基于水平阻尼的星光/慣性組合校準技術

周凌峰，趙小明，侯志寧，丁春蕾

（1.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001；2.天津航海儀器研究所，天津 300131）

基于水平阻尼的星光/慣性組合校準技術

周凌峰1,2，趙小明1,2，侯志寧2，丁春蕾2

（1.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001；2.天津航海儀器研究所，天津 300131）

根據星光/慣性組合導航系統艦載使用特點，考慮以SINS、CNS、LOG三者組合，設計組合校準方案。在SINS/CNS/LOG組合過程中，利用慣導系統的短期高精度特性，設計基于水平阻尼的卡爾曼濾波器對慣導舒勒周期進行補償。星光/慣性組合校準技術建立在水平阻尼基礎上，借助星光導航的航向和位置信息完成慣導位置誤差、失準角和陀螺漂移的修正，從而實現組合系統長航時、遠航程高精度導航。最后通過仿真對比試驗驗證星光/慣性組合導航系統校準方案的有效性。仿真結果表明：SINS/LOG組合后，慣導24 h位置誤差CEP≤1.48 n mile，且位置誤差會隨時間積累；而SINS/CNS/LOG組合系統采用星光信息24 h一點校方案，第一次和第二次點校后，48 h和72 h慣導位置誤差CEP≤0.5 n mile。由此可見，采用星光信息后，該組合方案能夠顯著提高慣導導航精度，達到延長慣導系統重調周期目的。

星光/慣性組合導航；水平阻尼；卡爾曼濾波；綜合校準

導航系統作為現代軍事武器裝備的關鍵部件，既是作戰載體精確導航的重要保障，也是作戰武器精確打擊作戰目標的重要支撐，其導航精度直接決定了導航任務和作戰任務的完成速度和質量。海面作戰的艦船作為近海防御、遠海防衛的重要載體，對導航系統的精確性、可靠性、自主性都提出了非常高的要求，另外還要求導航系統必須具備遠航程、長航時的導航能力[1]。慣導系統（簡稱“INS”）作為最主要的導航系統，由于慣性元件的限制，難以滿足現代艦船導航軍事需求，需與其他導航手段進行組合來提高導航系統的綜合性能[2]。

目前，國內外普遍采用的GPS與慣導進行組合，通過 GPS提供的高精度位置和速度信息來對慣導誤差進行修正。然而，2013年美國聯合參謀部定位、導航和授時總體規劃資料表明，美軍已明確提出通過應用導航戰（NAVWAR）實現并維護定位、導航和授時信息的優勢，限制并壓制敵方應用衛星導航技術。可見在戰時，衛星導航系統在實戰環境中難以保證艦船導航的精度和可靠性，因此當前迫切需要研究多種艦載無源組合導航手段，與慣性/衛星組合導航技術發展相匹配，確保戰時艦船和艦載武器裝備對導航信息的可用性、可靠性和精度的需求。星光導航(簡稱“CNS”)不受時域、空域限制，具備獨立自主特點和誤差不隨時間積累的優勢，可提供高精度的航向和位置信息，成為了重要的輔助導航手段[3-6]。CNS作為一種無源導航手段，與INS組合，可進行優勢互補，構成一種無源組合導航，與慣性/衛星組合導航技術匹配。

考慮艦載使用環境中，海浪沖擊易造成艦船垂蕩和搖擺以及海面復雜多變氣候條件，慣導主要工作模式大多建立在電子計程儀（LOG）提供速度進行水平阻尼的工作狀態下[7]。艦載CNS進行地理系下定位時需要慣導提供水平姿態信息作為地平基準，而處于臨界條件下的無阻尼慣導系統加速度計零位變化時，易造成姿態誤差發散，將直接影響星光導航地平信息精度，進而影響到星光導航的定位精度[8]。針對這個問題，結合慣導主要工作模式，本文提出了一種基于水平阻尼的SINS/CNS/LOG組合校準方案，通過選取合理的高階阻尼網絡，設計了基于水平阻尼的SINS/CNS卡爾曼濾波器，利用星光導航航向和位置信息對慣導位置誤差、失準角和陀螺漂移進行校正，有效抑制了慣導誤差發散，從而延長系統重調周期，實現組合系統長航時、高精度導航。

1 水平阻尼網絡選取

舒勒周期振蕩誤差主要表現在水平通道上，為了使舒勒周期振蕩的誤差得到阻尼，通過引入電子計程儀的速度信息，經過阻尼網絡反饋到系統中去。該地理系下阻尼網絡及參數的選擇可借鑒半解析平臺式的網絡模式及參數選擇方式[9]，如圖1所示。

圖1 外速度阻尼方塊圖Fig.1 Block diagram of external velocity damping

在選取阻尼網絡時，一方面需考慮陀螺漂移隨機分量所產生的誤差均方根值盡可能小，另一方面又需考慮慣導系統對艦船運動的敏感性盡可能最小。阻尼系數越大，陀螺漂移隨機分量所產生的誤差越小，從減小陀螺漂移隨機分量對系統的影響來看，阻尼系數大些好。但是，隨著阻尼系數增大，當艦船機動運動時所產生的誤差也大。當阻尼系數再增大時，陀螺的隨機漂移分量減小的并不明顯。從這兩方面考慮，在系統中的阻尼網絡的高階傳遞函數則可取等效阻尼系數為0.5。

