艦船用多慣導配置導航系統(tǒng)數據處理研究

張琳琳，王喜龍

(1. 陸軍軍事交通學院 軍事交通運輸研究所，天津 300160；2. 海軍裝備部北京局駐天津地區(qū)第一軍事代表室，天津 300122)

0 引 言

隨著現代科技技術發(fā)展與進步，現代艦船上會配置各項導航設備，尤其是對于大型艦船、潛艇無一例外配備慣性導航系統(tǒng)。為安全考慮會配置多種慣性導航設備用以備份和數據比對，在同一類型慣導設備上也會考慮雙機備份。那么慣導的阻尼勢必會是研究的重點。在對慣性導航的阻尼研究中，一般是針對單個慣性導航系統(tǒng)的阻尼網絡。本文針對艦船上配置2 套或者多套精度誤差指標相似的慣導系統(tǒng)情況下，選擇了一種新的阻尼配置方案。由于慣導的誤差指標相差不多，阻尼方案就可以有多種選擇。本文著重在艦船配置雙慣導狀態(tài)下，分別選擇2 種不同的回路進行獨立配置，讓設計更加多樣性[1]，雙慣導阻尼技術采用多種配置，對未來的技術發(fā)展也起到優(yōu)化、多樣和寬泛的作用。

1 阻尼回路的選取

在雙慣導系統(tǒng)中，采用通道補償的辦法，利用外來速度進行阻尼。一般在慣導系統(tǒng)中，若使用外來速度進行補償，那么加入進來的速度如果存在誤差，會對慣導系統(tǒng)的精度有影響。如艦船上一般配有電磁計程儀、壓差計程儀、多普勒測速儀等，其誤差各有不同，而且有的是相對水流的速度，有的是相對大地的真實速度。這種慣導系統(tǒng)，也叫做外速度補償阻尼慣性導航系統(tǒng)。單通道水平阻尼系統(tǒng)如圖1 所示，在阻尼網絡中加入外速度Vry，最終匯聚到導航系統(tǒng)去。圖中Vry，Hy（s），，R， α分別為北向外速度、阻尼網絡、北向加速度、地球半徑和水平誤差角。此種方法僅為系統(tǒng)添加了一路補償通道，可以補償加速度代入整個系統(tǒng)干擾，不過也直接引入了外速度 δVry的誤差[2]。由此可見，要判別出來，用外來速度增加阻尼抑制干擾與外來速度自身也會存在誤差，這樣就會有一個選擇，哪種選擇最優(yōu)是必須關注的。所以阻尼方法的設計、阻尼網絡的選擇就成了關鍵的問題。

圖1 單通道北向水平外阻尼系統(tǒng)方塊圖Fig. 1 Block diagram of single channel North horizontal external damping system

為了回避單一阻尼配置的缺陷，本文采用雙慣導系統(tǒng)加入雙水平阻尼網絡實現，因為這樣的阻尼配置在雙慣導中有很大的靈活性，雙慣導系統(tǒng)之間的速度、位置、加速度的差異和外來速度與慣導自身解算的速度之間的偏差形成了誤差信號[3]；在舒勒回路各節(jié)點上，這些誤差信號可以被單獨反饋上去，也可以先進行混合正、負后，再反饋上去，能夠獲得的組合更多一些。通過雙慣導給出的數據中在進行相關的線性處理，即可以將系統(tǒng)指標更優(yōu)化，如圖2 所示。

圖2 外來速度引入雙系統(tǒng)數據處理圖Fig. 2 Data processing diagram of dual system with external speed introduction

圖 中： δVry，k1～k4， εΠx， αI0， αΠ0， ?AIy，?AΠy， εIx分別為正北加速度偏差、外來速度所表示的阻尼值、初始偏差角、外速度偏差和東向陀螺的漂移參數。

