艦艇統一姿態基準構建方法

吳 偉，秦石喬，農立發

(國防科技大學前沿交叉學科學院，長沙 410073)

0 引言

大型艦艇上集成了雷達、光電跟蹤、導彈等諸多裝備，在協同探測、態勢共享和聯合作戰時需要高精度時間和空間信息保障。統一時空基準是將分布在艦艇上的時間管理設備和導航設備通過高速網絡互聯和信息融合，形成一致的時間、位置和姿態參考。隨著衛星導航系統和高精度原子鐘的普遍應用，時間和位置統一問題已得到較好解決。由于艦艇不是一個剛性體，在平臺運動、溫度變化、結構老化及武器發射等作用下將產生角形變。D.L. Day等測量結果表明,艦船在一天內由于日照引起的角形變達0.9mrad，由轉彎機動產生的角形變可達12.3mrad。角形變導致共平臺上各設備之間的坐標系不一致，難以實現姿態基準統一。

目前有兩種技術途徑可以克服艦艇形變的影響：一是獨立式局部基準，二是形變測量和補償。獨立式局部基準采用中低精度的慣性器件，利用傳遞對準方法完成初始對準，通過導航解算輸出本地姿態信息，其精度受慣性器件性能、主慣導基準的工作狀態、艦艇航行條件等影響較大。此外，局部基準通常由各武器廠家自行配置，缺乏統一標準，導致種類繁多、信息互通難、精度參差不齊等問題。隨著對姿態保障精度要求的不斷提高以及用戶裝備的增多，通過不斷提高慣性器件的性能和增加局部基準數量已難以滿足發展需求。形變測量方法通過直接測量和補償角形變，使艦艇上各設備的坐標系達到一致。各國學者提出了包括光學自準直法、GPS位置矢量法、光纖應力測量法、攝像測量法和慣性矢量匹配法等形變測量方法，并進行了深入的理論研究和實驗驗證。其中，慣性矢量匹配形變測量法以兩套慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)的角速度和比力矢量為觀測量，通過Kalman濾波估計得到形變結果，具有自主性強、布置靈活、精度高等優勢，得到了廣泛關注。

本文提出了一種適用于艦艇的統一姿態基準構建方案。首先介紹了慣性矢量匹配形變測量原理，在此基礎上提出了統一姿態基準構建方案，并對統一姿態基準的體系結構、功能特性和關鍵技術進行了闡述。最后對慣性矢量匹配形變測量方法的特性進行了分析和評估，并對統一姿態基準的發展進行了展望。

1 慣性矢量匹配形變測量原理

圖1 慣性矢量匹配形變測量系統示意圖

假設MINU和SINU之間的形變角為。根據形變角的時間周期不同，分為靜態形變角和動態形變角，表示為

=+

(1)

式中，為靜態形變角；為動態形變角。

(2)

比力匹配測量方程如下

(3)

慣性矢量匹配測量方程是一個多解方程，需要引入船體動態形變模型來估計形變。由于船體結構復雜，所受的波浪載荷是隨機的，導致動態形變也是隨機的，通常采用統計模型描述動態形變。最常用的動態形變模型為二階高斯-馬爾可夫過程模型，可表示為

(4)

式中，=,,；為阻尼系數；為支配頻率；為動態形變幅度均方根值；()為零均值高斯白噪聲。當海況變化或艦艇運動狀態變化，模型參數也將改變?？蓪討B形變模型視為一個寬平穩隨機過程，利用動態形變歷史計算數據對模型參數進行在線辨識。

在慣性矢量匹配測量方法中,角速度+比力匹配測量方法估計結果最為穩定，是目前最常用的形變測量方法。角速度+比力匹配測量Kalman濾波方程的狀態向量為

=

(5)

Kalman濾波量測方程為

=+

(6)

式中，為量測誤差，量測值為

(7)

量測矩陣為

(8)

式中，表示3×3的單位對角矩陣；表示3×3的零矩陣。

慣性矢量匹配形變方法可利用分布在艦艇上的慣性測量設備進行形變測量，具有自主性強、布置靈活、精度高等優勢，但也存在動態形變模型建模難、測量方程存在固有耦合誤差等問題。隨著這些問題的解決，慣性矢量匹配形變測量方法逐步走向工程應用，為實現艦艇統一姿態基準奠定了基礎。

