自航式誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)構建與導航控制參數(shù)解算

孫權

（海裝廣州局駐昆明第一軍代室，云南 昆明650107）

自航式誘餌（下簡稱誘餌）欺騙來襲魚雷和敵方聲吶，可掩護我潛艇機動規(guī)避，對于潛艇生存具有重要意義。目前誘餌朝著大航程、尺度模擬、誘殺型方向發(fā)展，這要求誘餌航行中能精確進行導航和控制，而誘餌目前控制導引精度不高。

主要原因是傳統(tǒng)航向陀螺漂移誤差較大；不能完全補償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)影響；擺式加速度計、垂直陀螺給出的姿態(tài)角不精確；受浪涌影響，陀螺啟動瞬間受各種干擾，隨機漂移較大，加劇降低航向角和姿態(tài)角精度；誘餌速度一般由螺旋槳或電機轉(zhuǎn)速折算，精度低，積累誤差大[1]。

而捷聯(lián)慣性技術具有許多優(yōu)點：導航控制參數(shù)解算時考慮了地球自轉(zhuǎn)和載體相對地球運動，其航向角、姿態(tài)角、速度精度較高；大幅度地降低了陀螺啟動時間，可縮短系統(tǒng)準備時間；能提供更多且為數(shù)字化的導航控制參數(shù)，有利于應用數(shù)字濾波技術進一步提高參數(shù)精度；克服了傳統(tǒng)敏感元件大角度測量限制，有利于解決敏感元件輸出不正常引起的非控段問題；較大程度上減少了敏感元件復雜性，便于維護[2-3]。

1 誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)構建

誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)由慣性測量組件和導航計算機組成，慣性測量組件包括陀螺和加速度計。陀螺測量載體相對慣性坐標系（i系）在載體坐標系（b系）三個軸上的角速度上角標b表示角速度在載體坐標系上的投影。陀螺信號經(jīng)采樣送至導航計算機，誤差補償后進行姿態(tài)矩陣（也稱捷聯(lián)矩陣）計算，再利用即時值計算首向角H、俯仰角θ和橫滾角γ，由首向角可進一步計算航向角。與此同時，加速度計組件測量沿載體坐標系三個軸的加速度信號，輸入導航計算機，經(jīng)誤差補償后，通過姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換成沿平臺坐標系各軸的加速度信號（本文平臺坐標系取為地理坐標系），然后進一步計算即可得到誘餌速度及其位置。

2 誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)控制參數(shù)解算

2.1 姿態(tài)矩陣計算

誘餌載體坐標系OXbYbZ（bb系）可由地理坐標系OXtYtZt（t系）繞坐標軸依次旋轉(zhuǎn)H、θ、γ三個角度得到，H、θ、γ為誘餌首向角、俯仰角、橫滾角，t系到b系的變換矩陣為：

根據(jù)剛體定點轉(zhuǎn)動理論，載體坐標系相對地理坐標系的轉(zhuǎn)動還可通過四元數(shù)法來表示[4]。設四元數(shù)q表示b系相對t系之間的轉(zhuǎn)動，q=q0+q1ib+q2jb+q2kb，其中ib、jb、kb為四元數(shù)向量部分的基，其方向與載體坐標系三個軸一致。

四元數(shù)q與捷聯(lián)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣Tbt的關系為[2]：

q的即時值可由下式計算：

式（3）中，q（t）、q（t－T）分別為時間t和t－T時刻的四元數(shù)，T為導航控制參數(shù)解算周期，［Δθ］和Δθ0分別為：

式（7）中，ωie為地球自轉(zhuǎn)角速率，L為誘餌緯度，計算公式如下：

式（8）中：Vx、Vy即為誘餌運動速度在地理坐標系中分量；R為地球半徑。

2.2 誘餌航向角及姿態(tài)角計算

誘餌首向角H取值范圍為［0.2π］，俯仰角θ為［-π/2，π/2］，橫滾角γ為［-π，π］，設誘餌發(fā)射瞬間航向基準坐標系的OXS軸與北向夾角為H0，考慮到誘餌航向取值為［-π，π］，則誘餌航向為：

2.3 誘餌速度計算

在指北方位系統(tǒng)中，慣性導航系統(tǒng)基本方程為[5]：

2.4 誘餌深度計算

誘餌深度可由誘餌垂直方向速度分量積分而得：

2.5 誘餌位置計算

誘餌經(jīng)度λ、緯度L可采用如下公式計算：

注意，采用公式（13）計算的深度是發(fā)散的，實際工程中可以采用深、淺水壓力組合傳感器對誘餌深度進行測量的。

3 結(jié)語

在誘餌中通過慣性測量組件和導航計算機構建起捷聯(lián)慣性系統(tǒng)，進行誘餌航向角、姿態(tài)角、速度、深度、位置等導航控制參數(shù)解算，可以提高航向角、姿態(tài)角等控制參數(shù)精度，降低陀螺啟動時間，降低成本，提高可靠性和維修性，有利于提高誘餌機動性和精確制導，有利于誘餌實現(xiàn)大傾角下潛和大角度旋回，迅速達到航行深度開展對抗，有效欺騙敵方聲吶和來襲魚雷，提高作戰(zhàn)效能。