一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙琳，康冰，萬琦，衛(wèi)瑞，董彥維

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

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一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙琳，康冰，萬琦，衛(wèi)瑞，董彥維

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

針對(duì)武器系統(tǒng)任意點(diǎn)隨機(jī)發(fā)射和“停下即打”目標(biāo)的需求，提出了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)由以激光捷聯(lián)慣組為核心的車載定位導(dǎo)航單元和以光管為核心的光學(xué)傳遞單元組成。由里程計(jì)、高程計(jì)、電子地圖及衛(wèi)星系統(tǒng)輔助激光捷聯(lián)慣組實(shí)現(xiàn)較高精度的定位導(dǎo)航功能。通過與車載定位導(dǎo)航單元?jiǎng)傂怨搪?lián)的光學(xué)傳遞單元，采用光學(xué)傳遞方式實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的瞄準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)結(jié)果通過車載定位導(dǎo)航單元完成。系統(tǒng)首次將定位瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)一體化集成，在不損失水平瞄準(zhǔn)精度的情況下，降低了對(duì)瞄準(zhǔn)環(huán)境的要求，達(dá)到預(yù)期效果。

激光捷聯(lián)慣組；定位；瞄準(zhǔn)；一體化

0　前言

國內(nèi)在目前已裝備的現(xiàn)役武器系統(tǒng)中絕大多數(shù)還是采用有依托光電斜瞄方式。隨著新一代武器系統(tǒng)對(duì)射前生存能力提高的迫切需求，減少武器系統(tǒng)起豎后垂直暴露時(shí)間，縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，使得采用中遠(yuǎn)距離的光電斜瞄系統(tǒng)逐漸被與發(fā)射平臺(tái)集成的近距離水平瞄準(zhǔn)系統(tǒng)所替代。水平瞄準(zhǔn)系統(tǒng)配套的自主定向設(shè)備主要是擺式陀螺尋北儀，為了實(shí)現(xiàn)較高精度，工作時(shí)需要將擺式陀螺尋北儀的下方機(jī)構(gòu)架設(shè)在穩(wěn)定的地基上，這給地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的使用帶來了局限性［1］。近兩年來，激光捷聯(lián)慣組的對(duì)準(zhǔn)精度獲得了較大的突破和提升，其精度指標(biāo)和中、高精度的擺式尋北儀可以相提并論，在工作時(shí)間和環(huán)境適應(yīng)性上更有優(yōu)勢(shì)。定瞄一體技術(shù)既可以為發(fā)射平臺(tái)提供機(jī)動(dòng)過程中的經(jīng)度、緯度和高程等位置信息，同時(shí)又可以為武器系統(tǒng)地面瞄準(zhǔn)提供基準(zhǔn)方向。定瞄一體技術(shù)的提出和發(fā)展，順應(yīng)了武器裝備發(fā)展的需求，技術(shù)途徑上可行，性能發(fā)展?jié)摿薮螅蓪?shí)現(xiàn)任意點(diǎn)隨機(jī)發(fā)射和“停下即打”的目標(biāo)［1］。

文章提出一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)定瞄一體技術(shù)提供了一種技術(shù)途徑，具有待機(jī)時(shí)間長、準(zhǔn)備時(shí)間短、隨機(jī)發(fā)射、環(huán)境要求低等特點(diǎn)。

1　系統(tǒng)方案

一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)由車載定位導(dǎo)航單元和光學(xué)傳遞單元組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

車載定位導(dǎo)航單元以激光捷聯(lián)慣組為核心，由激光陀螺和加表實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量，采用動(dòng)基座尋北的方法，由激光捷聯(lián)慣組內(nèi)的控制板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)北向基準(zhǔn)輸出。同時(shí)，車載定位導(dǎo)航單元內(nèi)配置輔助測(cè)量設(shè)備（里程計(jì)、高程計(jì)、地圖、衛(wèi)星設(shè)備），利用慣性航位推算（DR）不受外界干擾、衛(wèi)星定位誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)，在激光捷聯(lián)慣組內(nèi)的控制板上，采用多信息融合的卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)慣性航位推算+電子地圖匹配（MM）+衛(wèi)星組合的定位方式。

圖1　定瞄一體化系統(tǒng)組成圖Fig.1Composition of positioning and aiming integrated system

其中，里程計(jì)完成對(duì)車輛速度信息的采集，高程計(jì)完成車輛高度變化信息的采集，激光捷聯(lián)慣組完成車輛姿態(tài)信息的采集，激光捷聯(lián)慣組、里程儀和高度計(jì)組成一組定位傳感器，其數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后輸入到航位推算系統(tǒng)；衛(wèi)星設(shè)備作為一組定位傳感器，其數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后輸入到衛(wèi)星定位單元；處理后的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波器進(jìn)行融合；利用精確的電子地圖道路（具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦裕┖托l(wèi)星/DR融合后定位軌跡的相似性進(jìn)行地圖匹配，將得到的最終最優(yōu)解反饋給航位推算系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)修正定瞄一體化系統(tǒng)的定位參數(shù)，如圖2所示。

