艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中傳遞對準(zhǔn)方法研究

韓雪峰

(海軍裝備部駐大連地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 大連 116021)

0 引 言

對于艦艇發(fā)射平臺(tái)，由于艦船的機(jī)動(dòng)能力有限不能刻意完成首搖、橫搖、縱搖等機(jī)動(dòng)，僅能靠船體作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)或由于風(fēng)浪的作用引起船體自身的晃動(dòng)，提供角速度激勵(lì)，因此所采用的傳遞對準(zhǔn)方式需要在特定的角運(yùn)動(dòng)下才能完成，且對準(zhǔn)精度和速度不能得到保證[1]，通常采用速度匹配方式完成艦船平臺(tái)下的傳遞對準(zhǔn)。采用該方式進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)，水平姿態(tài)誤差角由于重力的作用，能很快收斂，但航向角的對準(zhǔn)精度和對準(zhǔn)速度，取決于對準(zhǔn)過程中載體所感測到的水平比力的大小，由于艦船慣性很大，加速或減速都非常緩慢，因此在對準(zhǔn)過程中需要做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)以提供水平方向的比力[2–3]。由于現(xiàn)階段艦船常用的捷聯(lián)慣導(dǎo)在運(yùn)動(dòng)中可提供較精確的姿態(tài)和角速度信息，所以本文設(shè)計(jì)提出一種基于“姿態(tài)+速度”匹配的傳遞對準(zhǔn)方法，并對不同桿臂條件下的對準(zhǔn)情況進(jìn)行了仿真研究。

1 傳遞對準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

1.1 坐標(biāo)系定義

1）導(dǎo)航坐標(biāo)系（ n 系）

文中采用東北天地理坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系。

2）主慣導(dǎo)載體坐標(biāo)系（ bm系）

原點(diǎn)位于主慣導(dǎo)中心的右前上坐標(biāo)系。

3）子慣導(dǎo)載體坐標(biāo)系（ bs系）

原點(diǎn)位于子慣導(dǎo)中心的右前上坐標(biāo)系。

1.2 速度匹配傳遞對準(zhǔn)

1）速度匹配傳遞對準(zhǔn)狀態(tài)方程

取狀態(tài)變量為：

其中： φn為子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差角；為子慣導(dǎo)速度誤差；為子慣導(dǎo)陀螺的常值漂移；為子慣導(dǎo)加速度計(jì)的常值偏置誤差。則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

綜上所述，速度匹配傳遞對準(zhǔn)狀態(tài)方程寫成矩陣形式如下：

2）速度匹配傳遞對準(zhǔn)的量測方程

在傳遞對準(zhǔn)開始時(shí)刻將主慣導(dǎo)的姿態(tài)、速度和位置裝訂給子慣導(dǎo)。子慣導(dǎo)根據(jù)初始裝訂值開始進(jìn)行導(dǎo)航解算，子慣導(dǎo)給出的載體地速為此時(shí)主慣導(dǎo)輸出的載體地速為由主慣導(dǎo)輸出計(jì)算得到的桿臂速度為其中 rbm為桿臂矢量，則速度匹配的量測為：

定義：

又因?yàn)樽討T導(dǎo)地速可以表示為：

令

在速度匹配傳遞對準(zhǔn)過程中將 VV作為等效量測噪聲，則速度匹配傳遞對準(zhǔn)量測方程為：

3）速度匹配傳遞對準(zhǔn)狀態(tài)空間模型

根據(jù)式（2）和式（12）得速度匹配傳遞對準(zhǔn)的狀態(tài)空間模型為：

1.3 速度＋姿態(tài)匹配傳遞對準(zhǔn)

則有：

構(gòu)造如下矩陣：

由式（18）可知， ZDCM為反對稱陣，記ZDCM=則Zx，Zy，Zz可 按 下 式 確 定：

其中 ZDCM按式（1 4）確定。選取量測量為Zθ=根據(jù)（19）式，可得姿態(tài)量測方程為：

2）姿態(tài)+速度匹配傳遞對準(zhǔn)狀態(tài)空間模型

寫成矩陣形式如下：

量測方程為：

式中， V 為零均值Gauss 白噪聲。

2 設(shè)計(jì)方案研究驗(yàn)證

2.1 仿真條件

仿真條件如表1 所示，載體運(yùn)動(dòng)軌跡如表2 和表3所示。

表1 仿真條件Tab.1 The simulation conditions

2.2 不考慮桿臂與撓曲變形仿真

1）仿真1

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡1 運(yùn)動(dòng)，選取0.005°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1 所示。

2）仿真2

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡1 運(yùn)動(dòng)，選取0.1°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

表2 軌跡1Tab.2 Track 1

表3 軌跡2Tab.3 Track 2

圖1 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.1 Transfer alignment error

3）仿真3

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡2 運(yùn)動(dòng)，選取0.005°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。

4）仿真4

不考慮桿臂與撓曲變形，載體按軌跡2 運(yùn)動(dòng)，選取0.1°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在不考慮撓曲和桿臂的情況下，水平安裝誤差角估計(jì)可以迅速收斂且與機(jī)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系不大，經(jīng)過10 s 鐘的對準(zhǔn)后，水平安裝誤差角誤差小于1 角分。航向安裝誤差角對準(zhǔn)精度和對準(zhǔn)速度主要取決于機(jī)動(dòng)的大小，經(jīng)過20 s 的機(jī)動(dòng)后軌跡1 的航向安裝誤差角的對準(zhǔn)精度較高小于1 角分，而對于軌跡2 由于航向角速度太小，經(jīng)過20 s 的機(jī)動(dòng)后并沒有完全收斂，要達(dá)到更高的對準(zhǔn)精度需要進(jìn)一步作轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)。

圖2 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.2 Transfer alignment error

圖3 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.3 Transfer alignment error

圖4 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.4 Transfer alignment error

2.3 考慮桿臂與撓曲變形仿真

1）仿真5

設(shè)載體按軌跡1 運(yùn)動(dòng)，選取0.005°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.5 Transfer alignment error

2）仿真6

設(shè)載體按軌跡1 運(yùn)動(dòng)，選取0.1°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6 所示。

3）仿真7

設(shè)載體按軌跡2 運(yùn)動(dòng)，選取0.005°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示。

4）仿真8

設(shè)載體按軌跡2 運(yùn)動(dòng)，選取0.1°/h 的陀螺儀進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖6 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.6 Transfer alignment error

圖7 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.7 Transfer alignment error

圖8 傳遞對準(zhǔn)誤差Fig.8 Transfer alignment error

從仿真5～仿真8 可以看出，當(dāng)存在桿臂和撓曲變形時(shí)，與不考慮桿臂和撓曲變形的情況相比傳遞對準(zhǔn)精度受到嚴(yán)重影響，這是因?yàn)楫?dāng)存在撓曲變形時(shí)姿態(tài)量測受到撓曲變形的污染而變差。但是對于相同的撓曲變形的情況下，軌跡中角速度越大則對準(zhǔn)效果越好，這是因?yàn)榻撬俣仍酱笤接欣谔岣咦藨B(tài)量測得信噪比，有助于提高傳遞對準(zhǔn)的精度。因此，在考慮撓曲變形的情況下盡量選擇較大的機(jī)動(dòng)來提高對準(zhǔn)精度。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于“姿態(tài)+速度”匹配的傳遞對準(zhǔn)方法，并對不同桿臂條件下的對準(zhǔn)情況進(jìn)行了仿真研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在配合有合理機(jī)動(dòng)的條件下，能有效的實(shí)現(xiàn)傳遞對準(zhǔn)，為后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。