平臺式慣導系統三點校的常值誤差解析

楊曉東，夏衛星

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

平臺式慣導系統三點校的常值誤差解析

楊曉東，夏衛星

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

為估計和補償各種誤差源引起的綜合校正誤差，針對平臺式慣導系統綜合校正中的三點校，從理論上分析了外界測量信息誤差和慣性平臺水平誤差對陀螺常值漂移綜合校正效果的影響，并對受外界測量信息誤差影響的三點校過程進行仿真。研究結果表明：“三點校”對陀螺常值漂移的估計誤差，與重調時刻的量測誤差、慣性平臺水平失調角均呈線性關系，提高外界測量信息和慣性平臺水平測量精度，是提高三點校精度的關鍵。

導航；綜合校正；三點校；常值誤差分析；平臺式慣導系統

0 引 言

為提高慣性導航系統精度，常用綜合校正估計陀螺漂移，即定期地對陀螺漂移進行測定和補償，并重調系統航向和位置，主要校正方式可分為兩點校、三點校或點點校。其中，三點校是在一定的時間間隔內，連續 3 次獲得外部準確位置信息并進行系統重調，估計出陀螺常值漂移。通常，位置信息由GPS（或GLONASS）給出[1]。受外界測量信息誤差、載體運動及慣導系統本身的影響，經校正所得的陀螺常值漂移存在誤差，直接影響綜合校正的效果。在考慮陀螺隨機漂移和動態誤差的影響后，文獻[2-3]提出了在無阻尼綜合校正方法。另外，校正結束后的系統參數突變導致導航系統平衡狀態遭到破壞，產生超調，降低了系統精度，文獻[4-5]采用自動補償技術，改善了綜合校正中的超調問題。文獻[6-9]綜合考慮外信息誤差以及慣性導航系統平臺誤差，并針對這兩類誤差對 GPS/INS 組合導航統的影響進行討論。

本文討論三點校過程中外界量測誤差與平臺水平失調角對陀螺漂移估計的影響，并從理論上進行數學仿真與分析。

1 基于誤差的三點校原理

載體在空間運動，矢量Ф（t）為平臺坐標系相對地理坐標系的誤差角；ψ（t）為平臺坐標系相對計算機坐標系的誤差角；Θ（t）為計算機坐標系相對地理坐標系的誤差角。根據定義：

設東北天地理坐標系為OXYZ，Ф（t）在OXYZ系下各軸向的分量分別為α（t），β（t）和γ（t），即

2 三點校過程誤差分析

由式（16）可知，在目前的外界測量信息及平臺水平精度條件下，三點校中陀螺漂移估計誤差的量級為 0.001°·h-1；由于東向、北向平臺水平失調角分別和經緯度誤差造成的估計誤差相同，因此陀螺漂移的估計誤差主要由量級較高的平臺水平失調角引起。

3 仿真與分析

仿真環境為 Matlab7.0，采用文獻[15]中介紹的平臺式慣導系統仿真方法，對三點校過程進行仿真。仿真步長 40 s，時間 36 h。

仿真方法：令陀螺常值漂移、加速度計誤差和慣導系統初始誤差均為 0，在重調時刻添加外界測量信息誤差，即陀螺漂移值僅為外界測量信息誤差引起。

設定仿真條件為：潛艇航行緯度 30° N，初始速度V= 2 m/s，航向H0= 90°。2 次重調的時間間隔為 10 h。設第i次重調時刻經緯度的量測誤差分別為 Δλi和Δφi，在不同的量測誤差下，仿真得到的陀螺漂移值和式（16）計算的理論值如表 1 所示。

由表 1 可見，理論公式和仿真計算的結果基本一致，驗證了上述結論。當 Δφ1= -Δφ2= Δφ3= 0.5，Δλ1= -Δλ2= Δλ3= -0.5 時，得到仿真計算的陀螺漂移最大值 4.448°·h-1× 10-5，與式（10）的計算結果比較可見：對“三點?！倍裕S著量測設備精度的不斷提高，量測誤差引起的陀螺漂移估計誤差很小甚至可忽略不計，故平臺水平失調角是影響估計和校正精度的主要誤差源。