圖2　慣性/地圖/衛(wèi)星信息融合框圖Fig.2Schematic of DR/map/GPS fusion

動(dòng)基座下獲得的北向基準(zhǔn)通過在車載定位導(dǎo)航單元上剛性固聯(lián)的光學(xué)傳遞單元輸出。光學(xué)傳遞單元采用光學(xué)傳遞對(duì)準(zhǔn)的方式，以光軸為基準(zhǔn)的光電測(cè)量，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量出目標(biāo)設(shè)備棱鏡與光軸的偏差，并通過姿態(tài)誤差補(bǔ)償解算，實(shí)現(xiàn)了定瞄一體化系統(tǒng)與外部設(shè)備的動(dòng)基座瞄準(zhǔn)。同時(shí)通過坐標(biāo)系變換算法將車載定位導(dǎo)航單元的對(duì)準(zhǔn)結(jié)果傳遞到光學(xué)傳遞單元的光軸上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量目標(biāo)的目的。

2　定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)的定位功能主要由車載定位導(dǎo)航單元完成。車載定位導(dǎo)航單元利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為定位觀測(cè)值，運(yùn)用多信息融合的卡爾曼濾波算法對(duì)航位推算系統(tǒng)進(jìn)行誤差校正。下面給出車載定位導(dǎo)航單元使用的航位推算系統(tǒng)的位置推算數(shù)學(xué)模型和多信息融合的卡爾曼濾波算法。

2.1航位推算系統(tǒng)的位置推算數(shù)學(xué)模型

圖3　航位推算過程示意圖Fig.3Schematic of DR

式（1）中，x（t）、y（t）、z（t）是t時(shí)刻車輛在參考坐標(biāo)系下的位置；x（t-1）、y（t-1）、z（t-1）是t-1時(shí)刻車輛在參考坐標(biāo)系下的位置。

2.2多信息融合的卡爾曼濾波算法

選取系統(tǒng)狀態(tài)變量為：

其中，δVx、δVy分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)與衛(wèi)星側(cè)向速度誤差和縱向速度誤差；δφX、δφY、δφZ分別為x軸、y軸、z軸的偏角；δKod為里程儀刻度系數(shù)誤差。

系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

其中，狀態(tài)矩陣F為：

其中，γ、θ分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向速度與北向夾角和縱向速度與天向的夾角；ωu、ωn分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向加速度與北向夾角和縱向加速度與天向的夾角；N為里程儀的脈沖測(cè)量值；W為零均值的白噪聲。

將以上連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程離散化后得：

選取捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向速度、縱向速度作為卡爾曼濾波量測(cè)變量，量測(cè)方程如下：

其中，H為2×6維的量測(cè)矩陣：

根據(jù)式（7）建立的系統(tǒng)模型［2-4］，利用卡爾曼濾波對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，該系統(tǒng)的觀測(cè)矩陣V=［FFA…FA5］T，經(jīng)判斷矩陣V的秩為rank（V）=6，系統(tǒng)完全可觀測(cè)，卡爾曼濾波結(jié)果不會(huì)發(fā)散。

3　瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)功能由車載定位導(dǎo)航單元和光學(xué)傳遞單元共同完成對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)，并實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)的方位信息［5］，工作原理如圖4所示。

圖4　瞄準(zhǔn)原理Fig.4Principle of aiming

光學(xué)傳遞單元采用水平瞄準(zhǔn)方式，測(cè)量目標(biāo)與車載定位導(dǎo)航單元的相對(duì)位置關(guān)系。通過驅(qū)動(dòng)電路和穩(wěn)光回路發(fā)出一亮度恒定光源，并聚焦在星點(diǎn)板的焦面上，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)平行光［6］。通過以光軸為基準(zhǔn)的光電測(cè)量，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量出目標(biāo)棱鏡與光軸的偏差，并通過姿態(tài)誤差補(bǔ)償解算，實(shí)時(shí)獲得測(cè)量目標(biāo)相對(duì)車載定位導(dǎo)航單元的相對(duì)位置關(guān)系。車載定位導(dǎo)航單元通過光學(xué)傳遞單元與測(cè)量目標(biāo)建立的相對(duì)位置關(guān)系，利用激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)矩陣，通過慣性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，實(shí)時(shí)解算出測(cè)量目標(biāo)的姿態(tài)矩陣。

