基于傳遞對準技術(shù)的艦船基準一體化方案研究＊

向 前 孫睿智 楊 斌

（海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）

1 引言

隨著艦載雷達、導彈、火炮、直升機等裝備對感知距離和打擊精度要求的不斷提高，對精確的姿態(tài)基準需求也不斷增大。目前由裝備自帶局部基準提供姿態(tài)信息的方式雖可滿足裝備自身需求，但增加了對艦總體資源的消耗，不利于全艦集成優(yōu)化，同時由于各局部基準精度的差異及船體動態(tài)變形的影響，制約了全艦統(tǒng)一基準的精度，影響對目標感知和武器打擊精度的匹配。

為了建立以主慣導為中心的全艦統(tǒng)一基準，需要實時測量主慣導與艦載裝備處的船體變形，雖然工程上已提出了光管法、攝影對準、應變儀測量等方法，但仍存在使用限制條件較多，保障難度較大或者精度不足等問題［1］。

傳遞對準技術(shù)是指利用已對準好的主慣導系統(tǒng)導航參數(shù)如位置、速度、姿態(tài)角與子慣導（局部基準）相應導航參數(shù)進行匹配，估計出子慣導相對主慣導的姿態(tài)失準角，建立子慣導數(shù)學平臺并對其導航參數(shù)進行初始化的過程。其優(yōu)點是可以充分發(fā)揮主慣導精度高的優(yōu)勢，加快子慣導的初始對準速度，提高對準精度。其優(yōu)點是無需額外的對準設(shè)備，適裝性較好，能夠?qū)崟r得到測量點結(jié)構(gòu)變形，并可達到較高的精度。因此，傳遞對準技術(shù)在國外機載武器上已得到廣泛應用，如美國的“哈姆”空地反輻射導彈、“捕鯨叉”空艦導彈、英國的“海鷹”空艦導彈、德國與挪威聯(lián)合研制的“企鵝”空艦導彈等都應用了該技術(shù)［2］。

本文分析了艦載設(shè)備局部基準對準需考慮的因素及面臨的問題，并提出了基于傳遞對準技術(shù)的全艦基準一體化初步方案。

2 對準技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 常用的傳遞對準技術(shù)體制

艦艇－武器慣導對準本質(zhì)上屬于動基座傳遞對準，其原理圖如下：

圖1 動基座傳遞對準技術(shù)原理

按照量測量的獲取來源，動基座傳遞對準濾波估計主要包括計算參數(shù)匹配、測量參數(shù)匹配以及混合參數(shù)匹配等模式，主要包括積分量匹配、位置匹配、速度匹配、加速度匹配、角速度匹配、速度＋加速度匹配、速度＋姿態(tài)匹配、速度＋角速度匹配等。

2.2 影響艦載裝備傳遞對準精度的主要因素

2.2.1 撓曲變形

由于船體并非剛體，在不同載荷、海浪撞擊及溫度效應等復雜因素的作用下，船體結(jié)構(gòu)會發(fā)生彈性變形，加上設(shè)備安裝導致子慣導各軸與主慣導各軸之間存在的固定角度誤差，綜合起來主慣導和子慣導之間的船體結(jié)構(gòu)撓曲變形的峰值可達到1°左右［1］。此外，來自水下的沖擊（如深水炸彈）或戰(zhàn)斗損傷也會引起的艦船結(jié)構(gòu)的嚴重變形。

船體結(jié)構(gòu)撓曲變形對采用角運動參量的匹配方法影響較大，必須進行估計和補償，可采用的方法有理論建模法和近似數(shù)學模型法。前者需要建立主慣導與局部基準間精確的結(jié)構(gòu)模型，受制于平臺載體、環(huán)境的變化以及計算能力，這類方法的精度和實時性難以令人滿意［3］；后者多將結(jié)構(gòu)撓曲變形視為Markov過程進行建模［4～5］，但作為一種近似方法，建模誤差將引入對準精度。

