何東旭,葛磊,張鑫,臧新樂
1 哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001
2 北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所,北京100854
羅經(jīng)對準(zhǔn)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常用的一種初始對準(zhǔn)方法,該方法基于“羅經(jīng)效應(yīng)”原理[1],應(yīng)用經(jīng)典控制理論,在頻域上設(shè)計羅經(jīng)對準(zhǔn)回路,羅經(jīng)對準(zhǔn)具有設(shè)計參數(shù)少、計算量小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,因此,該方法一直是初始對準(zhǔn)研究方向的熱點。
羅經(jīng)對準(zhǔn)分為水平對準(zhǔn)和方位對準(zhǔn)2 種,一般來講,水平對準(zhǔn)速度快、精度高,難度較小,而方位對準(zhǔn)則是整個對準(zhǔn)過程的關(guān)鍵和難點。李瑤等[2]研究了搖擺狀態(tài)下的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)羅經(jīng)法自對準(zhǔn)技術(shù),設(shè)計優(yōu)化了水平和方位對準(zhǔn)參數(shù),該方法在不同海情、不同初始姿態(tài)誤差和全方位條件下具有良好的對準(zhǔn)結(jié)果。徐博等[3]研究了航行轉(zhuǎn)臺下的羅經(jīng)回路初始對準(zhǔn),并基于器件誤差情況等效分析了航行狀態(tài)下的對準(zhǔn)誤差;張娟秀等[4]分析了隨機噪聲對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的影響,并創(chuàng)新性地提出了時域下的分析方法;Gao 等[5]研究了基于姿態(tài)逆向解算的羅經(jīng)對準(zhǔn)方法,并提出陀螺輸出的周期震蕩誤差會使羅經(jīng)方位對準(zhǔn)產(chǎn)生額外的震蕩誤差,且方位誤差會隨切換次數(shù)的增加而放大;He 等[6]提出了基于最優(yōu)模型的時變參數(shù)羅經(jīng)對準(zhǔn)算法,并利用遺傳算法對大方位失準(zhǔn)角條件下的羅經(jīng)對準(zhǔn)參數(shù)進行了優(yōu)化。
盡管研究羅經(jīng)對準(zhǔn)的文獻較多,但是針對羅經(jīng)對準(zhǔn)收斂時間的研究較少。而對于羅經(jīng)對準(zhǔn)來說,收斂時間也是一項較為重要的指標(biāo),因為在固定的初始對準(zhǔn)時間內(nèi),既希望系統(tǒng)抗干擾能力強,能將環(huán)境的隨機干擾降低到最小,又要使系統(tǒng)能在初始對準(zhǔn)時間內(nèi)收斂,而這二者往往相互矛盾[6]。嚴(yán)恭敏[7]設(shè)計了四階羅經(jīng)方位對準(zhǔn)控制系統(tǒng),指出羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間與設(shè)置的二階阻尼震蕩周期有關(guān),但其只對經(jīng)典的二階系統(tǒng)進行了分析,并以此類比了四階羅經(jīng)方位對準(zhǔn)控制系統(tǒng),但是采用二階系統(tǒng)的分析方法類比分析四階系統(tǒng)顯然不夠嚴(yán)謹(jǐn)。高鐘毓[8]設(shè)計了三階羅經(jīng)對準(zhǔn)系統(tǒng),指出在選擇相應(yīng)的參數(shù)時,該系統(tǒng)會在30~50 min收斂,但是并沒有給出具體的分析方法。
基于以上原因,本文將基于通常設(shè)置的四階羅經(jīng)方位對準(zhǔn)系統(tǒng),分析東向陀螺漂移和初始方位誤差對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響。提出將方位誤差的頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)化成時域響應(yīng)函數(shù),并在時域上分析收斂時間,巧妙地將方位誤差從頻域轉(zhuǎn)化到時域進行研究,并得出相關(guān)結(jié)論,為羅經(jīng)方位對準(zhǔn)設(shè)置相關(guān)參數(shù)以及控制收斂時間提供理論參考。
羅經(jīng)方位對準(zhǔn)是一種利用“羅經(jīng)效應(yīng)”原理、基于經(jīng)典控制理論的自對準(zhǔn)方法,羅經(jīng)初始對準(zhǔn)分為水平對準(zhǔn)和方位對準(zhǔn)2 個階段,其中方位對準(zhǔn)是在水平對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行的,這里只簡單介紹羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的原理。
羅經(jīng)方位對準(zhǔn)原理如圖1 所示。圖中:R為當(dāng)?shù)刈游缛Π霃剑籹 為拉普拉斯算子;εU為天向陀螺漂移,一般來說,對初始對準(zhǔn)精度的影響較小;ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度;L為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋籫為重力加速度;ΔN為北向加速度計偏置;εE為東向陀螺漂移;δVN為北向速度誤差;φx為東向失準(zhǔn)角,φz為方位失準(zhǔn)角;K1,K2為北向水平回路的設(shè)計參數(shù);K(s) 為羅經(jīng)回路控制環(huán)節(jié),K(s)=K3[ωiecosL(s+K4)],其輸入信號為δVN,輸出信號為K(s)δVN,以代替天向控制指令角速度。在羅經(jīng)方位對準(zhǔn)過程中,從φz開始,經(jīng)羅經(jīng)效應(yīng)的各個環(huán)節(jié),到輸出δVN,再經(jīng)過方位控制環(huán)節(jié)K(s),調(diào)整輸出φz。