2 統一姿態基準構建方法

為克服角形變的影響，各國海軍艦艇通常采用主慣導和獨立式局部基準的姿態信息保障模式。主慣導一般采用高性能的慣性器件，并且通過旋轉調制、多源導航信息輔助等手段抑制慣性器件誤差,提高姿態精度和姿態精度的長時間保持能力。局部基準同樣采用慣性導航解算，受成本、體積和工作環境等限制，其精度往往比主慣導低得多。這種分散獨立的姿態基準體系結構，無法充分發揮主慣導的高精度優勢，造成極大的資源浪費，并帶來諸多使用限制。為解決此問題，給出了一種基于慣性矢量形變測量的統一姿態基準體系架構，并分析了其功能特性、實現途徑和關鍵技術。

2.1 統一姿態基準原理

統一姿態基準原理如圖2所示。對主慣導基準MINU與各獨立局部基準SINU(=1,2,…,)分別進行形變測量，再將主慣導基準的姿態值補償形變后傳遞到各獨立局部基準。形變解算過程只用到主慣導基準和局部基準的陀螺和加速度計的原始測量數據，對主慣導基準的工作狀態、艦艇航行狀態無特殊要求。

圖2 統一姿態基準原理圖

在統一姿態基準體系中，任意一套局部基準的工作原理如圖3所示。這種局部基準有兩種工作模式：一是形變解算模式，將主慣導基準的姿態信息經過形變補償，傳遞到用戶設備；二是自主導航模式，由局部基準內部的導航解算單元在完成初始對準后，進行自主導航解算，輸出姿態信息。局部基準主要工作在形變解算模式下，只有當主慣導基準工作狀態異常或發送數據中斷時，才啟用自主導航工作模式。其中，形變解算模式的工作流程如下：

圖3 局部基準工作流程圖

(9)

利用主慣導基準和局部基準的角速度和比力原始測量信息，實時解算得到形變，再對主慣導基準輸出的姿態進行形變補償，就可以獲得局部基準的實時姿態結果。從式(9)可以看出，局部基準的姿態精度由主慣導基準的絕對姿態精度和形變測量誤差共同決定。從后面的仿真結果可以看出，形變測量誤差很小，可以實現主慣導基準姿態的高精度傳遞，從而構建以主慣導基準為中心的高精度統一姿態基準體系。

2.2 統一姿態基準體系結構

統一姿態基準將分布在艦艇各部位的局部基準測量信息，經過時間同步和形變補償，實現信息時空配準，在此基礎上對信息進行深度融合，以提高導航信息的質量和可靠性。統一姿態基準體系結構，如圖4所示，分為信息傳感層、信息融合層和信息服務層。信息傳感層由分布在艦艇上的主慣導基準和局部基準組成，實時測量得到平臺運動的角速度和比力信息，以及主慣導的姿態信息；信息融合層接收各傳感器數據，通過數據處理實現形變測量、信息融合、性能評估和故障修復等功能；信息服務層面向用戶設備，將融合后的主慣導姿態基準信息經過形變補償，傳遞至各用戶設備，實現姿態基準信息的統一保障。與傳統的獨立局部基準相比，統一姿態基準具有如下幾方面的優勢：

圖4 統一姿態基準體系結構

1)信息共享。通過形變測量將所有慣性基準設備融合為一個有機整體，實現信息的融合與共享。

2)精度提升。將主慣導基準的高精度姿態信息通過形變測量和補償傳遞至用戶設備，將各用戶設備的姿態基準精度提升至與主慣導基準相當的水平。

3)可靠性提高。通過對艦艇平臺的形變模型建模，實現對艦艇關鍵部位的姿態預測，當局部基準信息不可用條件下提供應急姿態信息服務，提高整個導航系統的冗余性和可靠性。

4)狀態實時監測。通過形變測量和補償，并利用多套慣性基準信息，對其中任意一套局部基準的姿態信息進行實時評估，實現狀態監測。

5)保障能力提高。局部基準采用標準化物理接口和信息接口設計，實現慣性基準的相互備份，提高保障能力。

統一姿態基準體系結構充分發揮系統的信息集成和高速計算優勢，實現導航信息的集中處理，提升導航信息的服務保障能力。

2.3 關鍵技術

獨立式基準結構的特點是基準設備由用戶設備自行配置，種類繁多,形制各異。根據采用的慣性器件不同，有液浮陀螺姿態基準、撓性陀螺姿態基準、激光陀螺姿態基準和光纖陀螺姿態基準；根據是否采用旋轉調制機構，有雙軸旋轉姿態基準、單軸旋轉姿態基準和捷聯姿態基準。為實現姿態基準統一,需解決以下幾個關鍵技術：

1)高精度形變測量。高精度形變測量是實現姿態基準統一的基礎，通過艦艇角形變模型建模、慣性器件誤差建模等，可以提高形變的測量精度以及在各種工況條件下的測量結果的魯棒性。

