慣導系統傳遞對準誤差評估方法

杜紅松，尹洪亮，郝 強

(1.海軍研究院，北京100073；2.中國艦船研究院，北京100192；3. 哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

在理論上，可以通過船上主、子慣導的多種參數進行匹配實現傳遞對準[1]。根據匹配參數性質的不同，可將傳遞對準匹配方法分為2類：一類是利用慣導計算的導航參數進行傳遞匹配，稱為計算參數匹配法；另一類是利用慣性元件測量參數進行傳遞匹配，稱為測量參數匹配法。一般來說，測量參數法由于方法直接，其快速性優于計算參數法，但載體結構撓曲運動比計算參數法要敏感，即在同等條件下，其精度低于計算參數法。為解決這一問題，Kain J E和Cloutier J首次提出了“速度”+“姿態”匹配法，它克服了傳統速度匹配法的缺陷，載體只要做特定運動即可實現傳遞對準，從而大大縮短了對準時間，極大地提高了慣導系統的反應速度；Ross C C使用實際的實驗數據，研究了在更新頻率為1 Hz時，速度匹配、積分速度匹配和雙積分速度匹配的性能，研究結果表明：3種方法在估計俯仰角和橫滾角的誤差時，效果基本相同，但在估計方位角誤差時，速度匹配要優于積分及雙積分速度匹配；Rogers R M使用“速度”+“角速率”匹配法進行快速傳遞對準。該方法與“速度”+“姿態”匹配法一樣都能縮短對準時間，但對振動噪聲的敏感性要比“速度”+“姿態”匹配法大[2–3]。

雖然從理論上來說，“速度”+“姿態”匹配傳遞對準有載體機動方式簡單、對準精度較高的特點，但相關的方案設計及仿真研究較少，影響了方案的實際應用因此，所以，本文從工程應用角度出發，提出一種工程化的傳遞對準誤差評估方法，并設計了相關的傳遞對準方案，在此基礎上結合實際應用開展了仿真分析，為后續研究奠定基礎。

1 傳遞對準誤差評估方案設計

首先設計加工一個大的安裝連接托板，將母、子2套慣導系統同時安裝于托板上，并且2套系統之間保留有一定的距離。2套系統之間的姿態基準由托板加工面確定，為了驗證所設計方案對姿態誤差估計的正確性，2套系統之間人為設定一定的姿態偏差和航向偏差。方案驗證時采用載體特定運動來完成傳遞對準過程，即載體在進入傳遞對準狀態后，首先航向角向左運動一定角度，之后再向右運動一定角度，之后保持勻速直航，傳遞對準過程即已完成。對準結束后，通過判斷2套慣導系統機體系之間的安裝誤差角估值的均值是否與事先設定的安裝偏角相等評估所設計方案對姿態及航向誤差的估計準確度情況，各誤差角的估值方差（即重復性）為對準精度。

2 傳遞對準誤差評估算法設計

2.1 姿態量測方程構造

構造如下矩陣：

由（4）式可知，ZDCM為反對稱陣，記ZDCM=則Zx，Zy，Zz可按式（5）確定。

其中，ZDCM按式（4）確定。選取量測量為Zθ=根據式（4），可得姿態量測方程為：

式中，V=?φm可將其視為量測噪聲。

2.2 狀態方程構造

寫成矩陣形式如下：

式中：

量測方程為：

式中：V為零均值Gauss白噪聲。

綜上，設計傳遞對準誤差評估方案流程圖如圖1所示。

3 設計方案研究驗證

3.1 仿真條件

仿真條件如表1所示，載體運動軌跡如表2和表3所示，撓曲變形參數分別為βx=0.8，βy=0.7，βz=撓曲變形角如圖2和圖3所示。

圖1 傳遞對準誤差評估方案流程圖Fig.1 Flow chart of transfer alignment error evaluation scheme

表1 仿真條件Tab. 1 The simulation conditions

3.2 不考慮桿臂與撓曲變形仿真

1）仿真1

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡1運動，選取0.005°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖4所示。

表2 軌跡1Tab.2 Track 1

表3 軌跡2Tab.3 Track 2

圖2 撓曲變形角Fig.2 Deflection angle

圖3 撓曲變形角速度Fig.3 Angular velocity of deflection

2）仿真2

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡1運動，選取0.1°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖5所示。3）仿真3

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡2運動，選取0.005°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖6所示。

4）仿真4

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡2運動，選取0.1°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖7所示。

圖4 傳遞對準誤差Fig.4 Transfer alignment error

圖5 傳遞對準誤差Fig.5 Transfer alignment error

圖6 傳遞對準誤差Fig.6 Transfer alignment error

圖7 傳遞對準誤差Fig.7 Transfer alignment error

從上述仿真結果可以看出，在不考慮撓曲和桿臂的情況下，水平安裝誤差角估計可以迅速收斂且與機動狀態關系不大，經過10 s鐘的對準后，水平安裝誤差角誤差小于1′。航向安裝誤差角對準精度和對準速度主要取決于機動的大小，經過20 s的機動后軌跡1的航向安裝誤差角的對準精度較高小于1′，而對于軌跡2由于航向角速度太小，經過20 s的機動后航向安裝誤差角誤差約為8′。由于安裝誤差角可以事先準確標定，所以安裝誤差角的估計精度能說明失準角的估計角度。

3.3 考慮桿臂與撓曲變形仿真

1）仿真5

設載體按軌跡1運動，選取0.005°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖8所示。

圖8 傳遞對準誤差Fig.8 Transfer alignment error

2）仿真6

設載體按軌跡1運動，選取0.1°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖9所示。

3）仿真7

設載體按軌跡2運動，選取0.005°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖10所示。

圖9 傳遞對準誤差Fig.9 Transfer alignment error

圖10 傳遞對準誤差Fig. 10 Transfer alignment error

4）仿真8

設載體按軌跡2運動，選取0.1°/h的陀螺儀進行仿真，仿真結果如圖11所示。

圖11 傳遞對準誤差Fig.11 Transfer alignment error

從仿真5～仿真8可以看出，當存在桿臂和撓曲變形時，與不考慮桿臂和撓曲變形的情況相比傳遞對準精度受到嚴重影響，這是因為當存在撓曲變形時姿態量測受到撓曲變形的污染而變差。但是對于相同的撓曲變形的情況下，軌跡中角速度越大則對準效果越好，這是因為角速度越大越有利于提高姿態量測得信噪比，有助于提高傳遞對準的精度。因此，在考慮撓曲變形的情況下盡量選擇較大的機動來提高對準精度。

4 結語

本文在分析“速度”+“姿態”匹配傳遞對準方式的基礎上，從工程應用角度出發，提出一種工程化的傳遞對準誤差評估方法，并設計相關的傳遞對準方案，在此基礎上結合實際應用開展考慮/不考慮桿臂與撓曲變形仿真分析。試驗結果表明，所提方法能有效的實現傳遞對誤差評估，為后續應用奠定基礎。