圖1 羅經(jīng)方位對準(zhǔn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of compass azimuth alignment
根據(jù)上面羅經(jīng)方位對準(zhǔn)原理圖,可知該四階系統(tǒng)的響應(yīng)為

式中:φx(0)為初始東向失準(zhǔn)角,當(dāng)羅經(jīng)對準(zhǔn)經(jīng)水平調(diào)平后,這一項的值非常小,對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)無影響;φz(0)為初始方位角誤差,該誤差會影響羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂特性,是需要重點研究的對象;εE會影響方位對準(zhǔn)精度;Δ(s)為羅經(jīng)方位對準(zhǔn)系統(tǒng)的特征方程,且

一般來說,較為成熟的參數(shù)設(shè)置方法是將1 個四階系統(tǒng)變成2 個相同的二階系統(tǒng)的串聯(lián)形式,且該系統(tǒng)的特征根有如下形式[2]:


因此,在羅經(jīng)方位對準(zhǔn)中,只需設(shè)定好Td的值,其它參數(shù)也就相應(yīng)確定[10]。實際上,參數(shù)Td的設(shè)置與初始對準(zhǔn)時間、初始方位誤差、慣性器件的隨機漂移以及載體晃動干擾情況都有關(guān),也是羅經(jīng)方位對準(zhǔn)中需重點研究的方向,不過在本文中,不討論參數(shù)Td的設(shè)置問題。
從φz的頻域響應(yīng)函數(shù)可知,φz的輸出受5 個參數(shù)的影響,但由相關(guān)文獻可知,ΔN,φx(0)和εU對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的影響也較小,且其數(shù)量級都很小,所以這里不考慮這3 個參數(shù)對收斂速度的影響,本文重點分析東向陀螺漂移εE和初始方位角誤差φz(0)對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響。
一般在自動控制理論中,通常被控制參數(shù)進入到某個誤差帶中,則認(rèn)為系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)過程,即系統(tǒng)收斂。并且在自動控制理論中,一般取誤差帶為穩(wěn)態(tài)值的2%或5%。但在研究羅經(jīng)方位對準(zhǔn)時不宜這樣選取,因為初始方位誤差對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)影響的穩(wěn)態(tài)值為0,無法以穩(wěn)態(tài)值的百分比取誤差帶;另外,在初始對準(zhǔn)時,通常需要根據(jù)慣性器件精度及對方位角精度的要求,綜合考慮方位收斂的判據(jù),因此,本文以方位角進入到以角度為單位的誤差帶作為羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂的判據(jù)。
在本文中,限定陀螺零偏穩(wěn)定性在0.05(°)/h以內(nèi),根據(jù)初始對準(zhǔn)誤差公式可知,在北緯53 °以內(nèi),其初始對準(zhǔn)誤差在0.35 °以內(nèi),再綜合考慮隨機誤差對初始對準(zhǔn)的影響,本文取0.01 °的誤差帶,這對于中等慣性器件精度的初始對準(zhǔn)來說,可以認(rèn)為已經(jīng)收斂。當(dāng)然,在實際應(yīng)用中,可根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境、慣性器件精度及對準(zhǔn)精度的要求,對收斂判據(jù)進行調(diào)整。如果陀螺零偏穩(wěn)定性在0.001(°)/h 的量級,則可將誤差帶提高至0.005 °,如果陀螺零偏穩(wěn)定性在0.1(°)/h 量級,則可將誤差帶放寬至0.02°或0.03°。
由第1 節(jié)可知,與東向陀螺漂移有關(guān)的系統(tǒng)響應(yīng)項為

