一種慣導(dǎo)系統(tǒng)航向測量精度的動態(tài)評估方法

傅中澤，徐 凱，關(guān) 勁，陶冠時，高 薪，孫 洋

（1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

一種慣導(dǎo)系統(tǒng)航向測量精度的動態(tài)評估方法

傅中澤1，徐 凱1，關(guān) 勁1，陶冠時1，高 薪2，孫 洋1

（1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

隨著艦載武器系統(tǒng)的發(fā)展，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)測量精度要求不斷提高，因此對慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)測量精度的評估與驗證成為慣性測試技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一，特別是針對動態(tài)條件下的評定。對此提出了一種慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)信息測量精度的動態(tài)評估方法，該方法是由差分GPS測量系統(tǒng)、甲板經(jīng)緯儀、綜合測量靶標(biāo)等設(shè)備組成的外測系統(tǒng)來實現(xiàn)。該外測系統(tǒng)通過外測定位數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對達(dá)到慣導(dǎo)系統(tǒng)精度評估的目的。經(jīng)過實船驗證，該動態(tài)評估方法實測結(jié)果優(yōu)于20〞，滿足性能指標(biāo)的要求。該方法的提出有效提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)信息的動態(tài)評估的效率，具有很好的實際應(yīng)用價值。

慣導(dǎo)動態(tài)評估；差分GPS測量系統(tǒng)；甲板經(jīng)緯儀；綜合測量靶標(biāo)

隨著艦載武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為保證艦載火炮、導(dǎo)彈、雷達(dá)等武器系統(tǒng)正常工作，要求船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)除滿足定位功能外，還要提供具有一定精度的航向與水平姿態(tài)信息。此外，艦載導(dǎo)彈和飛機在發(fā)射前，也需要上述參數(shù)使其配備的慣性設(shè)備快速正確的完成初始對準(zhǔn)與初始參數(shù)裝訂功能。由于對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)測量精度要求的不斷提高，因此對慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)測取精度的評估與驗證成為慣性測試技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一，特別是針對動態(tài)條件下的評定。

慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)信息測量精度的動態(tài)評估是其測量精度評估的重點與難點，一方面由于慣性姿態(tài)測量法自身精度相對較高，較難在動態(tài)情況下找到適合的儀器進(jìn)行評定；另一方面，由于在海上動態(tài)條件下載體運動情況較為復(fù)雜，且受艦噸位、運動機動性、船體變形、海況等級等諸多因素影響，獲取慣導(dǎo)系統(tǒng)所處位置姿態(tài)運動信息的真值較為困難。

現(xiàn)在精度較高的慣導(dǎo)系統(tǒng)動態(tài)評估方法主要有天文導(dǎo)航和GPS姿態(tài)測量：

a） 天文導(dǎo)航

天文導(dǎo)航是以已知準(zhǔn)確空間位置、不可毀滅的自然天體為基準(zhǔn)，并通過光電和射電方式被動探測天體位置，經(jīng)解算確定測量點所在平臺的經(jīng)度、緯度、航向和姿態(tài)等信息。目前艦艦裝備的天文導(dǎo)航系統(tǒng)多是基于“高度差法”天文導(dǎo)航原理，其導(dǎo)航定位過程依賴于慣導(dǎo)平臺提供的水平基準(zhǔn)，通過慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得載體的初始位置、姿態(tài)，以便實施對星體的搜索、捕獲和跟蹤。天文導(dǎo)航系統(tǒng)在已知水平姿態(tài)的條件下，可確定載體的地理位置和真北航向；在已知地理位置的條件下，可以確定載體的水平姿態(tài)和真北航向。

天文導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度主要取決于水平基準(zhǔn)精度、測角傳感器及其線路檢測精度、軸系制造裝調(diào)與標(biāo)校精度、CCD光電測星精度、蒙氣差與視差的修正精度、時間精度、導(dǎo)航星視位置精度。其中，水平基準(zhǔn)對其導(dǎo)航定位精度影響最大，而其它誤差項通過建立綜合標(biāo)定的誤差模型可以控制在較小范圍內(nèi)。因此，在已知地理位置的條件下，忽略除水平基準(zhǔn)誤差外的其它誤差項，可以利用天文導(dǎo)航系統(tǒng)解算出載體的水平姿態(tài)和真北航向，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測量精度進(jìn)行評估或驗證。

