一種魚雷加速度計(jì)零偏現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

阮 衛(wèi), 郝 喆, 宋喜發(fā), 張秦南, 王立文, 國(guó)琳娜

一種魚雷加速度計(jì)零偏現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

阮 衛(wèi), 郝 喆, 宋喜發(fā), 張秦南, 王立文, 國(guó)琳娜

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對(duì)魚雷慣性測(cè)量組合需定期拆卸標(biāo)定的問(wèn)題, 文中提出一種適用于魚雷慣性測(cè)量組合的免拆卸標(biāo)定方法。在靜基座條件下, 以速度誤差作為觀測(cè)量建立卡爾曼濾波模型, 先估計(jì)現(xiàn)場(chǎng)失準(zhǔn)角后估計(jì)天向加速度計(jì)零偏, 結(jié)合3個(gè)不同位置的姿態(tài)矩陣和天向加速度計(jì)零偏, 完成對(duì)慣性測(cè)量組合加速度計(jì)零偏的求解。仿真結(jié)果表明, 該方法有效可行, 可為魚雷現(xiàn)場(chǎng)免拆卸標(biāo)定提供借鑒。

魚雷; 加速度計(jì)零偏; 標(biāo)定

0 引言

限于目前的技術(shù)及工藝水平, 慣性測(cè)量組合參數(shù)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生一定的變化, 導(dǎo)致慣性測(cè)量組合性能產(chǎn)生一定程度的下降, 進(jìn)而影響導(dǎo)航系統(tǒng)的使用, 因此需要定期對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。魚雷光纖測(cè)量組合傳統(tǒng)標(biāo)定方法是對(duì)其進(jìn)行拆卸返廠, 利用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行位置標(biāo)定和速率標(biāo)定。該方法標(biāo)定精度高, 但工作量大、成本較高[1-2], 而且不利于魚雷戰(zhàn)備完整性, 因此需要研究魚雷慣性測(cè)量組合現(xiàn)場(chǎng)免拆卸標(biāo)定方法。

慣性測(cè)量組合誤差以導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的形式表現(xiàn)出來(lái), 所以可通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差方程, 分析慣性測(cè)量組合誤差的可觀測(cè)性, 給出其現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。Pittman等[3-4]利用雙軸環(huán)架旋轉(zhuǎn)三位置, 直接從靜態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差方程中估計(jì)器件漂移。張紅良[5]利用全局可觀測(cè)性方法對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)常值誤差的可觀測(cè)性進(jìn)行分析。趙曉偉等[6]根據(jù)陀螺漂移和水平加速度計(jì)可觀測(cè), 設(shè)計(jì)了一種車載四位置標(biāo)定方案對(duì)其進(jìn)行估計(jì), 但未實(shí)現(xiàn)所有加速度計(jì)零偏估計(jì), 其對(duì)位置精度也有要求。趙星宇等[7]建立了陀螺儀和加速度計(jì)誤差模型加入慣性導(dǎo)航解算, 并進(jìn)行了狀態(tài)變量可觀測(cè)性分析, 設(shè)定了發(fā)射車的路徑軌跡, 讓每個(gè)誤差參數(shù)均可被激勵(lì)。另有學(xué)者將加速度計(jì)標(biāo)定問(wèn)題轉(zhuǎn)換為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題, 提出一種基于自適應(yīng)遺傳算法的加速度計(jì)快速標(biāo)定方法, 但該方法需要進(jìn)行多位置旋轉(zhuǎn)[8-9]。

魚雷在現(xiàn)場(chǎng)一般都是放置在雷箱或雷車上, 無(wú)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)特殊位置轉(zhuǎn)動(dòng)或機(jī)動(dòng)。利用卡爾曼濾波估計(jì)出的慣性測(cè)量組合誤差一般是在導(dǎo)航坐標(biāo)系下表示, 需要轉(zhuǎn)換到雷體坐標(biāo)系下才能進(jìn)行補(bǔ)償。張秦南[10]所提對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)雷體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣的精確補(bǔ)償。

文中通過(guò)分析導(dǎo)航系統(tǒng)誤差方程中慣性測(cè)量組合誤差的可觀測(cè)性, 結(jié)合對(duì)準(zhǔn)修正技術(shù), 提出一種靜基座條件下魚雷加速度計(jì)零偏三位置現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易標(biāo)定方法, 以實(shí)現(xiàn)魚雷大修周期內(nèi)慣性測(cè)量組合免拆卸標(biāo)定。