2.2.2 時延和桿臂效應

傳遞對準需要主、子慣導之間量測數(shù)據(jù)和估計數(shù)據(jù)的交互，由于二者位置不同必然存在時延。為了補償這一誤差，應當建立時間統(tǒng)一系統(tǒng)，對二者輸出的慣性量測數(shù)據(jù)進行精確標定和同步，并在算法中進行相應的修正［6］。

桿臂效應是指載體進行角運動時，由于主、子慣導之間位置不同導致二者感測到的加速度和速度不同的現(xiàn)象，這部分誤差也必須在算法中建立模型消除其影響［7］。

2.2.3 艦船主慣導工作模式影響

艦船主慣導雖然精度較高，但其主要是設(shè)計為保障航行需求的。為了滿足長時間工作的需要，主慣導系統(tǒng)一般會采用計程儀阻尼，衛(wèi)星組合導航等來提高長時間導航精度，而組合導航模式下主慣導系統(tǒng)導航結(jié)果易受計程儀信息、衛(wèi)星信息的影響。往往存在因狀態(tài)切換，誤差修正等原因造成的主慣導誤差傳遞規(guī)律變化，如數(shù)據(jù)跳變，短時無輸出等異常［11］，對傳遞對準性能造成一定影響。

2.3 幾種傳遞對準匹配模式比較

位置匹配模式是最基本的計算參數(shù)匹配模式。主要特點是主子慣導系統(tǒng)之間的桿臂效應誤差補償算法簡單，對主子慣導系統(tǒng)之間的撓曲變形不敏感，對主基準信息的時間同步性要求較低，工程上較易實現(xiàn)。位置匹配模式傳統(tǒng)上主要適用于載體航向機動便利且具有充分準備時間的高精度慣導系統(tǒng)，對快速反應能力要求較高的武器系統(tǒng)一般不采取位置匹配方式。

速度匹配模式是目前使用較多的計算參數(shù)匹配模式，其原理與位置匹配模式相同，主要優(yōu)點是對主子慣導系統(tǒng)之間的撓曲變形不敏感，對主基準信息的時間同步性要求較高，工程實現(xiàn)所需的保障措施較少；缺點是對準時間稍長，且桿臂效應對對準的影響較大，主子慣導之間的桿臂誤差必須精確到分米級。

加速度匹配模式主要適用于主子慣導均為捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的情況，原理上相當于在速度匹配模式中加入了一個微分環(huán)節(jié)，因此其對準所需時間較短，且通過載體的有效機動，還可估計出子慣導系統(tǒng)的方位失準角。但由于加速度信息屬于快變信息，對實時性要求較高，受載體撓曲加速度影響較大，要求載體機動，工程實現(xiàn)較困難。

角速度匹配模式是利用載體系內(nèi)的角速度矢量進行匹配濾波的模式，其特點是對準模型簡單，計算量很小，無需特殊機動即可在很短時間內(nèi)取得較高的對準精度，是一種較有前途的對準算法。但要在工程上實際應用，還需要解決基準信息的實時性、主／子慣導陀螺漂移耦合及克服對載體撓曲變形影響敏感等問題。

為了發(fā)揮各種傳遞對準匹配模式的優(yōu)點，彌補其不足，實際中常使用各傳遞對準匹配模式進行組合工作［8］，如速度＋姿態(tài)［9］，速度＋角速度等匹配模式。

3 基于傳遞對準技術(shù)的艦船基準一體化初步方案

3.1 艦載裝備傳遞對準需求及特點

艦載雷達、導彈、火炮和直升機是姿態(tài)信息的主要用戶，一般而言火炮直接由自帶局部基準提供實時姿態(tài)信息，其局部基準在使用前需要先進行自對準；雷達、導彈和直升機通常在臨近位置設(shè)置一臺或多臺局部基準，使用前局部基準首先與艦船主慣導進行對準，再采用直接傳遞對準的方式將局部基準與裝備內(nèi)置慣導進行對準。由于各自帶局部基準精度上的差異及船體變形的影響，造成艦載各裝備實際使用的姿態(tài)基準參考坐標系互不統(tǒng)一，對全艦目標探測指示與火力打擊精度的匹配造成了不利影響。