天文測量法已得到一定程度應(yīng)用，但該方法是以忽略諸多誤差項為基礎(chǔ)的，且其測量精度與高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)測量精度相當(dāng)。

b）GPS姿態(tài)測量

GPS不僅可以實時、全天候的提供載體的位置、速度和1pps秒脈沖信號，而且利用相位干涉原理，采用天線布陣技術(shù)，可以實現(xiàn)載體的航行及水平姿態(tài)的測量。通過適當(dāng)?shù)牟季职惭b在同一平面上且不在同一線上的多個GPS天線，采用載波相位差分測量，天線之間構(gòu)成的基線向量能夠被精確地測定，因此由基線所確定的平面的姿態(tài)也同時被確定。從目前國外相關(guān)產(chǎn)品資料看，其姿態(tài)角測量精度能夠達(dá)到 0.03°至0.5°，實際精度指標(biāo)還取決于GPS天線的配置和多路徑影響。

GPS姿態(tài)測量除依賴硬件設(shè)備條件外，算法研究與軟件實現(xiàn)及基陣布陣方法也是其關(guān)鍵技術(shù)，直接其影響姿態(tài)測量精度。

本文所述一種慣導(dǎo)系統(tǒng)航向測量精度的動態(tài)評估方法依靠由差分GPS測量系統(tǒng)、甲板經(jīng)緯儀、綜合測量靶標(biāo)等設(shè)備組成的外測系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)通過外測定位數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)與導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對以達(dá)到慣導(dǎo)姿態(tài)精度動態(tài)評估的目的。

1 外測系統(tǒng)

1.1 功能

該外測系統(tǒng)利用甲板經(jīng)緯儀實時跟蹤配合船上的靶標(biāo)，并結(jié)合有關(guān)差分定位數(shù)據(jù)等解算出艦實時航向，將該航向與導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的航向進(jìn)行比較可以獲得各采樣時刻點的航向差，從而達(dá)到導(dǎo)航系統(tǒng)定向精度檢查的目的。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

外測系統(tǒng)由動態(tài)差分GPS測量系統(tǒng)Ⅰ、差分GPS測量系統(tǒng)Ⅱ、影像跟蹤儀、綜合測量靶標(biāo)、測控微機、數(shù)據(jù)采集儀及后處理軟件等組成。其中差分GPS測量系統(tǒng)Ⅰ、影像跟蹤儀、測控微機等架設(shè)在試驗艦上，差分GPS測量系統(tǒng)Ⅱ、綜合測量靶標(biāo)、數(shù)據(jù)采集儀等架設(shè)于試驗配合船上。如圖1所示。

圖1 外測系統(tǒng)Fig.1 Outside measurement system

1.2.1 差分GPS測量系統(tǒng)

差分GPS測量系統(tǒng)由安裝于試驗艦的差分GPS測量系統(tǒng)Ⅰ和差分GPS測量系統(tǒng)Ⅱ、數(shù)據(jù)鏈電臺及基站組成。主機對接收機采集的碼相位和載波相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時通過數(shù)據(jù)鏈接收電臺實時接收從差分基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信息，按RTK模式工作，提供實時的高精度位置和速度信息。

基站沿試驗航道岸邊建立，每個基站包括1臺40通道雙頻RTK GPS接收機、1個零相位雙頻GPS天線、1臺基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈電臺及天線、線纜、安裝附件等。

導(dǎo)航精度試驗中用到兩套差分GPS測量系統(tǒng)，一套安裝在試驗艦上，用于測量影像跟蹤儀的精確定位數(shù)據(jù)和試驗艦的定位數(shù)據(jù)；一套安裝在試驗配合船上，用于測量綜合測量靶標(biāo)的精確定位數(shù)據(jù)。

沿試驗航路岸邊建立3至4個差分基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站利用岸標(biāo)設(shè)置。

