于艦船上高精度的主慣性導航設備,激光陀螺羅經雖是配設備,但可以很好地滿足各系統需求,而且價格相對較低,其在艦船上的作用是不可替代的。所以一直以來激光陀螺羅經的發展深受各國家青睞[3]。

本文研究分析了傳統羅經系統的水平對準方法,針對現存水平對準過程受艦船機動航行及艦船搖擺影響,提出了引入外速的水平對準方法。實現機動環境下的水平對準。

2 二節水平對準方法的研究

激光陀螺羅經屬于捷聯式平臺羅經,其姿態矩陣代替實體平臺,起到慣性器件量測基準的作用。在系統工作之前,必須進行初始對準以保證系統精度。初始對準過程一般可分為水平對準和方位對準兩步,水平對準是方位對準的基礎,因此,水平對準研究的意義十分重大[4]。

傳統羅經系統的二階水平對準回路原理如圖1、圖2所示,東向和北向的水平對準回路類似,在兩個回路中加入的阻尼環節相同。以北向水平回路為例,▽x表示加速度計的零位誤差;adx表示加速度計測量到干擾加速度;εy表示陀螺的常值漂移;▽εy表示陀螺儀測量到的干擾信息;ωcx表示控制角速度;φx表示水平北向誤差角;k1和k2表示二階水平對準回路中的參數[5]。

圖1、圖2所示的水平對準回路特征方程為

(1)

式(1)表明,該系統是一個二階系統,標準二階系統的特征方程如式(2)所示：

s2+2ξωns+ωn2=0

(2)

對比式(1)與式(2)兩個特征方程,可以得到羅經二階水平對準回路的參數k1和k2。

(3)

式中,ξ表示阻尼系數,ωn表示沒有阻尼情況下的自然頻率。

假設水平對準的調節時間為60秒,選取誤差帶Δ=0.05,由二階系統動態性能指標可知調整時間為

(4)

實際應用中,常取

(5)

(6)

3 引入外速度補償的二節水平對準方法

二階水平對準的實質是在系統中加入阻尼環節,使導航誤差中的舒勒震蕩分量衰減下來,以達到快速水平對準的目的。但與此同時舒勒調諧條件被破壞,水平對準過程中會受到加速度干擾,影響水平對準[6]。為了克服該影響,在二階水平對準過程中引入外速度信息,對載體加速度引起的對準誤差進行補償,以達到較高的水平對準精度。

3.1 載體加速度對水平對準的影響

以系統北向水平對準通道為例,假設將通道中加入的阻尼環節等效為Hy(s),則北向水平通道的等效圖如圖3所示。

圖3 水平對準北向通道方塊圖

為適當簡化分析過程,圖3中只考慮載體加速度的作用,未考慮加速度計誤差ΔAy,等效陀螺漂移誤差εx,初始誤差角α0等誤差源,假設這些誤差源為0。

圖3中θx(s)是地理坐標系在慣性空間轉動的角度;φx(s)是姿態矩陣解算出的數學平臺在慣性空間轉動的角度。則水平傾角α為

α(s)=φx(s)-θx(s)

(7)

其中：

(8)

將式(8)代入式(7),整理得：

(9)

一般情況下,對于慣導解算過程,艦船運動加速度并不算太大,其帶來的誤差不是很大,而且由于阻尼的作用,一次加速度或者速度干擾產生的誤差將在一到兩個舒勒周期后消失。但一個舒勒周期長達84.4min,而且一般載體在一個周期這么長的時間段內,其機動是經常性的,更嚴重的是這種干擾所產生的誤差角可能是累積的。對于水平對準過程,對準時間短、對準精度高是其最終目標,因此降低載體加速度及速度對水平對準誤差角的影響是極為必要的。

3.2 引入外速度的水平對準分析

如果在運載體上有測量外部速度的設備,而且測量精度較高,比如電磁計程儀、多普勒計程儀等,則可以將測得的外速度信息引入水平對準過程中,實現有外速度補償的水平對準[7]。下面從理論上根本的分析有外速度補償時,載體加速度及速度對水平誤差角的影響。

以北向水平對準通道為例來說明引入外速度補償的水平對準問題。圖4所示為北向水平對準通道方塊圖,圖中通過阻尼網絡[1-Hy(s)]將外測速度引入到系統中。

圖4 北向水平對準通道方塊圖

圖中外測速度信息Vry是真實速度Vy與外速度誤差δVry之和。

從圖4可知：

α(s)=φx(s)+Lx(s)-θx(s)

(10)

其中：

(11)

Vry(s)=Vy(s)+δVry(s)

(12)

將式(11)、(12)代入式(10),并整理得：

(13)

從物理意義上講,引入外速度到水平對準網絡,并不能起到阻尼的作用,而是給在系統中加入了一條補償通道,補償掉由于加速度引入而帶入系統的干擾誤差。雖然這一過程又給系統帶來了新的外速度誤差δVry(s),但外速度誤差δVry(s)相比于運載體的速度Vy要小得多,通過對比式(9)與式(13)可知,引入較高精度的外速度信息可以大大提高水平對準精度,而不再產生過大的動態誤差。

進一步分析外速度誤差對水平對準精度的影響。根據拉氏變換微分定理：

即：

(14)

將式(14)代入式(13)得：

(15)

