捷聯(lián)雙態(tài)陀螺羅經(jīng)模型研究*

陳建國(guó) 張迎輝

(1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海 201108)(2.上海航海儀器有限責(zé)任公司 上海 200129)

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捷聯(lián)雙態(tài)陀螺羅經(jīng)模型研究*

陳建國(guó)1張迎輝2

(1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海 201108)(2.上海航海儀器有限責(zé)任公司 上海 200129)

捷聯(lián)系統(tǒng)是慣性導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)雙態(tài)陀螺羅經(jīng)模型具有抗干擾能力強(qiáng)、在高緯度區(qū)可正常使用、在線測(cè)漂等優(yōu)點(diǎn),可借鑒到現(xiàn)代捷聯(lián)羅經(jīng)設(shè)計(jì)中。論文介紹了捷聯(lián)羅經(jīng)應(yīng)用傳統(tǒng)雙態(tài)陀螺羅經(jīng)模型的思路和方法,并給出了模型框圖和程序流程圖。

雙態(tài)羅經(jīng); 捷聯(lián)系統(tǒng); 方位儀狀態(tài)

Class Number U666.12

1 引言

電控陀螺羅經(jīng)是常用的艦船導(dǎo)航設(shè)備,它為載體提供航向信息,保障航行安全?，F(xiàn)代固態(tài)陀螺的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,為開發(fā)捷聯(lián)羅經(jīng)提供了可能。捷聯(lián)羅經(jīng)將慣性敏感元件(陀螺和加速度計(jì))直接“捆綁”在載體上,由高速計(jì)算機(jī)代替框架結(jié)構(gòu),完成指北功能。與傳統(tǒng)羅經(jīng)系統(tǒng)相比,它有如下優(yōu)點(diǎn)[1]:

1) 采用軟件實(shí)現(xiàn)指北,采用數(shù)字濾波方法克服載體搖擺誤差,實(shí)現(xiàn)靈活,更新方便;

2) 捷聯(lián)系統(tǒng)無框架結(jié)構(gòu),體積小,重量輕;

3) 減少了各種加工誤差風(fēng)險(xiǎn),敏感元件便于安裝、維修和更換;

4) 捷聯(lián)系統(tǒng)在傳統(tǒng)羅經(jīng)提供航向的基礎(chǔ)上,還提供水平信息和姿態(tài)角速度信息,內(nèi)容更豐富;

5) 捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件易于重復(fù)布置,實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù),這對(duì)提高性能和可靠性十分有利。

雖然傳統(tǒng)羅經(jīng)與捷聯(lián)羅經(jīng)在硬件結(jié)構(gòu)上有較大差別,但其基本原理卻是相似的。即通過敏感元件測(cè)量當(dāng)?shù)氐厍蛐D(zhuǎn)角速率和重力加速度信息,找到當(dāng)?shù)乇毕蛐畔?這個(gè)過程即慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的對(duì)準(zhǔn)[2]。雙態(tài)陀螺羅經(jīng)含羅經(jīng)狀態(tài)和方位儀狀態(tài),在低緯度下,工作在羅經(jīng)狀態(tài);高緯度或測(cè)漂需要時(shí),可工作在方位儀狀態(tài)。將傳統(tǒng)羅經(jīng)雙態(tài)模型借鑒到捷聯(lián)羅經(jīng)設(shè)計(jì)中,可提高系統(tǒng)抗干擾能力,擴(kuò)大導(dǎo)航區(qū)域,增加在線測(cè)漂能力等;傳統(tǒng)理論與現(xiàn)代科技結(jié)合,具有十分重要意義。

2 傳統(tǒng)雙態(tài)羅經(jīng)模型

傳統(tǒng)電控陀螺羅經(jīng)采用框架結(jié)構(gòu),利用電磁擺(或加速度計(jì))和陀螺儀敏感重力和地球自轉(zhuǎn)角速度信息,經(jīng)計(jì)算輸出電磁力矩,控制陀螺儀跟蹤當(dāng)?shù)乇毕?框架結(jié)構(gòu)起到隔離載體運(yùn)動(dòng)的作用。雙態(tài)陀螺羅經(jīng)含羅經(jīng)狀態(tài)和方位儀狀態(tài),在低緯度下,擺信號(hào)輸出經(jīng)控制系統(tǒng)放大,輸給水平力矩器(水平修正回路)及方位力矩器(方位修正回路),形成閉環(huán),驅(qū)動(dòng)陀螺主軸指北,保證羅經(jīng)精度,這就是所謂羅經(jīng)狀態(tài)[3]。在高緯度下(一般大于±70°),由于地球自轉(zhuǎn)的水平分量減弱,找北能力急劇下降,羅經(jīng)模型誤差大,這時(shí)一般拉斷方位修正回路(緯度補(bǔ)償依然存在),形成開環(huán),這就是所謂方位儀工作狀態(tài),其原理圖見圖1,虛線部分在方位儀狀態(tài)斷開。