2 阻尼系統誤差方程

誤差方程是用以研究慣導系統各誤差源與系統輸出量之間的關系。根據阻尼系統的誤差方塊圖，可推導水平外速度阻尼和高度阻尼系統的誤差方程。阻尼系統的誤差方塊圖如圖2所示。

圖2 阻尼系統誤差方塊圖Fig.2 Block diagram of damping system errors

外速度水平阻尼誤差方程：

3 基于水平阻尼條件下的Kalman濾波器

3.1 水平阻尼條件下的狀態變量

由水平阻尼系統誤差方程可知，水平阻尼的濾波器狀態量主要有：陀螺常值漂移陀螺標度和軸系安裝誤差陀螺標度和軸系安裝誤差陀螺的標度和軸系安裝誤差加速度計零位X加速度計軸系安裝誤差加速度計的軸系安裝誤差加速度計標定和軸系安裝誤差則狀態變量為：

3.2 水平阻尼條件下的狀態方程

水平阻尼條件下系統的誤差方程為狀態方程：

式中：F為狀態轉移矩陣；G量測轉移矩陣。

3.3 水平阻尼條件下的量測方程

在船用平臺，星光導航設備通過觀測恒星，在沒有任何外部參考信息情況下，可自主的確定星敏感器

星光/慣性組合導航系統以航向和位置為觀測量構造量測方程為：

4 仿真分析

為了驗證基于水平阻尼條件下的星光/慣性組合校準方案的有效性，采用24h一點校方法。星光導航提供基準數據精度為：航向誤差≤3″，水平角誤差≤2″；只考慮姿態陣轉換誤差，則經度誤差≤2.3′，緯度誤差≤2.1′。共進行兩個24h點校的校準周期，仿真條件設置如表1所示。

仿真結果如圖3～圖7所示。從這些仿真圖可以看出，在水平阻尼條件下，引入星光導航信息后，速度誤差沒有明顯改善，但是經度、緯度在引入星光信息時刻得到校正。從位置誤差來看，SINS/LOG組合后慣導位置誤差CEP≤1.48 n mile，且位置誤差會隨時間積累，引入星光信息后，經第一次和第二次24 h一點校后，SINS/CNS/LOG組合的慣導位置誤差 CEP≤0.5 n mile。由此可見，該組合方案能夠顯著提高慣導導航精度，達到延長慣導系統重調周期目的。

表1 仿真條件Tab.1 Simulation conditions

圖3 組合系統綜合校準東速誤差Fig.3 East-velocity error of integrated calibration

圖4 組合系統綜合校準北速誤差圖4 North-velocity error of integrated calibration

圖5 組合系統綜合校準經度誤差圖5 Longitude error of integrated calibration method

圖6 組合系統綜合校準緯度誤差圖6 Latitude error of integrated calibration method

圖7 組合系統綜合校準位置誤差圖7 Position error of integrated calibration method

5 結 論

本文根據星光/慣性組合導航系統的特點，開展艦載慣導校準方案的應用研究。采用慣導系統水平阻尼的設計思路，以電子計程儀作為外速度參考，對加速度計誤差和陀螺漂移對系統造成的舒勒周期振蕩進行阻尼，為綜合校準提供較好的修正條件。本文重點分析了阻尼網絡的選取，并進行了水平阻尼條件下的卡爾曼濾波設計，引入星光導航信息，提出切實可行的24h一點校修正方案，有效延長慣導系統重調周期。

（References）：

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CNS/SINS integrated calibration technique based on level damping

ZHOU Ling-feng1,2, ZHAO Xiao-ming1,2, HOU Zhi-ning2, DING Chun-lei2
(1.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)

According to the fact that shipboard SINS often works on level damping mode and the application characteristics of CNS/SINS integrated navigation system under marine environment, an integrated calibration scheme is designed based on SINS/CNS/LOG integrated navigation system.By using SINS has high accuracy navigation in short term, a Kalman filter under level velocity damping conditions is proposed for CNS/SINS integrated navigation system to compensate SINS schuler cycle.For CNS/SINS integrated calibration technology based on horizontal damping, the SINS reset cycle is extended.Since INS position errors, misalignment angle and gyro drifts are corrected by CNS heading and position information assistance,long endurance and high precision navigation can be realized.Finally, the validity of CNS/SINS integrated calibration scheme is verified by simulation experiments.Simulation results show that the SINS/LOG position error is CEP≤1.48 n mile at 24 h, and will accumulate over time, and the SINS/CNS/LOG position error changes to CEP≤0.5 n mile both at 48 h and 72 h after the first and second point calibrations.Thus it can be seen that the navigation accuracy of SINS under level damping can be improved significantly, and the reset period can be extended by using CNS point calibration per 24 h method.

SINS/CNS integrated navigation system; level damping; Kalman filter; integrated calibration

U666.1

A

1005-6734(2017)05-0561-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.05.001

2017-05-23；

2017-09-08

國家重大科學儀器設備開發專項（2013YQ310799）；裝備預研船舶重工聯合基金項目（6141B04050201）

周凌峰（1981—），女，博士研究生，主要從事導航、組合導航與系統控制研究。E-mail: zhzhwy@163.com

聯 系 人：趙小明（1961—），男，研究員，博士生導師，主要從事導航、制導與控制系統研究。