1 理論分析

導(dǎo)航坐標(biāo)系選取北天東坐標(biāo)系, 雷體坐標(biāo)系選取前上右坐標(biāo)系, 靜基座條件下雷體導(dǎo)航系統(tǒng)誤差方程為

利用可觀測(cè)性相關(guān)分析理論[11]對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程進(jìn)行分析, 系統(tǒng)狀態(tài)方程為

系統(tǒng)量測(cè)方程為

系統(tǒng)可觀測(cè)矩陣為

表1 特征值與對(duì)應(yīng)的特征向量組合

2 方案設(shè)計(jì)

圖1 三位置標(biāo)定方案設(shè)計(jì)

3 數(shù)學(xué)模型

利用式(2)、式(4)建立卡爾曼濾波模型, 卡爾曼濾波步驟如下。

狀態(tài)一步預(yù)測(cè)

狀態(tài)一步預(yù)測(cè)均方誤差

濾波增益

狀態(tài)估計(jì)

狀態(tài)估計(jì)均方誤差

4 數(shù)學(xué)仿真分析

每個(gè)位置靜止300 s, 在每個(gè)位置先進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn), 橫滾角和俯仰角初始化為零, 姿態(tài)矩陣修正后得到的姿態(tài)角如表3所示。

表2 姿態(tài)角真實(shí)值

表3 姿態(tài)角估計(jì)值

表3中俯仰角和橫滾角的最大絕對(duì)誤差為0.06°, 由此可知, 魚雷經(jīng)過(guò)初始對(duì)準(zhǔn)可以得到精確的俯仰角和橫滾角。3個(gè)位置的天向加速度計(jì)濾波估計(jì)曲線見圖2, 具體估計(jì)值見表4。

圖2 天向加速度計(jì)零偏估計(jì)值

表4 各位置天向加速度計(jì)零偏估計(jì)值

表5 加速度計(jì)零偏估計(jì)值

表5中, 加速度計(jì)零偏絕對(duì)誤差最大值為0.09×10–3, 滿足低等測(cè)量精度慣性測(cè)量組合標(biāo)定的要求。為驗(yàn)證姿態(tài)角對(duì)加速度計(jì)零偏估計(jì)精度的影響, 對(duì)不同姿態(tài)角情況下的標(biāo)定方法進(jìn)行仿真。

表6 姿態(tài)角設(shè)置值

表7 加速計(jì)零偏估計(jì)值

由表7可知, 不同姿態(tài)角最后得到的加速度計(jì)估計(jì)精度量級(jí)是相同的。式(9)中加速度計(jì)常值零偏的估計(jì)精度取決于姿態(tài)角估計(jì)精度, 而模型不變, 姿態(tài)角估計(jì)精度不變。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差方程中的天向加速度計(jì)零偏進(jìn)行可觀測(cè)性分析, 設(shè)計(jì)了一種魚雷加速度計(jì)零偏免拆卸標(biāo)定方法, 仿真結(jié)果表明該方法可對(duì)中低等精度慣性測(cè)量組合中的加速度計(jì)零偏進(jìn)行有效檢測(cè), 與傳統(tǒng)標(biāo)定方法相比無(wú)需機(jī)動(dòng), 且對(duì)位置無(wú)精度要求, 結(jié)合文獻(xiàn)[13]所提的陀螺漂移現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法, 可完成魚雷慣性測(cè)量組合主要誤差項(xiàng)標(biāo)定方案設(shè)計(jì), 為彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)免拆卸標(biāo)定研究提供借鑒。

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Method of Field Calibration for Torpedo AccelerometerZero Bias

RUAN Wei, HAO Zhe, SONG Xi-fa, ZHANG Qin-nan, WANG Li-wen, GUO Lin-na

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To solve the problem in which a torpedo inertial measurement unit is required to disassemble for calibration regularly. In this study, a disassembly free calibration method for a torpedo inertial measurement unit is proposed. By using velocity errors as observations to establish the Kalman filtering model on a stationary base, first, the misalignment angle is estimated; second, vertical accelerometer zero bias is estimated, and the attitude matrix of three positions and upward accelerometer zero bias are used to solve the accelerometer bias of the inertial measurement unit. Simulation results show that this method is effective and feasible for torpedo-field disassembly free calibration.

torpedo; accelerometer zero bias; calibration

TJ630; U666.12; V249.3

A

2096-3920(2021)03-0363-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.018

阮衛(wèi), 郝喆, 宋喜發(fā), 等. 一種魚雷加速度計(jì)零偏現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(3): 363-367.

2020-06-30;

2020-09-27.

阮 衛(wèi)(1993-), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲗?dǎo)航與控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)