一種魚雷加速度計零偏現場標定方法

阮 衛, 郝 喆, 宋喜發, 張秦南, 王立文, 國琳娜

一種魚雷加速度計零偏現場標定方法

阮 衛, 郝 喆, 宋喜發, 張秦南, 王立文, 國琳娜

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對魚雷慣性測量組合需定期拆卸標定的問題, 文中提出一種適用于魚雷慣性測量組合的免拆卸標定方法。在靜基座條件下, 以速度誤差作為觀測量建立卡爾曼濾波模型, 先估計現場失準角后估計天向加速度計零偏, 結合3個不同位置的姿態矩陣和天向加速度計零偏, 完成對慣性測量組合加速度計零偏的求解。仿真結果表明, 該方法有效可行, 可為魚雷現場免拆卸標定提供借鑒。

魚雷; 加速度計零偏; 標定

0 引言

限于目前的技術及工藝水平, 慣性測量組合參數會隨時間發生一定的變化, 導致慣性測量組合性能產生一定程度的下降, 進而影響導航系統的使用, 因此需要定期對其進行標定。魚雷光纖測量組合傳統標定方法是對其進行拆卸返廠, 利用高精度轉臺進行位置標定和速率標定。該方法標定精度高, 但工作量大、成本較高[1-2], 而且不利于魚雷戰備完整性, 因此需要研究魚雷慣性測量組合現場免拆卸標定方法。

慣性測量組合誤差以導航系統誤差的形式表現出來, 所以可通過導航系統誤差方程, 分析慣性測量組合誤差的可觀測性, 給出其現場標定方法。Pittman等[3-4]利用雙軸環架旋轉三位置, 直接從靜態導航系統誤差方程中估計器件漂移。張紅良[5]利用全局可觀測性方法對陀螺儀和加速度計常值誤差的可觀測性進行分析。趙曉偉等[6]根據陀螺漂移和水平加速度計可觀測, 設計了一種車載四位置標定方案對其進行估計, 但未實現所有加速度計零偏估計, 其對位置精度也有要求。趙星宇等[7]建立了陀螺儀和加速度計誤差模型加入慣性導航解算, 并進行了狀態變量可觀測性分析, 設定了發射車的路徑軌跡, 讓每個誤差參數均可被激勵。另有學者將加速度計標定問題轉換為參數優化問題, 提出一種基于自適應遺傳算法的加速度計快速標定方法, 但該方法需要進行多位置旋轉[8-9]。

魚雷在現場一般都是放置在雷箱或雷車上, 無高精度轉臺實現特殊位置轉動或機動。利用卡爾曼濾波估計出的慣性測量組合誤差一般是在導航坐標系下表示, 需要轉換到雷體坐標系下才能進行補償。張秦南[10]所提對準技術可實現雷體坐標系到導航坐標系轉換矩陣的精確補償。

文中通過分析導航系統誤差方程中慣性測量組合誤差的可觀測性, 結合對準修正技術, 提出一種靜基座條件下魚雷加速度計零偏三位置現場簡易標定方法, 以實現魚雷大修周期內慣性測量組合免拆卸標定。

1 理論分析

導航坐標系選取北天東坐標系, 雷體坐標系選取前上右坐標系, 靜基座條件下雷體導航系統誤差方程為

利用可觀測性相關分析理論[11]對慣導系統誤差方程進行分析, 系統狀態方程為

系統量測方程為

系統可觀測矩陣為

表1 特征值與對應的特征向量組合

2 方案設計

圖1 三位置標定方案設計

3 數學模型

利用式(2)、式(4)建立卡爾曼濾波模型, 卡爾曼濾波步驟如下。

狀態一步預測

狀態一步預測均方誤差

濾波增益

狀態估計

狀態估計均方誤差

4 數學仿真分析

每個位置靜止300 s, 在每個位置先進行初始對準, 橫滾角和俯仰角初始化為零, 姿態矩陣修正后得到的姿態角如表3所示。

表2 姿態角真實值

表3 姿態角估計值

表3中俯仰角和橫滾角的最大絕對誤差為0.06°, 由此可知, 魚雷經過初始對準可以得到精確的俯仰角和橫滾角。3個位置的天向加速度計濾波估計曲線見圖2, 具體估計值見表4。

圖2 天向加速度計零偏估計值

表4 各位置天向加速度計零偏估計值

表5 加速度計零偏估計值

表5中, 加速度計零偏絕對誤差最大值為0.09×10–3, 滿足低等測量精度慣性測量組合標定的要求。為驗證姿態角對加速度計零偏估計精度的影響, 對不同姿態角情況下的標定方法進行仿真。

表6 姿態角設置值

表7 加速計零偏估計值

由表7可知, 不同姿態角最后得到的加速度計估計精度量級是相同的。式(9)中加速度計常值零偏的估計精度取決于姿態角估計精度, 而模型不變, 姿態角估計精度不變。

5 結束語

文中通過對慣性導航系統誤差方程中的天向加速度計零偏進行可觀測性分析, 設計了一種魚雷加速度計零偏免拆卸標定方法, 仿真結果表明該方法可對中低等精度慣性測量組合中的加速度計零偏進行有效檢測, 與傳統標定方法相比無需機動, 且對位置無精度要求, 結合文獻[13]所提的陀螺漂移現場標定方法, 可完成魚雷慣性測量組合主要誤差項標定方案設計, 為彈載捷聯慣導系統現場免拆卸標定研究提供借鑒。

[1] 曹京宇. 某型導彈發射車的激光陀螺慣導系統外場標定技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2011.