2)高精度時間同步。在動態條件下，原始數據采樣濾波延遲、信息傳輸延遲和信息處理延遲等都將引起最終的姿態信息融合誤差?？赏ㄟ^對慣性基準統一授時，以及對時間延時進行實時估計和補償等，減小時間延遲對姿態精度的影響。

3)慣性基準信息接口標準化。為實現高精度形變測量和姿態基準統一，各慣性基準發送的原始陀螺和加速度計測量數據，需經過旋轉調制補償、誤差校正和坐標系轉換等處理，輸出滿足信息接口標準要求的原始測量參數。

3 仿真實驗驗證

艦艇統一姿態基準的基礎是高精度形變測量，下面通過一組典型仿真實驗，驗證統一姿態基準的性能?；谀炒Ｉ蠈崪y的姿態數據(圖5所示)、速度數據(圖6所示)以及形變數據(圖7所示)構建

圖5 姿態數據

圖6 速度數據

圖7 形變角數據

仿真環境，產生MINU和SINU的陀螺和加速度計數據，利用慣性矢量匹配方法計算形變。在仿真中，MINU的慣性器件誤差設置為高精度慣性基準水平，SINU的慣性器件誤差設置為中等精度慣性基準水平，陀螺和加速度計誤差設置如表1所示。

表1 陀螺和加速度計誤差參數

利用角速度+比力匹配方法進行形變解算。圖8所示為慣性矢量匹配形變測量誤差，濾波時間0.5h后縱撓角、橫扭角和艏撓角形變測量誤差均小于15″。從仿真結果可見，形變測量誤差收斂時間快，且測量誤差不隨時間發散。

圖8 形變測量誤差

下面分析慣性器件常值零偏誤差對船體形變測量精度的影響。仿真條件設置為：2套IMU陀螺和加速度計隨機誤差參數與表1相同，MINU的陀螺和加速度計常值零偏均設置為0；SINU的陀螺和加速度計常值零偏分別設置如下：

1)SINU的加速度計零偏設置為0，陀螺零偏變化范圍為0～0.1(°)/h。利用慣性矢量匹配方法進行形變解算，統計得到0.5～3h形變測量誤差的均值和均方根值隨陀螺零偏變化曲線，如圖9所示。從結果可以看出，形變測量結果不受陀螺常值零偏的影響。

圖9 陀螺零偏對形變測量誤差的影響曲線

2)SINU的陀螺零偏設置為0，加速度計零偏變化范圍設置為0～1000μ。利用慣性矢量匹配方法進行形變解算，統計得到0.5～3h形變測量誤差的均值和均方根值隨加速度計零偏變化曲線，如圖10所示。從結果可以看出，形變測量結果不受加速度計常值零偏的影響。

圖10 加速計零偏對形變測量誤差的影響曲線

由于陀螺和加速度計的常值偏置誤差可以得到有效估計，慣性器件常值零偏對形變測量精度的影響較小，可用低成本、中等精度的局部基準達到高精度主慣導基準的精度水平，從而降低全船慣性基準的整體成本。

從上面的仿真結果可以看出，慣性矢量匹配形變測量方法的啟動時間快、精度高，可有效抑制陀螺和加速度計常值零偏誤差，且形變測量誤差不隨時間發散。通過慣性矢量形變測量可以實現任意兩套慣性基準之間的相對坐標系偏差測量，從而構建一個高精度姿態基準網絡，實現主慣導基準姿態信息的共享。同時，統一姿態基準體系可發揮多慣性基準設備協同優勢，實現狀態監測、故障診斷和冗余備份等功能，提高姿態信息的生命力和保障能力。

4 結論

本文基于慣性矢量匹配形變測量方法，提出了一種艦艇統一姿態基準體系結構。該體系結構通過對形變精確測量和補償，將各用戶設備坐標系與主慣導基準高精度對齊統一，構建以主慣導為中心的統一姿態基準體系，為艦艇各用戶設備提供自主、精確、連續、可靠、穩健的姿態信息保障。相較于傳統的獨立局部基準，統一姿態基準只需要用中等精度的慣性器件就可將基準的性能提升至與主慣導基準相當的水平，降低了系統的建造成本。同時，通過慣性基準組網和信息融合，實現對每一個設備的狀態監測、故障診斷和健康管理，提高系統的智能性和可靠性。

目前，我國大型艦艇仍采用傳統的主慣導和分布式獨立局部基準的姿態基準體系結構，與國外相比仍有差距。未來，應制定統一姿態基準的規范和標準，研制統一姿態基準設備，加快構建艦艇統一姿態基準體系結構，以適應未來信息化作戰發展需求。