通過對艦載裝備的任務(wù)剖面、工作模式、使用流程的分析可以發(fā)現(xiàn)，與傳遞對準技術(shù)最初的應用對象機載導彈相比，艦載裝備在對準技術(shù)的使用上有如下一些特點：一是對于對準時間的敏感性相對較低；二是由于艦船遠洋航行時間越來越長，對局部基準長時間工作的可靠性和功耗要求較高；三是由于全艦局部基準數(shù)量較多，需要充分考慮保障與維護維修要求。因此，艦載裝備應綜合考慮自身的需求選擇合適的傳遞對準技術(shù)體制。

3.2 方案思路

從上文對不同對準算法的分析可以看出，對準要求時間和平臺機動方式是影響艦艇平臺與艦載裝備慣導傳遞對準工程應用的兩個重要因素。根據(jù)3.1節(jié)對艦載裝備傳遞對準需求及特點的分析，若局部基準與所服務(wù)的艦載裝備在運行上相互獨立，則一方面可選擇適當時機如艦船戰(zhàn)斗準備期間開始進行主慣導與對局部基準對準以保證足夠的對準時間，從而降低對準對艦船機動的需求；另一方面，考慮到現(xiàn)有的光纖捷聯(lián)慣導已可以做到一次對準完成后，數(shù)十分鐘內(nèi)連續(xù)保持可用狀態(tài)。因此，只要局部基準的功耗和可靠性滿足一定的要求，可設(shè)計局部基準對準完成以后進入待機狀態(tài)，并與主慣導之間定時進行對準以保持輸出信息的精度，采用這種方式的好處在于基本可忽略算法對對準時間的要求，也可減輕對于計算量的要求。

綜上所述，基于傳遞對準技術(shù)的艦船基準一體化思路為：綜合考慮艦載裝備使用特點，任務(wù)需求，平臺機動情況，船體變形，桿臂效應和時延等因素，合理選擇對準算法和局部基準慣性器件，使局部基準運行獨立于所服務(wù)的艦載裝備，并與主慣導進行常態(tài)化的對準。充分發(fā)揮主慣導高精度和高可靠性優(yōu)勢，優(yōu)化基準資源配置，盡可能地降低艦載裝備傳遞對準技術(shù)工程實現(xiàn)所需的保障要求，實現(xiàn)全艦基準一體化和局部基準技術(shù)體制的統(tǒng)一，提高全系統(tǒng)的精度和可靠性，減少全壽命期維護維修費用。

3.3 對準網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)3.2節(jié)提出的方案思路，考慮實時修正誤差角的計算要求，可采用反射內(nèi)存等高速總線將各局部基準和主慣導系統(tǒng)連接起來，定時通過同步采集電路進行數(shù)據(jù)同步處理并加上時間信息。各局部基準利用接收到的主慣導信息對自身的姿態(tài)角誤差進行估計，并利用估計值修正其姿態(tài)矩陣，在非對準期間，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

圖2 對準網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.4 對準算法選擇分析

根據(jù)3.2節(jié)提出的方案思路，可考慮選擇速度匹配、積分速度匹配法等對準時間雖然要求稍長，但工程可實現(xiàn)性較好的算法。以積分速度匹配傳遞對準方法為例，該方法使用艦艇和艦載設(shè)備慣導傳感器的速度測量值進行積分，以積分后的數(shù)值作為匹配觀測量對艦艇和艦載裝備慣導坐標系的失調(diào)角進行預先估算和消除。即定義狀態(tài)向量為積分速度差：