為了考察該響應(yīng)的時間特性,將其頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)化成時域響應(yīng)函數(shù)Td,對φz1(s)求取拉普拉斯反變換,則有

按照第1 節(jié)相關(guān)參數(shù)取值,有σ=ωd=2πTd,gK3=4σ4,因ωd與σ只是在數(shù)值上相等,其物理含義并不相同,因此,涉及到正余弦運算的ωd不用σ替換。式(5)可簡化為

由上式可以看出,φz1(t)收斂于-εEωiecosL,這與相關(guān)文獻中東向陀螺漂移對初始對準(zhǔn)的影響的相關(guān)公式吻合[11],而這里要考慮的是φz1(t)何時收斂。
由于在本文中限定陀螺零偏穩(wěn)定性小于0.05(°)/h,則陀螺常值漂移一般小于0.05(°)/h,再取緯度為53°,則此時有

考慮上式中的4 個衰減震蕩誤差項,有

式中,φ1~φ3為相位角。
取0.01°誤差帶判定羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂,則有

則 可 解 得σt=5.57 ,從 而 有t=5.57σ=5.57Td2π ≈0.9Td,即經(jīng)過約0.9 個阻尼震蕩周期,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂到0.01°的誤差帶。
因此,可以得出結(jié)論:東向陀螺漂移對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)造成的影響至多可在0.9 個阻尼震蕩周期內(nèi)收斂。本文的分析過于保守,隨著陀螺精度的提高,其常值漂移會減小,則其收斂時間將會更短。表1 列出幾個典型陀螺常值漂移條件下的收斂時間。

表1 不同陀螺常值漂移的收斂時間Table 1 Convergence time of different gyros constant drift
從表1 可以看出,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間與設(shè)置的二階阻尼震蕩周期和陀螺常值漂移有關(guān),當(dāng)陀螺常值漂移確定時,收斂時間與二階阻尼震蕩周期存在固定的比例關(guān)系;而當(dāng)二階阻尼震蕩周期確定時,陀螺常值漂移越大,則收斂時間越長,陀螺常值漂移越小,則收斂時間越短。
還有一點要說明,在進行收斂時間的理論計算時,由于采用了不等式放大,故實際收斂時間往往會小于所計算的理論時間,因此,此處的收斂時間較為保守,是系統(tǒng)穩(wěn)定所需的最長時間。
由第1 節(jié)可知,與初始方位誤差有關(guān)的系統(tǒng)響應(yīng)項為

按照第1 節(jié)的相關(guān)參數(shù)取值,則有

對其求拉普拉斯反變換,得到時域響應(yīng)函數(shù):

由于在參數(shù)設(shè)置中有ωd=σ,故有

從上式可以看出,φz2(t) 最終收斂于0,而本文研究的目標(biāo)是其何時收斂。
由于

因此有

以0.01°的誤差帶為判定初始對準(zhǔn)收斂的判據(jù),則有

根據(jù)上式可知,φz2(t)的大小與初始方位誤差φz(0)成比例關(guān)系,因此其收斂時間與初始方位角誤差的大小有關(guān)。并且從上式還可以簡單看出,φz(0)越大,收斂時間越長。
一般來說,在進行羅經(jīng)對準(zhǔn)前,需要進行粗對準(zhǔn)[12],以保證羅經(jīng)方位對準(zhǔn)誤差模型的線性特性。當(dāng)初始方位角誤差在5 °以內(nèi)時,慣導(dǎo)誤差模型具有較好的線性特性,利用羅經(jīng)方位對準(zhǔn)進行初始對準(zhǔn)效果較好;當(dāng)初始方位角誤差大于5 °時,慣導(dǎo)誤差模型的線性度逐漸變差,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的性能就會變差。因此,在實際應(yīng)用中,粗對準(zhǔn)的誤差一般要控制在5 °以內(nèi),而本節(jié)也只研究初始方位誤差在5 °以內(nèi)的羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間。并且,由于水面艦艇上的羅經(jīng)裝備在實際使用中初始方位誤差不會太大,一般會在1°以內(nèi),因此本文重點列出初始方位誤差在1°以內(nèi)時羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間。根據(jù)式(16),列出了在一些典型初始誤差值條件下羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間,如表2所示。