1.2.2 影像跟蹤儀

影像跟蹤儀是利用高穩(wěn)頻氦氖激光技術(shù)實現(xiàn)對特定點進(jìn)行高精度定位測量的。精度試驗中所使用的影像跟蹤儀上集成安裝了數(shù)碼影像跟蹤系統(tǒng)。其最顯著的特點是不但可以對特定的靶目標(biāo)進(jìn)行空間定位（5×10-6），還可對有特定光學(xué)特性的燈目標(biāo)進(jìn)行形位跟蹤，測定出目標(biāo)燈形位中心的方位角和高度角。

利用影像跟蹤儀的上述特性，在精度試驗中就能對綜合靶標(biāo)進(jìn)行自動形位跟蹤，測量出綜合靶標(biāo)對甲板坐標(biāo)系的方位角和高度角。同時在不進(jìn)行靶標(biāo)跟蹤時，還能對有關(guān)部位進(jìn)行變形監(jiān)測。當(dāng)影像跟蹤儀在甲板坐標(biāo)系中對準(zhǔn)時，統(tǒng)一稱其為甲板經(jīng)緯儀。

1.2.3 測控微機及數(shù)據(jù)采集儀

系統(tǒng)測控微機和數(shù)據(jù)采集儀選用加固便攜式計算機，能夠適應(yīng)艦上惡劣試驗環(huán)境。測控微機主要完成試驗艦上所有外測設(shè)備及導(dǎo)航設(shè)備的系統(tǒng)接口、同步測量以及數(shù)據(jù)采集、存儲，部分?jǐn)?shù)據(jù)實時顯示等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集儀在配合船上完成差分GPS測量系統(tǒng)Ⅱ的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

1.2.4 綜合測量靶標(biāo)

綜合測量靶標(biāo)上安裝了跟蹤燈、GPS定位天線、多路徑抑制器、專用雙頻放大器等。要求通過剛度設(shè)計，GPS定位天線與跟蹤燈的位置保持相對穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)后處理時通過天線與跟蹤燈的位置關(guān)系可計算出跟蹤燈的精確位置信息。

1.2.5 后處理軟件

后處理軟件包括兩部分。第一部分是GPS定位數(shù)據(jù)原始觀測量的后處理。從以前的試驗情況看，受試驗環(huán)境影響，差分信號有可能會受到干擾。為了提高數(shù)據(jù)成功率，確保參與精度考核的定位數(shù)據(jù)的連續(xù)性和有效性，在對試驗中GPS的動態(tài)差分定位數(shù)據(jù)記錄的同時對原始觀測量進(jìn)行記錄，并對原始觀測量進(jìn)行事后處理得到高精度相對差分定位數(shù)據(jù)。

第二部分是對相關(guān)外測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以獲得航向外測數(shù)據(jù)。精度試驗中不能得到實時外測航向，只能記錄大量航向解算原始?xì)v元。數(shù)據(jù)后處理軟件要完成同一時刻點各參數(shù)（包括試驗艦上的影像跟蹤儀數(shù)據(jù)、差分GPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)及配合船上的差分GPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)等）的配置，保證每一組航向解算歷元的時間統(tǒng)一。然后根據(jù)試驗艦上和配合船上 GPS定位點解算出影像跟蹤儀和綜合測量靶標(biāo)的精確定位數(shù)據(jù)從而解算出大地方位角，最后才能解算出各采樣時刻點的外測航向。數(shù)據(jù)后處理軟件還要完成外測定位數(shù)據(jù)、測速數(shù)據(jù)及外測航向數(shù)據(jù)的預(yù)處理，判斷并剔除粗大誤差，最后還要與導(dǎo)航系統(tǒng)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、比對。

2 評估方法

2.1 航向測量方案

利用外測系統(tǒng)中差分 GPS測量系統(tǒng)實現(xiàn)定位測量作為外測航向的解算因子，定位精度直接影響到外測航向的精度，因此需要對GPS定位數(shù)據(jù)采取動態(tài)差分以滿足航向解算需要的精度要求。精度試驗過程中差分信號有可能會受到干擾，為保證外測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，試驗中對試驗艦和配合船上的GPS接收機的原始觀測量進(jìn)行記錄，對它們進(jìn)行后處理可以得到高精度的相對差分定位數(shù)據(jù)，滿足外測航向解算要求。