2 源偏差在雙慣導阻尼中的作用

圖2 是兩路阻尼作用于雙慣導示例。

雙慣導系統(tǒng)的系統(tǒng)Ⅰ的特征方程為：

令式（1）的根為：

則得方程：

如果令

則

其中： ωc， ωa分別為代表有阻尼和無阻尼的振蕩頻率， ξ 和σ 分別代表阻尼系數和時間常數。

因此

可將式（3）整理如下：

通過式（7）與式（1）可得到：

系統(tǒng)Ⅰ中能夠求得 α1與 αI0和誤差源 εIx， ?AIy，δVry之間的關系：

將前個系統(tǒng)的速度與后系統(tǒng)速度差值代入后一系統(tǒng)。

假設從代入速度差差值是V1(s)，則

對于系統(tǒng)Ⅱ， α2， αΠ0和誤差源的關系如下：

式（11）可以整理為：

3 雙系統(tǒng)的線性組合輸出

因為發(fā)現兩系統(tǒng)的輸出都有一定的誤差存在，這里直接將其進行組合處理。處理后表達式可以改為：

設真實速度為v，系統(tǒng)Ⅰ的速度誤差為 δV1，系統(tǒng)Ⅱ的速度誤差為 δV2。結果系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ和線性組合后雙慣性系統(tǒng)的速度如下：

把（14）代入式（13）得到：

得到的結果是速度偏差完全相同，精度沒有變化，這樣的操作對實際應用來說是沒有意義的。

為了使精度能夠有所改善，選擇線性處理，假設：

將式（17）代入式（13）即有：

4 仿真分析

平臺誤差會在標校后變小，一般均小于等于0.66′[4]。

這里假設原始情況在系統(tǒng)Ⅰ。

慣性陀螺的隨機漂移為：

陀螺常值漂移為：

加速度計零位誤差為：Ax0=Ay0=1×10?4g；

外速度隨機誤差為： δVxr=δVyr=0.6(kn)；

外速度常值誤差為： δVxc=δVyc=0.4(kn)；

水平誤差角初始值分別為：α0=β0=3′；

方位誤差角為： γ0=5′；

圖3 外來速度代入的單系統(tǒng)偏差圖Fig. 3 Single system deviation caused by external speed

圖4 外來速度代入的雙系統(tǒng)偏差圖Fig. 4 Dual system deviation caused by external speed

經度、緯度初始值：λ0=117?， ?0=30.5?。

系統(tǒng)Ⅱ的水平誤差角初始值分別為：α0=β0=3.42′，其他數值一致。

結果見圖3 和圖4。單慣導加入外部速度時，單個慣導的阻尼網絡及其參數與系統(tǒng)Ⅱ相同。系統(tǒng)Ⅰ選擇了簡單阻尼網絡，它的等效傳遞函數形式[5]為：

而對于系統(tǒng)Ⅱ，采用漸進試驗的方式，選擇的等效傳遞函數形式：

通過多次試驗，才可以選擇合適的網絡形式以及阻尼參數，并且要確保其滿足對應的阻尼網絡原則。通過計算機模擬，擇優(yōu)確定網絡形式和參數。

根據配置阻尼網絡的區(qū)別，及各類誤差源的代入，也會改變系統(tǒng)的響應特性；再由于2 個系統(tǒng)的誤差有差別，也進一步增加了2 個系統(tǒng)響應的不同步。當內部擾動作用顯著增加時，會產生更大的誤差。所以，為了把內外部干擾的組合影響達到最小，這里就有必要改變組合系數。

模擬過程中，相關參數設置為： ω0=1.69×10?3，ω1=6.00×10?4，ω2=5.83×10?4，ω3=1.46×10?3，ω4=8.5×10?4，ω5=8.0× 10?3，ω6=1.0×10?2，ω7=9.4×10?2，k4=0.01。通過仿真知道，雙慣導系統(tǒng)的速度誤差，通過進行雙水平阻尼配置，其速度誤差有了較大提升，再通過線性組合輸出使其阻尼過程完成的更快。而單系統(tǒng)則要實現誤差的提升，需要有過分阻尼。由結果看到，方位誤差變化不大，緯度會部分增大偏差，而經度卻減小了偏差。可見阻尼參數設置在雙慣導中較為繁雜，甚至需要反復進行研究。

5 結 語

針對艦船上配置雙慣導系統(tǒng)或多套慣導情況，利用2 套系統(tǒng)互相融合反饋的方案，并且對系統(tǒng)的輸出進行必要的線性組合處理實現阻尼研究。通過仿真結果表明，該方案是可行的，可以緩解參考的速度精度對系統(tǒng)的影響，能夠縮短系統(tǒng)的整體阻尼時間，并且對經度偏差的抑制作用非常明顯。此方案對于今后艦船用雙慣導或多慣導的系統(tǒng)輸出數據的融合有積極意義，為將來艦船上配備多類型慣導，如靜電慣導、激光慣導等進行多路數據融合研究提供參考。