表2 不同初始方位誤差的收斂時間Table 2 Convergence time of different initial azimuth misalignment
從表2 可以看出,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間與設(shè)置的二階阻尼震蕩周期和初始方位誤差有關(guān),當(dāng)初始方位誤差確定時,收斂時間與二階阻尼震蕩周期存在固定的比例關(guān)系;而當(dāng)二階阻尼震蕩周期確定時,初始方位誤差越大,則羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間越長,初始方位誤差越小,則羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間越短。
與2.2 節(jié)同理,表2 所列的收斂時間也較為保守,一般情況下,實際收斂時間要小于理論計算出的時間。
在慣導(dǎo)實際的初始對準(zhǔn)中,陀螺常值漂移和初始方位誤差是同時存在的,因此,分析2 種誤差同時存在,對收斂時間的影響很有必要,對實際應(yīng)用中羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)置具有重要的理論指導(dǎo)意義。
陀螺常值漂移和初始方位誤差相互獨立,則根據(jù)自動控制理論可知,二者經(jīng)羅經(jīng)方位對準(zhǔn)傳遞函數(shù)得到的響應(yīng)可以線性疊加,因此當(dāng)2 種誤差同時存在時,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)誤差的響應(yīng)函數(shù)為

從上式可以看出,當(dāng)2 項誤差同時存在時,φz3(t)收斂于-εEωiecosL,誤差衰減震蕩項為

因此有

以0.01 °的誤差帶為判定初始對準(zhǔn)收斂的判據(jù),則有

表3 列出了一些典型初始方位誤差和陀螺常值漂移下的收斂時間。

表3 典型初始方位誤差和陀螺常值漂移下的收斂時間Table 3 Typical convergence time of different initial azimuth misalignment and gyro constant drift
對比表2 和表3 可以看出,相對于初始方位誤差,陀螺常值漂移對收斂時間影響不大,主要影響收斂時間的因素是初始方位誤差。
因此,可以得出結(jié)論:當(dāng)陀螺常值漂移和初始方位誤差同時存在時,影響羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的主要因素為初始方位誤差;當(dāng)陀螺常值漂移在0.05(°)/h以內(nèi),初始方位誤差在5 °以內(nèi)時,羅經(jīng)方位對準(zhǔn)會在至多1.41Td時間內(nèi)收斂,初始方位誤差越小,收斂時間也會越短。
在本節(jié)仿真中,首先分別驗證陀螺常值漂移和初始方位誤差對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響,再驗證二者共同存在時對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響,主要驗證這3 種條件下羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間是否與理論分析相吻合。
假設(shè)參考坐標(biāo)系為東北天坐標(biāo)系,當(dāng)?shù)氐乩砭暥葹?3 °,慣導(dǎo)只有X 軸陀螺具有0.05(°)/h 的常值漂移,慣導(dǎo)的姿態(tài)為0 °,0 °,0 °,初始姿態(tài)誤差皆為0°,設(shè)置Td分別等于200,300,400 和500 s,仿真時間為600 s,得到初始對準(zhǔn)誤差收斂曲線如圖2 所示。

圖2 陀螺常值漂移0.05(°)/h 時不同Td下的誤差收斂曲線Fig.2 Convergence curves in different Td with 0.05(°)/h gyros constant drift
由初始對準(zhǔn)相關(guān)理論可知,此時初始對準(zhǔn)誤差穩(wěn)定值為-0.316 5°。因此,結(jié)合上圖和本文0.01°誤差帶的定義可知,初始對準(zhǔn)誤差曲線在最后一次穿過-0.326 5 °時,即可認(rèn)為羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂,此時,對于不同的Td,收斂時間分別如表4所示。

表4 陀螺漂移0.05(°)/h 時不同Td的收斂時間Table 4 Convergence time of different Td with 0.05(°)/h gyros constant drift
從表4 可以看出,對于不同的Td,雖然收斂時間不同,但是收斂時間與Td的比值與理論分析結(jié)果吻合較好,驗證了所提出分析方法的有效性。
限于篇幅,這里不再畫出其它陀螺漂移時的收斂曲線,只通過表5 列出陀螺漂移取0.01,0.02,0.03 和0.04(°)/h,Td取200,300,400 和500 s 時的收斂時間及收斂時間與Td的比值。

表5 不同Td和陀螺常值漂移下的收斂時間Table 5 Convergence time of different Td and different gyros constant drift
從表5 可以看出,當(dāng)陀螺漂移在0.02(°)/h 以上時,與理論計算結(jié)果吻合較好,而在0.02 和0.01(°)/h 時,實際收斂時間要小于理論收斂時間,其原因是在理論推導(dǎo)過程中采用了不等式的放大,使得理論計算的收斂時間過于保守,但從總體來說,本文的分析方法是有效的。
假設(shè)慣性器件無誤差,初始方位誤差為5 °,設(shè)置Td分 別 為200,300 ,400 和500 s,仿 真 時間 為1 000 s,姿態(tài)為0 °,0 °,0 °,仿真結(jié)果如圖3和表6 所示。