例如，當(dāng)T0時(shí)刻測(cè)量目標(biāo)發(fā)生相對(duì)線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量目標(biāo)棱鏡與光軸的偏差隨即發(fā)生變化。光電測(cè)量根據(jù)捕捉到的變化偏差，解算出當(dāng)前T0時(shí)刻測(cè)量目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系。同時(shí)車載定位導(dǎo)航單元根據(jù)當(dāng)前T0時(shí)刻測(cè)量目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系，以及當(dāng)前T0時(shí)刻激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)矩陣，解算出當(dāng)前T0時(shí)刻測(cè)量目標(biāo)的姿態(tài)矩陣，完成T0時(shí)刻測(cè)量目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。

慣性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法采用四元數(shù)法表示［3］，下面給出慣性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法的計(jì)算公式。

激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)角為：航向角ψ、俯仰角θ、橫滾角γ，激光捷聯(lián)慣組的姿態(tài)矩陣表示如下：

通過矩陣計(jì)算得到光學(xué)傳遞單元的姿態(tài)值如下：

4　驗(yàn)證

在完成工程樣機(jī)后，進(jìn)行了車載驗(yàn)證。在車載環(huán)境下，系統(tǒng)瞄準(zhǔn)時(shí)間只需5min，各種工況下的瞄準(zhǔn)精度可達(dá)到90″（3σ），各種工況下的定位精度達(dá)到100m（3σ），系統(tǒng)全程只需按下“上電開機(jī)”按鈕，無需其他操作，實(shí)時(shí)輸出測(cè)量目標(biāo)的定位和瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在大風(fēng)、振動(dòng)、低溫、高溫等環(huán)境下均進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)性能指標(biāo)無明顯變化。

5　結(jié)論

本文介紹了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)。從武器系統(tǒng)的需求出發(fā)，提出了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化技術(shù)的解決方案，詳細(xì)介紹了該定瞄一體化系統(tǒng)的定位原理和瞄準(zhǔn)原理，具有待機(jī)時(shí)間長、準(zhǔn)備時(shí)間短、隨機(jī)發(fā)射等特點(diǎn)。

［1］王丹丹，陳小軍，王麗華.新對(duì)準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用展望［J］.導(dǎo)航與航天運(yùn)載技術(shù)，2009（3）：20-22. WANG Dan-dan，CHEN Xiao-jun，WANG Li-hua.Outlook of new alignment technology applications［J］.Missiles and Space Vehicles，2009（3）：20-22.

［2］秦永元.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，1998. QIN Yong-yuan.Theory of Kalman filer and integrated navigation［M］.Xi'an：Northwest Polytechnical University Press，1998.

［3］張宗麟.慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2000. ZHANG Zong-lin.Inertial navigation and integrated navigation［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000.

［4］程向紅，萬德鈞，仲巡.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的可觀測(cè)性和可觀測(cè)度研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（6）：6-10. CHENG Xiang-hong，WAN De-jun，ZHONG Xun.Study on observability and its degree of strapdown inertial navigation system［J］.Journal of Southeast University，1997，27（6）：6-10.

［5］吉小輝，孫后環(huán)，周必方，蔣筱如.大視場(chǎng)平行光管的研究與設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器，2007（3）：35-40. JI Xiao-hui，SUN Hou-huan，ZHOU Bi-fang，JIANG Xiao-ru.Research and design on wild-view［J］.Optical Instruments，2007（3）：35-40.

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Design of Positioning andAiming Integrated System Based on LSIMU

ZHAO Lin，KANG Bing，WAN Qi，WEI Rui，DONG Yan-wei
（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076）

In order to realize the requirement that the weapon system can random launch and“stop then hit”，the paper designs a positioning and aiming integrated system based on LSIMU.The system consists of the positioning unit and the aiming unit.The positioning unit takes LSIMU as the core，by using the method of moving base north seeking.The positioning unit configures a variety of measuring equipments（odometer，altimeter，maps，satellite positioning）.It realizes the positioning capability by means of the integrated navigation.The aiming unit rigidly fixed on the positioning unit.It uses the optical way to realize aiming at the dynamic target.At the same time，the positioning unit is outputting the result.The system realizes the positioning and aiming integrated technology.Without loss of the aiming capability and positioning capability，it reduces the environmental requirements.It achieves the expected goal.

laser gyro strap down inertial measurement unit（LSIMU）；positioning；aiming；integration

U666.1

A

1674-5558（2016）01-01053

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.002

趙琳，女，工程師，研究方向?yàn)槎ㄎ欢ㄏ蛎闇?zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2014-12-18