船用慣導雙平臺雙位置海上啟動方法

鄒鐵軍，艾光彬，姚 琪，張禮偉

（1. 中國人民解放軍92941部隊95分隊，葫蘆島 125001；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131；3. 海軍駐天津航海儀器研究所軍事代表室，天津 300131）

船用慣導雙平臺雙位置海上啟動方法

鄒鐵軍1，艾光彬2，姚 琪2，張禮偉3

（1. 中國人民解放軍92941部隊95分隊，葫蘆島 125001；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131；3. 海軍駐天津航海儀器研究所軍事代表室，天津 300131）

針對平臺式慣導系統海上動態啟動時傳統的羅經對準方法和傳遞對準方法的缺點，提出了一種雙平臺雙位置海上啟動方法。粗對準階段以牽引慣導提供的姿態角作為水平和航向基準通過伺服回路完成粗水平調平和粗方位對準。精對準階段建立了雙位置下的卡爾曼濾波方程，實現了東向陀螺漂移的估計補償，解決了海上啟動時對艦船勻速直航的限定條件。仿真結果表明，相比傳統的海上啟動法，在0.01 (°)/h的東向陀螺漂移的情況下方位失準角的估計誤差由2′減小到0.5′左右。

平臺式慣導系統；海上啟動；雙平臺雙位置；速度匹配

船用慣性導航系統應具備海上啟動的功能，當系統因故障或檢修等原因關機后可以在艦船航行的條件下重新啟動，并能達到一定的對準精度以保證后續任務的完成。

傳統的海上應急啟動方案與碼頭應急啟動方案一樣，采用羅經效應自對準法，在對準期間要求艦船保持勻速直航，大大限制了艦船的作戰適應性。

對于安裝有兩套或多套慣導系統的艦船來說，可以采用以已啟動慣導系統信息（牽引慣導）為參考信息，利用卡爾曼濾波技術對需要對準的慣導系統（重啟慣導）進行海上傳遞對準。平臺式慣性導航系統用于海上啟動的信息通常有位置、速度和姿態角等。對于使用位置和速度信息的海上啟動方法，由于東向陀螺漂移和航向誤差角之間的耦合關系，濾波器無法分辨出東向陀螺漂移和航向誤差角，因此無法估計東向陀螺漂移，估計的航向誤差中包含東向陀螺漂移成分，誤差較大。雖然增加姿態信息可以提高東向陀螺漂移和航向誤差角的可觀測性，但由于姿態信息易受甲板變形、傳遞延時等的影響，估計精度也較低。

針對傳統的羅經自對準法和海上傳遞對準方案的缺點，本文提出了一種平臺雙位置海上啟動方法，以提高平臺式慣導系統航向角的對準精度。給出了兩個位置下的 Kalman濾波方程，通過仿真分析驗證了該方法的有效性。

1 平臺雙位置海上啟動方案

通過合理的機械編排，平臺式慣導系統可以使平臺的方位保持任意的指向。與傳統的自對準方法一樣， 如果在粗對準時將平臺對準到“北-西-天”坐標系下，則系統的東向陀螺儀的輸入軸沿南北方向，變為“北向陀螺”，此時利用速度作為觀測量，則可以估計出這個“北向陀螺”（實際為系統的東向陀螺儀）的漂移。估計結束后再將平臺對準到“東-北-天”地理坐標系下，利用Kalman濾波器估計出北向陀螺漂移、平臺水平失準角和方位失準角，完成系統的對準。由于在“北-西-天”坐標系下已經估計并補償掉東向陀螺漂移，因此“東-北-天”地理坐標系下估計的方位失準角的精度也可以得到提高。雙位置速度匹配海上啟動流程框圖如圖1所示。

圖1 雙位置速度匹配海上啟動流程框圖Fig.1 Block diagram of two-position transfer alignment

2 粗對準

粗對準不再使用傳統的對準方式，而是以牽引慣導提供的橫搖角、縱搖角為水平基準進行平臺粗水平調平，以牽引慣導提供的航向角作為航向基準進行平臺粗方位對準，通過伺服回路不斷修正平臺最終使其粗對準到指定的坐標系上。

以粗方位為例，設牽引、重啟慣導測量的航向角分別為Hm和Hs，則以牽引慣導提供的航向角加 90°后的值作為航向基準，通過圖2所示的二階伺服回路對方位陀螺進行施矩修正，可將系統的平臺粗對準到指西的方位。

圖2 航向粗對準伺服回路方塊圖Fig.2 Block diagram of coarse alignment servo loop

粗對準結束后，重啟慣導實現粗水平和粗方位，對準到北西天坐標系。此時系統的東向陀螺輸入軸沿南北方向，變為“北向陀螺”；北向陀螺輸入軸沿東西方向，變為“東向陀螺”；系統轉入精對準階段，則可通過Kalman濾波器首先估計出系統東向陀螺的漂移。