圖3 初始方位誤差5°時不同Td值下的收斂曲線Fig.3 Convergence curves in different Td with 5°initial azimuth misalignment

表6 初始方位誤差5°時不同Td的收斂時間Table 6 Convergence time of different Td with 5°initial azimuth misalignment
從表6 可以看出,對于不同的Td,雖然收斂時間不同,但是收斂時間和Td的比值與理論分析結(jié)果吻合較好,驗證了所提出分析方法的有效性。
限于篇幅,本文不再畫出其它陀螺漂移時的收斂曲線,只通過表7 列出一些典型初始方位誤差條件下的收斂時間。特別考慮了水面艦艇上羅經(jīng)裝備初始方位誤差一般不超過1°的實際使用情況,也重點列出了初始方位誤差在1°以內(nèi)時對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響。因此表7 列出了初始方位誤差為4 °,3 °,2 °,1 °,0.8°,0.6°,0.4°和0.2°,Td取200,300 ,400 和500 s 時的收斂時間及其與Td的比值。

表7 不同Td和初始方位誤差下的收斂時間Table 7 Convergence time of different Td and different initial azimuth misalignment
從表中可以看出,當(dāng)初始方位誤差大于2 °時與理論計算結(jié)果較為吻合,而當(dāng)初始方位誤差小于2°時,實際收斂時間要小于理論計算時間。這一現(xiàn)象是由于在理論分析中采用了不等式的放大而造成,但總體來說,本文所提出的分析方法有效。
假設(shè)慣性器件無誤差,初始方位誤差為5 °,陀螺常值漂移為0.05(°)/h,設(shè)置Td分別為200 ,300,400 和500 s,仿真時間為1 000 s,姿態(tài)為0 °,0°,0°,仿真結(jié)果如圖4 和表8 所示。
限于篇幅,這里不再畫出其它條件下的收斂曲線,只通過表9 列出初始方位誤差取4 °,3 °,2 °,1 °和0.5 °,陀螺常值漂移取0.05(°)/h,Td取200,300,400 和500 s 時的收斂時間及其與Td的比值,以驗證理論分析的有效性。

圖4 不同Td值下的收斂曲線Fig.4 Convergence curves in different Td

表8 陀螺漂移0.05(°)/h 和初始方位誤差5°時不同Td的收斂時間Table 8 Convergence time of different Td with 0.05(°)/h gyro drift and 5°initial azimuth misalignment

表9 陀螺漂移0.05(°)/h 時不同Td和初始方位誤差下的收斂時間Table 9 Convergence time of different Td and different initial azimuth misalignment with 0.05(°)/h gyro drift
對比表9 可以看出,當(dāng)陀螺漂移設(shè)置到較大值0.05(°)/h 時,不同初始方位誤差條件下的收斂時間差別不大,且都與Td時間相關(guān),成比例關(guān)系,進而驗證了本文所提分析方法的正確性。
羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的精確性和快速性往往互相矛盾,在固定的初始對準(zhǔn)時間內(nèi),既希望盡可能多地濾掉隨機干擾,又要求羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂,因此,分析羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間特性就顯得十分有必要。本文在求得羅經(jīng)方位對準(zhǔn)傳遞函數(shù)的東向陀螺漂移和初始方位誤差的頻域響應(yīng)基礎(chǔ)上,通過拉普拉斯反變換將其轉(zhuǎn)化成時域響應(yīng)函數(shù),在時域上針對東向陀螺漂移和初始方位誤差對羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間的影響進行了分析。通過分析,主要得出以下結(jié)論:
1)通過分析時域響應(yīng)函數(shù),表明羅經(jīng)方位對準(zhǔn)的收斂時間與陀螺常值漂移、初始方位誤差和設(shè)置的二階阻尼震蕩周期Td有關(guān)。
2)當(dāng)以0.01 °誤差帶為收斂判據(jù)時,由陀螺常值漂移引起的方位角誤差會在至多0.9Td時間內(nèi)收斂,由初始方位誤差引起的方位角誤差會在至多1.39Td時間內(nèi)收斂。
3)當(dāng)二者共同作用時,對收斂時間起主要作用的是初始方位誤差,陀螺常值漂移對收斂時間的影響較小,基本可忽略不計。
本文所提出的方法為設(shè)置羅經(jīng)方位對準(zhǔn)相關(guān)參數(shù),控制羅經(jīng)方位對準(zhǔn)收斂時間提供了理論依據(jù)。