表 1 仿真結果和理論值對比Tab.1 Comparison of simulation results and theoretical value

4 結 語

論文以慣性導航系統三點校方法為研究對象，深入剖析了外界信息誤差和慣導平臺水平誤差角對三點校正過程的影響。本文從理論上推導分析了陀螺漂移估計誤差的影響公式，并采用計算機仿真對理論分析結果進行驗證。驗證結論充分說明，影響慣性導航系統三點校正的主要因素為平臺水平失調角，對其進行補償是提高校正精度的關鍵，研究結論可為進一步提高慣性導航系統導航精度提供理論參考。

[1]王光輝, 朱海, 莫軍, 等.一種基于天空光偏振特性的天文導航方式[J].中國航海, 2009, 32(1): 14-16.

[2]于堃, 李琳, 劉為任, 等.艦船慣性導航系統海上無阻尼狀態的校準[J].中國慣性技術學報, 2008, 16(6): 637-642.

[3]SINOPOLI B, SCHENATO L, FRANCESCHEAI M, et al.Kalman filtering with intermittent observations[J].IEEE Transactions on Automatic Control, 2004, 49(9): 1453-1464.

[4]程建華, 郝燕玲, 孫楓, 等.自動補償技術在平臺式慣導系統綜合校正中的應用研究[J].哈爾濱工程大學學報, 2008, 29(1): 40-44.

[5]關勁, 程建華, 吳磊, 等.船用平臺式慣導系統狀態轉換技術的應用[J].中國造船, 2008, 49(2): 75-80.

[6]錢山, 李鵬奎, 張士峰, 等.MIMU/GPS組合導航建模及GPS時間延遲補償算法研究[J].系統工程與電子技術, 2009, 31(6): 1432-1435.

[7]張源, 許江寧, 卞鴻巍.GPS姿態測量系統對慣性導航系統誤差修正能力分析[J].情報指揮控制系統與仿真技術, 2005, 27(5): 96-100.

[8]韓璐, 景占榮, 段哲民.SINS/GPS組合導航系統仿真研究[J].計算機仿真, 2009, 26(9): 32-36.

[9]楊艷娟, 卞鴻巍, 田蔚風, 等.一種新的INS/GPS組合導航技術[J].中國慣性技術學報, 2004, 12(2): 23-26, 35.

[10]單丹萍.基于COM組件的平臺式慣導系統模擬器設計與實現[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2007: 23-26.

[11]牛其虎.平臺式慣導系統模擬器的設計及實現[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2006: 25-28.

[12]馮躍強, 王彬, 蔡伯根.GPS/GLONASS組合定位導航技術的測試[J].北京交通大學學報, 2005, 29(2): 91-93, 96.

[13]岳亞洲, 田宇, 張曉冬.機載慣性/天文組合導航研究[J].光學與光電技術, 2008, 6(2): 1-5.

[14]何炬.國外天文導航技術發展綜述[J].艦船科學技術, 2005, 27(5): 91-96.

[15]方海斌.平臺式慣導系統仿真軟件的設計[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009: 21-22.

Constant error analysis of gimbaled INS in three-point comprehensive calibration

YANG Xiao-dong, XIA Wei-xing
(Department of Navigation and Communication, Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

The influence caused by exoteric information error and platform horizontal error in two-point comprehensive calibration was studied in theory.The relation between maximum value of gyro drift error and calibration intervals was derived.It also represented the simulation of three-point calibration affected by exoteric information error.The study result shows that these two kinds of error are both linear with the estimation error of the constant gyro drift.In order to treat it as a high precision approach of calibration, it is important to increase the exoteric information precision and platform horizontal accuracy efficiently.

navigation；comprehensive calibration；three-point comprehensive calibration；constant error analysis；gimbaled INS

U666.1

：A

1672-7619(2017)01-0118-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.024

2016-01-25；

: 2016-03-17

楊曉東(1963-)，男，博士，教授，研究方向為航海導航。