3 基于Kalman濾波的精對準

海上啟動時，假定牽引慣導工作在組合狀態下，認為其是無誤差的，則海上啟動的速度誤差方程和姿態誤差方程在地理坐標系下表示為[5-7]

式中：φ為平臺失準角向量，fn為比力向量，Ωn為地球自轉角速度沿地理坐標系的分量組成的向量，表示地理坐標系相對地球坐標系的旋轉角速度沿地理坐標系的分量組成的向量；分別表示重啟慣導的加速度計零位和陀螺漂移在地理坐標系內的分量，則當平臺調整到東北天坐標系下對準時，而當平臺調整到西北天坐標系下對準時，由于加速度計的零位誤差很小，因此將加速度計零位誤差視為白噪聲，將陀螺漂移視為由常值漂移和隨機白噪聲組成，即

4 仿真結果與分析

為了分析雙位置速度匹配海上啟動的性能，對上述方案進行了仿真分析。仿真過程分為兩步，首先進行北西天坐標系下的仿真，仿真時間為30 min，將估計的東向陀螺漂移補償后，再進行東北天坐標系下的仿真，時間為1 h。仿真中假定子慣導系統已完成粗對準，平臺水平、方位失準角都為1°，艦船的初始速度為10 kn，初始經緯度分別為117°8.5′、 39°11′。陀螺儀及加速度計的誤差參數如表1所示。在北西天和東北天坐標系下的仿真結果分別如圖3和圖4所示。

表1 陀螺儀及加速度計誤差參數Tab.1 Error parameters of gyros and accelerometers

在北西天坐標系下主要是為估計東向陀螺漂移，從仿真結果可以看出，在15 min左右時東向陀螺漂移的估計誤差趨于零，而方位失準角有2′左右的估計誤差。

從圖4可以看出，方位失準角的估計誤差減小到0.5′左右，這是由于在北西天下已經估計并補償掉東向陀螺漂移，因此提高了方位失準角的估計精度；由于加速度計零位誤差的影響，兩個水平失準角存在0.35′左右的估計誤差；北向陀螺漂移的估計誤差在15 min左右時趨于零；而由于水平速度和方位陀螺漂移之間的弱相關性，方位陀螺漂移的收斂速度較慢，大約需要1 h左右的估計時間。

圖3 北西天下平臺失準角及陀螺漂移估計誤差曲線Fig.3 Estimation errors of platform misalignment and gyro drift (NWU-coordinate)

圖4 東北天下平臺失準角及陀螺漂移估計誤差曲線Fig.4 Estimation errors of platform misalignment and gyro drift (ENU-coordinate)

5 結 論

由以上分析可以得到以下結論：

① 采用“雙位置”速度匹配海上啟動的方法，可以實現陀螺漂移尤其是東向陀螺漂移的估計，從而也提高了方位失準角的估計精度；

② 對準期間對艦船的運動沒有限制，提高了艦船的作戰適應性；

③ 但由于方位陀螺漂移和水平速度之間的弱相關性，這種方法在方位陀螺漂移的估計上有一定的局限性，估計時間較長。

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Shipboard INS’s two-platform two-position alignment at sea

ZOU Tie-jun1, AI Guang-bin2, YAO Qi2, ZHANG Li-wei3
(1. Element 95, Unit 92941 of The Chinese People’s Liberation Army, HuLudao 125001, China; 2. Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China; 3. Office of Military Representatives Station in Tianjin Navigation Instrument Research Institute for People’s Liberation Army Air Force, Tianjin 300131, China)

To overcome the drawbacks of traditional gyrocompassing and transfer alignment methods, a two-position transfer alignment method based on velocity matching is put forward for shipboard platform INS. The master INS’s attitude is used to correct the slaver INS’s attitude by servo loop in the coarse alignment phase. The Kalman filter models are respectively founded for the two coordinate frames to estimate and compensate the drifts of all the gyros, especially the east gyro drift in fine alignment phase. Simulation results show that, compared with traditional methods, this method can improve the alignment accuracy of platform azimuth error from 2′ to about 0.5′ when east gyro drift is 0.01(°)/h.

platform inertial navigation system; alignment at sea; two-platform two-position; velocity matching

U666.1

：A

2015-06-10；

：2015-09-20

總裝預研基金項目（51309030501）

鄒鐵軍（1961—），男，高級工程師，從事衛星導航與艦船慣性導航技術研究。E-mail：agb-2002@163.com

1005-6734(2015)05-0561-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.05.001