捷聯慣導系統傳遞對準中的時間補償算法

徐 翔

?

捷聯慣導系統傳遞對準中的時間補償算法

徐 翔

(海軍駐昆明地區軍事代表辦事處, 云南 昆明, 650031)

為了減小或消除時間延遲的影響, 提高系統動基座傳遞對準精度, 提出了一種捷聯慣導系統傳遞對準過程中對主、子慣導間信息傳輸時間延遲的補償算法。該算法利用子慣導導航解算過程中的相關數據和延遲時間, 對傳遞信息中因時間延遲產生的誤差進行補償修正, 并用修正后的主慣導信息進行動基座傳遞對準。車載試驗結果證明, 該方法可有效提高系統傳遞對準精度, 減小傳遞對準時間, 補償算法有效可行。

捷聯慣導系統; 傳遞對準; 時間延遲; 補償算法

0 引言

捷聯慣導系統傳遞對準是指利用精度較高的主慣導系統輸出的速度、姿態等信息, 實現子慣導系統的初始對準工作, 與自主對準相比, 傳遞對準對載體在對準期間的機動限制較小, 有利于實現動基座對準, 被認為是目前最好的對準方法之一[1]。

在動基座條件下, 主慣導系統信息的傳輸延遲對傳遞對準有著明顯的影響[2], 本文以速度匹配傳遞對準為例, 分析了時間延遲對傳遞對準的影響機理, 提出了一種在時間延遲已知條件下的誤差補償算法, 并通過車載試驗進行了驗證。

1 傳遞對準中的時間延遲

所謂時間延遲是指, 主慣導輸出的導航信息不能立即傳遞到子慣導系統, 而是在延遲了一段時間后才到達子慣導系統。產生時間延遲的主要原因包括主、子慣導間的通信時間和信息傳遞通道上各信息中轉滯留[3]。在實際情況中, 時間延遲包括固定延遲和隨機延遲, 延遲時間通常是不固定且未知的。

傳遞對準過程是選擇若干觀測量, 通過主、子慣導一段時間內輸出信息的匹配觀測, 估計子慣導的數學平臺誤差并予以修正, 使主、子慣導輸出信息誤差的方法達到最小。

以速度匹配傳遞對準為例, 所選觀測量為載體運動的東向速度和北向速度, 當主、子慣導輸出的速度信息誤差的方差達到最小時, 子慣導系統完成對準。其表達式為

當主、子慣導間存在延遲時, 式(1)變換為

不難看出, 當載體處于靜基座或勻速直線運動條件下時, 系統的對準過程不受影響, 但當系統處于機動條件下時, 將導致系統對準時間加長甚至導致產生一定的對準誤差。

2 基于速度匹配傳遞對準的時間延遲補償方案

通過以上分析不難看出, 時間延遲影響傳遞對準主要原因是子慣導用于匹配計算的主慣導信息并非當前時刻主慣導輸出量[4], 因此, 補償算法為在用于匹配計算的主慣導信息中疊加一個誤差補償量, 使補償后的主慣導信息盡可能反映載體當前時刻載體的運動狀態, 系統量測方程為

式中:為子慣導系統的導航解算周期;為系統輸出在導航坐標系內的運動加速度, 可直接從子慣導導航解算過程中獲得。

由于本算法建立在延遲時間已知的條件下, 故, 準確測量主、子慣導間的信息傳輸延遲是本算法成立的前提條件, 具體實現方法如下。

使用時間同步技術實現主、子慣導間的時鐘對準, 同時在傳遞信息中加入時標信息, 記錄該組信息的產生時刻。子慣導系統在讀取信息后, 只需要將其中的時標與本地時鐘對比, 即可獲得信息傳輸過程中的延遲時間。

3 時間延遲補償算法車載驗證試驗

根據以上補償算法進行車載驗證試驗, 試驗中通過人為在主慣導信息傳輸過程中加入100 ms時間延遲來模擬真實的環境, 采用高精度INS（inertial navigation system）+GPS（global positioning system）組合導航系統模擬主慣導, 考察主、子慣導間的姿態誤差和速度誤差。

將有關試驗數據繪制成圖, 其中, 未進行時間延遲補償時, 主、子慣導間的姿態誤差和速度誤差分別如圖1(a)和圖2(a)所示, 在進行了時間補償后, 主、子慣導間的姿態誤差和速度誤差分別如圖1(b)和圖2(b)所示。圖1中, 實線代表俯仰角誤差, 虛線代表滾動角誤差。圖2中, 實線代表北向速度誤差, 虛線代表東向速度誤差。

通過對誤差圖和車載驗證試驗結果的分析可知, 未進行時間延遲補償前, 系統的姿態和速度誤差均存在較大的噪聲, 誤差較大且不穩定。在進行時間延遲補償后, 系統對準精度及穩定性明顯提高。

圖1 時間延遲補償前后姿態誤差圖

圖2 時間延遲補償前后速度誤差圖

4 結束語

本文提供的算法為已知固定時間延遲的補償算法, 在實際系統中, 時間延遲包括固定延遲和隨機延遲, 即使是固定延遲, 也不容易精確測量。因此, 采用統一時鐘技術并在傳輸信息中加入時間標簽是最優的解決方案。

[1] 袁信, 俞濟祥, 陳哲. 導航系統[M]. 北京: 航空工業出版社，1993.

[2] 游文虎, 姜復興. INS/GPS 組合導航系統的數據同步技術研究[J] . 中國慣性技術學報, 2003, 11(4): 21-23.

You Wen-hu, Jiang Fu-xing. Data Synchronization Tech- nology of INS/GPS Integrated Navigation System[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2003, 11(4): 21- 23.

[3] 肖進麗, 潘正風, 黃聲享. GPS/INS組合導航系統時間同步方法研究[J] . 測繪通報, 2007(4): 27-29.

Xiao Jin-li, Pan Zheng-feng, Huang Sheng-xiang. Time Sy- nchronization Method of GPS/INS Integrated Navigation System[J]. Bulletin of Surveying of and Mapping, 2007(4): 27-29.

[4] 陳兵舫, 張育林, 趙華麗. 組合導航系統時間不同步對 INS初始對準的影響[J]. 中國空間科學技術, 2001(5): 13- 20.

Chen Bing-fang, Zhang Yu-lin, Zhao Hua-li. Effect of Time Asynchronous of Integrated Navigation System on Initial Alignment of Inertial Navigation System[J]. Chi- nese Space Science and Technology, 2001, (5): 13-20.

A Time Delay Compensation Algorithm for Transfer Alignment in Strapdown Inertial Navigation System

XU Xiang

(Military Representative Office, Stationed in Kunming, Kunming 650031, China )

To reduce the influence of time delay, and enhance the precision of transfer alignment for movable base, a compensation algorithm for information transmission time delay between master and slave strapdown inertial navigation systems (SINS) in transfer alignment is proposed. The algorithm uses the delay-time and the relevant data in solving process of the slave inertial navigation system to compensate the errors caused by time delay in information transmission, and performs transfer alignment of the movable base according to the corrected information of master inertial navigation system. Test results show that the proposed algorithm can improve the transfer alignment accuracy and reduce transfer alignment time.

strapdown inertial navigation system(SINS); transfer alignment; time delay; compensation algorithm

TJ630.33；P227.9

A

1673-1948(2011)04-0282-03

2011-06-07;

2011-07-08.

徐 翔(1978-), 男, 工程師, 主要研究方向為魚雷反潛.

(責任編輯: 楊力軍)