外測系統(tǒng)航向數(shù)據(jù)是綜合光學(xué)測量及 GPS定位測量等相關(guān)測量數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得到的，其測量原理如圖2所示。試驗過程中甲板經(jīng)緯儀（影像跟蹤儀）實時跟蹤配合船上的綜合測量靶標(biāo)，t時刻點甲板經(jīng)緯儀與靶標(biāo)連線的大地方位角為K2，甲板經(jīng)緯儀跟蹤靶標(biāo)的目標(biāo)舷角轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中的角度為K1，設(shè)t時刻艦的外測航向為K，則有：

圖2 艦船精度試驗測量原理Fig.2 Ship precision test measuring principle

式中：K為t時刻艦的外測航向，K1為甲板經(jīng)緯儀跟蹤靶標(biāo)的目標(biāo)舷角轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中的角度；K2為t時刻點甲板經(jīng)緯儀與靶標(biāo)連線的大地方位角。

可見，進(jìn)行航向外測時，需要：1）甲板經(jīng)緯儀需在艦的甲板坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確安裝；2）甲板經(jīng)緯儀和綜合測量靶標(biāo)需進(jìn)行精確定位。

2.2 甲板經(jīng)緯儀的安裝對準(zhǔn)

精度試驗中甲板經(jīng)緯儀必須工作于艦統(tǒng)一甲板坐標(biāo)系內(nèi)，即方位回轉(zhuǎn)軸線垂直于甲板坐標(biāo)系水平基準(zhǔn)面（即水平對準(zhǔn)），零方位角時視軸線在水平基準(zhǔn)面內(nèi)與艦艏艉基準(zhǔn)線平行（即方位對準(zhǔn)）。利用影像跟蹤儀的高精度的目標(biāo)定位特性，通過兩次坐標(biāo)測量與轉(zhuǎn)換實現(xiàn)方位對準(zhǔn)的數(shù)學(xué)平臺對準(zhǔn)方案。該方案是基于影像跟蹤儀高精度的形位測量特性進(jìn)行的。

在舷間架設(shè)四個靶標(biāo)，建立過渡基準(zhǔn)坐標(biāo)系，影像跟蹤儀在導(dǎo)航室內(nèi)在甲板坐標(biāo)系中對準(zhǔn)后對四個靶標(biāo)進(jìn)行測量，可以得到過渡基準(zhǔn)坐標(biāo)系相對甲板坐標(biāo)系的失調(diào)角(α1,β1,γ1)。

在甲板上架設(shè)影像跟蹤儀，影像跟蹤儀對舷間四個靶標(biāo)進(jìn)行測量，可以得到影像跟蹤儀坐標(biāo)系相對過渡基準(zhǔn)坐標(biāo)系的失調(diào)角(α2,β2,γ2)。既而可以得到影像跟蹤儀坐標(biāo)系與甲板坐標(biāo)系的失調(diào)角為：

通過式(2)的修正計算，影像跟蹤儀就能實現(xiàn)在甲板坐標(biāo)系中對準(zhǔn)。

這種方法中甲板經(jīng)緯儀的安裝不需要與甲板坐標(biāo)系進(jìn)行傳統(tǒng)的光學(xué)傳遞對準(zhǔn)，只需在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行數(shù)學(xué)甲板坐標(biāo)系上的“軟對準(zhǔn)”，這一方法大大減輕了現(xiàn)場工作量。

2.3 靶標(biāo)水平舷角K1的解算

甲板經(jīng)緯儀跟蹤測量靶標(biāo)所測得的數(shù)據(jù)是在甲板坐標(biāo)系內(nèi)的甲板高度角eg和甲板舷角qg。而外測航向解算時要求解算數(shù)據(jù)都在大地水平坐標(biāo)系中，因此必須對甲板坐標(biāo)系下測量的甲高度角eg和甲板舷角qg進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以得到靶標(biāo)的水平高度角和水平舷角K1。