系統(tǒng)狀態(tài)選為

狀態(tài)矩陣為

積分速度匹配量測矩陣為

式中Φn為子慣導的誤差角，δVn為速度誤差，為陀螺儀漂移為加速度計零偏差。為子慣導載體坐標系到導航坐標系的計算方向余弦矩陣。

根據(jù)李雙喜等人的研究［10］，采用積分速度匹配算法的彈載慣導，與主慣導的誤差角可在70s內(nèi)由10ramd 降到0.2mrad。與常用的速度＋姿態(tài)匹配法相比，速度積分量匹配具有如下優(yōu)點：1）對撓曲變形和振動敏感度大大降低；2）對準濾波器可采用更低的更新率；3）采用的桿臂效應補償較容易且對時延誤差不敏感；4）實現(xiàn)對失準角有效估計的機動方式為勻速運動與S 轉(zhuǎn)彎結(jié)合，對平臺要求較低。不足之處主要是對準時間較長，適合于應用在對準精度高，平臺變形大的場合，是艦載裝備的傳遞對準應用比較適宜的算法。

3.5 局部基準慣性測量器件選擇分析

局部基準可選擇的慣性器件取決于艦載裝備對于基準信息的需求和采用的對準算法。如美國的JADM 衛(wèi)星精確制導炸彈采用了速度積分匹配對準算法，選擇的低成本GG1308激光陀螺為漂移率為1（°）／h［14］。本節(jié)從裝備需求、器件精度、可靠性、功耗、成本等幾個方面對本文的全艦基準統(tǒng)一方案可選用的局部基準慣性器件進行了分析和評估。

局部基準的核心元件是陀螺儀，目前常見的幾類陀螺儀的精度范圍如圖2所示描述：

圖3 常見陀螺精度級別

在中等精度陀螺儀中，光纖陀螺已比較成熟并具有如下突出優(yōu)點：1）無活動部件，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，耐沖擊；2）啟動時間短，僅需零點幾秒即可工作；動態(tài)范圍寬，測量范圍在0.01（°／h）～400（°／s）；3）可靠性高。美、英、法、德等國均已研制出實用的光纖陀螺型號并已廣泛用于飛機、潛艇及導彈的導航和制導。

表1 不同精度光纖陀螺在不同領(lǐng)域的應用

因此，對于遠程導彈對準而言，可選擇以光纖或激光陀螺儀為核心部件的局部基準。

對于對準精度要求較低，工作條件惡劣的應用場合，另一種可采用的陀螺儀是基于MEMS（micro electromechanical systems）技術(shù)的微固態(tài)慣性器件。微固態(tài)慣性器件是利用化學蝕刻方法在單晶硅片上制成的的一種超小型測角儀器，具有尺寸小，重量輕，功耗低，啟動快，抗沖擊，能適用于較惡劣的環(huán)境條件等優(yōu)點，可大批量生產(chǎn)，成本極低，不足之處是精度仍較低。目前國內(nèi)已有相關(guān)單位對以微機械慣性測量單元作為子慣導進行傳遞對準的技術(shù)進行了研究［12～13］，結(jié)果表明對于特定的應用，該技術(shù)方案可以滿足指標要求，可有效地降低全系統(tǒng)重量、體積及功耗。表2列出了兩種微機械陀螺的部分參數(shù)。

表2 兩型微機械陀螺部分參數(shù)

隨著技術(shù)的進步和微機械陀螺的精度的不斷提升，以其為核心器件的艦載裝備局部基準將具有獨特的優(yōu)勢和應用潛力。

4 結(jié)語

本文概述了傳遞對準技術(shù)進展情況，分析了艦載裝備進行傳遞對準的需求和特點，即對于對準時間的相對不敏感性、工作的長時間性和全壽命期維護的要求。在此基礎(chǔ)上提出了運用傳遞對準算法進行全艦基準一體化方案的初步思路，并針對不同的對準需求研究了可選的對準算法和局部基準核心慣性測量器件。初步分析表明，合理的選擇對準算法和局部基準精度等級，可滿足全艦基準一體化的要求，并提升全艦基準系統(tǒng)的精度、可靠性和集成優(yōu)化的水平。下一步工作將針對提出的方案開展試驗研究。

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