[2] 楊曉霞, 黃一. 外場標定條件下捷聯慣導系統誤差狀態可觀測性分析[J]. 中國慣性技術學報, 2008, 16(6): 657- 664.

Yang Xiao-xia, Huang Yi. Observability Analysis for Error States of SINS Under Outer Field Conditions[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2008, 16(6): 657- 664.

[3] Pittman D N, Roberts C E. Determining Inertial Errors from Navigation-in-place Data[C]//IEEE PLANS 92 Position Location and Navigation Symposium Record. Monterey. CA, USA: IEEE, 1992: 60-67.

[4] Pittman D N, Lanier N C, LeFever V C. Integration and Testing of a Low-Cost Land Navigator for the Army Combined Arms Weapon System(TACAWS)[C]//Pro- ceeding of Position Location and Navigation Symposium, Atlanta. GA, USA: IEEE, 1992: 399-406.

[5] 張紅良. 陸用高精度激光陀螺捷聯慣導系統誤差參數估計方法研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2010.

[6] 趙曉偉, 孫謙, 李宏, 等. 一種車載激光捷聯慣組免拆卸標定方法[J]. 導航與控制, 2016(1): 17-22, 6.

Zhao Xiao-wei, Sun Qian, Li Hong, et al. A Free Disassembly Calibration Method for Strapdown Inertial Navigation System Based on the Vehicle[J]. Navigation and Control, 2016(1): 17-22, 6.

[7] 趙星宇, 戚紅向, 王世會, 等. 基于參數估計的捷聯慣組整彈標定方法研究[J]. 航天控制, 2017, 35(6): 14-18.

Zhao Xing-yu, Qi Hong-xiang, Wang Shi-hui, et al. Research on Calibration of SINS by Kalman Filter[J]. Aerospace Control, 2017, 35(6): 14-18.

[8] 張爽, 張若愚. 基于自適應遺傳算法的MEMS加速度計快速標定方法[J]. 北京航天航空大學學報, 2019, 45 (10): 1982-1989.

Zhang Shuang, Zhang Ruo-yu. Rapid Calibration Method of MEMS Accelerometer Based on Adaptive GA[J]. Jour- nal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(10): 1982-1989.

[9] 楊管金子, 李建辰, 黃海, 等. 基于遺傳算法的加速度計免轉臺標定方法[J]. 中國慣性技術學報, 2017, 25(1): 119-123.

Yang-Guanjinzi, Li Jian-chen, Huang Hai, et al. Non- turntable Calibration Method for Three-Accelerometer Based on Genetic Algorithm[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2017, 25(1): 119-123.

[10] 張秦南. 快速高精度的二次對準技術研究[J]. 魚雷技術, 2001, 9(3): 34-36.

[11] 楊曉霞, 陰玉梅. 可觀測度的探討及其在捷聯慣導系統可觀測性分析中的應用[J]. 中國慣性技術學報, 2012, 20(4): 405-409.

Yang Xiao-xia, Yin Yu-mei. Discussions on Observability and Its Applications in SINS[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2012, 20(4): 405-409.

[12] 王新龍. 捷聯式慣導系統動、靜基座初始對準[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2013.

[13] 阮衛, 張秦南, 迪玉茹, 等.一種慣性測量組合陀螺常值漂移外場標定方法[J]. 水下系統無人學報, 2019, 27(4): 442-445.

Ruan Wei, Zhang Qin-nan, Di Yu-ru, et al. An Outer Field Calibration Method of IMU Gyro Constant Drift[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2019, 27(4): 442-445.

Method of Field Calibration for Torpedo AccelerometerZero Bias

RUAN Wei, HAO Zhe, SONG Xi-fa, ZHANG Qin-nan, WANG Li-wen, GUO Lin-na

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To solve the problem in which a torpedo inertial measurement unit is required to disassemble for calibration regularly. In this study, a disassembly free calibration method for a torpedo inertial measurement unit is proposed. By using velocity errors as observations to establish the Kalman filtering model on a stationary base, first, the misalignment angle is estimated; second, vertical accelerometer zero bias is estimated, and the attitude matrix of three positions and upward accelerometer zero bias are used to solve the accelerometer bias of the inertial measurement unit. Simulation results show that this method is effective and feasible for torpedo-field disassembly free calibration.

torpedo; accelerometer zero bias; calibration

TJ630; U666.12; V249.3

A

2096-3920(2021)03-0363-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.018

阮衛, 郝喆, 宋喜發, 等. 一種魚雷加速度計零偏現場標定方法[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(3): 363-367.

2020-06-30;

2020-09-27.

阮 衛(1993-), 男, 碩士, 主要研究方向為水下航行器導航與控制技術.

(責任編輯: 陳 曦)