2.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

艦甲板坐標(biāo)系如圖3所示，以艦的質(zhì)心為原點，Xg指向艦艏，Yg軸在肋骨面內(nèi)指向右舷，Zg軸按左手法則。只有當(dāng)XgYg平面平行于當(dāng)?shù)厮矫鏁r，甲板坐標(biāo)系才代表當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系。外測系統(tǒng)的甲板經(jīng)緯儀試驗前已經(jīng)與艦甲板坐標(biāo)系安裝對準(zhǔn)，即甲板經(jīng)緯儀豎軸平行于Zg，零方位角時橫軸平行于Xg。由于艦的姿態(tài)變化，甲板坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。如圖4所示，設(shè)定艦體先產(chǎn)生橫搖即首先繞Xp軸轉(zhuǎn)R角，再產(chǎn)生縱搖即繞Yp軸轉(zhuǎn)P角，且橫搖時左高為正，縱搖時艏高為正，則有：

式中：B為傾斜矩陣。

圖3 甲板坐標(biāo)系Fig.3 Deck coordinate system

圖4 艦甲板坐標(biāo)系與大地水平坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.4 Coordinate transformation

2.5 目標(biāo)舷角的水平投影K1的解算

根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即可解算出靶標(biāo)的水平舷角投影為

計算艇真航向時需測得靶標(biāo)P的水平舷角，但處于航行狀態(tài)的潛艇是在不斷運動的，甲板經(jīng)緯儀T對配合船靶標(biāo)P的測量線并不在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，甲板經(jīng)緯儀實時測得的是甲板舷角。從甲板舷角到水平舷角還一個變換過程。

甲板經(jīng)緯儀對靶標(biāo)P的甲板舷角：甲板高低角eg和甲板舷角qg，根據(jù)式(6)可計算甲板經(jīng)緯儀對靶標(biāo)水平舷角K1的值，

式中：P為縱搖角，R為橫搖角。

2.6 大地方位角K2的解算

由式(1)可知，外測航向解算中需要解算出甲板經(jīng)緯儀對測量靶標(biāo)的大地方位角K2，根據(jù)t時刻點甲板經(jīng)緯儀和綜合測量靶標(biāo)跟蹤燈的精確定位(B1,L1,H1)和(B2,L2,H2)，根據(jù)高斯平均引數(shù)大地主題反算公式即可求出大地方位角：

式中：a為橢球長半軸，f為橢球扁率的倒數(shù)。

3 結(jié) 論

經(jīng)過實船驗證，本動態(tài)評估方法實測結(jié)果優(yōu)于20〞，滿足性能指標(biāo)的要求。本方法的提出為慣導(dǎo)系統(tǒng)航向的動態(tài)評估提供了精度可靠、切實可行的方法，從而有效提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)信息的動態(tài)評估的效率。

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Dynamic evaluation method of INS course measurement precision

FU Zhong-ze1,XU Kai1,GUAN Jin1,TAO Guan-shi1,GAO Xin2,SUN Yang1
(1.Tianjin Navigation Instruments Research Institute,Tianjin 300131,China;2.Naval University of engineering,Wuhan 430033,China)

With the development of shipboard weapon system,the INS attitude measurement accuracy is required to be higher and higher.Thus the evaluation and verification of INS course precision become one of the key problems in inertial measurement technology,especially under dynamic conditions.In this paper,a dynamic evaluation method of INS course accuracy is put forward.The method consists of differential GPS measurement system,deck theodolite,and comprehensive target measurement devices such as external measurement system.THE evaluation of INS course accuracy is achieved by the comparison of external positioning data,speed,heading data with INS-related data.Test results show that the course dynamic evaluation accuracy is about 20〞,meeting the performance requirements.The method effectively improves the dynamic assessment efficiency of the INS attitude information.

INS dynamic evaluation;differential GPS measurement system;deck theodolite;comprehensive target measurement devices

U666.1

A

1005-6734(2014)03-0416-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.03.026

2014-01-14；

2014-04-25

海軍武器裝備預(yù)研項目（08330/1080）

傅中澤（1967—），男，高級工程師，主要研究方向慣性導(dǎo)航技術(shù)。E-mail：xk_707@sina.com