因此,采用引入外速度補償的水平對準時,不一定要求連續提供外部速度信號,可以只在判明載體處于機動狀態的情況下接入。而當載體作等速直線航行時且搖擺不明顯的情況下,斷開外速度信號,這樣可以減少外速度誤差變化率造成的誤差。

4 實驗仿真分析

為了驗證水平對準受載體加速度的影響,以及當向系統引入外部速度信息時對該影響的補償效果,本節設計了兩組實驗：第一組在不同載體加速度情況下進行水平對準,第二組在第一組的基礎上進行外速度補償,以驗證外速度補償效果。

4.1 實驗仿真環境

為驗證本章理論分析,分別以下兩組實驗環境下進行2分鐘水平對準。

實驗一：載體以[5m/s,5m/s,0m/s]的初始速度航行,在航行過程中分別以[-0.1m/s2,-0.1m/s2,0m/s2]和[-0.5m/s2,-0.5m/s2,0m/s2]的加速度做勻加速直線運動。

實驗二：沿用實驗一方案的載體機動條件,用加速度計算速度代替外速度引入到系統中,進行外速度補償的水平對準實驗。

艦船在海面上系泊或者航行,受海浪及風等自然條件的影響,不可避免的會產生搖擺加速度,對搖擺基座環境建模如下[10]。

當載體存在搖擺時,模型可以表示為

(16)

當載體存在縱蕩、橫蕩、垂蕩引起的線速度時,模型可以表示為

(17)

當載體存在高頻振動引起的線速度時,模型可以表示為

(18)

上述各模型中參數的取值如表1所示。

表1 搖擺模型參數取值

慣性測量元件的相關誤差參數見表2。

表2 慣性測量元件誤差參數

水平對準的時間設置見表3。

表3 水平對準時間

4.2 實驗仿真結果

在實驗一條件下分別進行50次水平對準仿真實驗,加速度為[-0.1m/s2,-0.1m/s2,0m/s2]的水平對準結果圖如圖5所示,加速度為[-0.5m/s2,-0.5m/s2,0m/s2]的結果圖如圖6所示。

圖5 50次較小加速度情況下二階水平對準結果圖

圖6 50次較大加速度情況下二階水平對準結果圖

比較兩結果圖可知,兩次實驗結果均不能夠滿足水平對準要求,但較之圖5的結果圖6的對準結果更差一些,說明當載體加速度越大時其對水平對準的影響越大。

在實驗二條件下分別進行50次水平對準仿真實驗,經過外速度補償后加速度為[-0.1m/s2,-0.1m/s2,0m/s2]的水平對準結果圖如圖7所示,經過外速度補償后加速度為[-0.5m/s2,-0.5m/s2,0m/s2]的結果圖如圖8所示。

圖7 50次外速度補償后較小加速度情況下二階水平對準結果圖

圖8 50次外速度補償后較大加速度情況下二階水平對準結果圖

從圖7與圖8可以很直觀的看出,經過外速度補償后兩種機動條件下的水平對準結果均有了很大的改善。兩次實驗50次外速度補償后的水平對準結果均值及標準差見表4。

表4 補償前后水平誤差角均值及標準差對比

從表4可知,在實驗一中,兩種加速度條件下的機動運動均使水平對準精度不能滿足要求,而且加速度為[-0.5m/s2,-0.5m/s2,0m/s2]的水平誤差角的均值與標準差都要比加速度為[-0.1m/s2,-0.1m/s2,0m/s2]的稍大,機動運動本身影響了敏感器件對地球自轉及重力加速度的敏感,同時也加劇了搖擺運動對水平對準的影響,因此在兩種加速運動情況下都無法滿足對準要求。在實驗二中,向系統中引入了外速度信息,可以看到兩種加速度條件下的水平對準均已有了很大的改善,水平誤差角均值都在1′以內,水平誤差角標準差均在0.1′以內。外速度信息的引入相當于在系統回路中加入了一條補償通道,將加速度引入到系統中的干擾信息補償掉,以提高水平對準精度。

5 結語

本文從原理上分析了載體加速度對二階水平對準的影響,同時提出將外速度信息引入到二階水平對準環路,以補償載體加速度對水平對準的影響,并在理論上論證了該方法的可行性。同時應用Matlab模擬不同加速度的機動環境,在該環境下對引入加速度信息前后的水平對準進行仿真,實驗結果驗證了引入外速度補償方法的可行性。引入外速度補償水平對準方法的提出對提高艦船機動性有著極其重要的作用。

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Horizon Alignment Method Introducing External Velocity for Laser Gyro Compass

ZHANG Jian LU Junli XIN Yuekuan JIN Biyao

Laser gyro compass as a relatively inexpensive, moderate precision navigation equipment, receives considerable attention in the field of navigation. The research and verification on horizon channel control technology which was one of the key technologies for development and realization of laser gyro compass had been done in this paper. The research started from the traditional horizon alignment and found some disadvantages of horizon control technology at present. In order to overcome the influence of maneuvering motion on the horizon alignment and the influence of swing acceleration on the horizontal alignment, the horizon alignment methods were proposed, in which external velocity was introduced for compensation.

laser gyro, platform compass, horizon alignment, horizontal damping network

2016年6月7日,

2016年7月26日

張健,男,工程師,研究方向：慣性導航,衛星導航。路君里,男,高級工程師,研究方向：衛星導航,慣性導航。辛月寬,男,工程師,研究方向：慣性導航,衛星導航。靳碧耀,男,工程師,研究方向：慣性導航,衛星導航。

U666.151

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.015