圖1 電控陀螺羅經(jīng)狀態(tài)原理圖

具體實(shí)現(xiàn)中,傳統(tǒng)羅經(jīng)在啟動(dòng)后經(jīng)歷修平和快穩(wěn)兩個(gè)階段,稱之為初始羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn),然后才進(jìn)入羅經(jīng)導(dǎo)航狀態(tài)?！靶奁健彪A段,電磁擺(或加速度計(jì))輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大、相敏整流后的全部電流都輸送給陀螺水平力矩器,使主軸快速修正至一定水平精度。“快穩(wěn)”階段,由電磁擺輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大、相敏整流后,幾乎全部流入方位力矩器,以產(chǎn)生最大的找北力矩,使陀螺球主軸以最快的速度靠近子午面;整流后的很小部分電流流入水平力矩器,產(chǎn)生快穩(wěn)阻尼。這兩個(gè)階段的信號(hào)來源都是電磁擺信號(hào),但由于參數(shù)設(shè)計(jì)不同,分配給陀螺水平力矩器和方位力矩器的力矩大小差異較大;羅經(jīng)狀態(tài)是兩者參數(shù)的折中,方位儀狀態(tài)與修平狀態(tài)模型基本相同。

雙態(tài)羅經(jīng)的方位儀工作狀態(tài)在高緯度下可減小羅經(jīng)原理本身帶來的大誤差,為用戶提供了另一種選擇,在有其它高精度導(dǎo)航設(shè)備的參照下,還可估計(jì)出陀螺儀的漂移,并實(shí)時(shí)補(bǔ)償,因此,在面世之初,受到極大好評(píng)。但由于方位修正是開環(huán)的,其航向誤差與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一樣,隨時(shí)間積累,其誤差積累速度取決于陀螺儀本身的漂移誤差[4]。隨著現(xiàn)代材料、工藝的發(fā)展和新型陀螺儀表的出現(xiàn),陀螺精度較以前有了大幅度的提升,雙態(tài)羅經(jīng)的開發(fā)與研究仍然具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 捷聯(lián)羅經(jīng)模型及參數(shù)

捷聯(lián)羅經(jīng)實(shí)現(xiàn)方案較多,比較典型的有傳統(tǒng)羅經(jīng)法、卡爾曼濾波法等。卡爾曼濾波法找北速度快,但對(duì)外界測(cè)量信息的準(zhǔn)確性依賴較強(qiáng),抗干擾能力較差[5];羅經(jīng)法具有理論成熟、對(duì)外界信息依賴小、動(dòng)態(tài)誤差穩(wěn)定的特點(diǎn),仍然在現(xiàn)代捷聯(lián)羅經(jīng)設(shè)計(jì)中有一席之地,但由于羅經(jīng)原理限制,振蕩周期較長(zhǎng)(無阻尼振蕩周期達(dá)84.4min),找北速度較慢[6]。將兩者有機(jī)結(jié)合將是一個(gè)不錯(cuò)選擇。

論文先介紹捷聯(lián)系統(tǒng)的羅經(jīng)指北方案,該方案是通過構(gòu)造數(shù)學(xué)平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)羅經(jīng)系統(tǒng)的真實(shí)平臺(tái),因此可以將框架系統(tǒng)的羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)方法移植到捷聯(lián)系統(tǒng)中,也就是說將傳統(tǒng)羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)中用于控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)流,使用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)平臺(tái)構(gòu)造原理如圖2所示[7]。

圖2 捷聯(lián)羅經(jīng)數(shù)學(xué)平臺(tái)

圖3 捷聯(lián)羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)北向水平通道

對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)離散化,即可得到羅經(jīng)狀態(tài)北向通道的計(jì)算模型:

Δt為系統(tǒng)解算周期。

圖4 捷聯(lián)羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)方位通道

同樣,得到方位通道的計(jì)算模型:

KN1、KN2、KN3、KU1、K(s)等參數(shù)的選取,應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用環(huán)節(jié),結(jié)合準(zhǔn)確性和快速性要求,經(jīng)仿真后,適當(dāng)選取[8]。參照傳統(tǒng)羅經(jīng),初始對(duì)準(zhǔn)分為修平階段和快穩(wěn)階段;在修平階段,KN2、KN3較大,KN1較小,開關(guān)Q(如圖4)斷開,即僅提供修平力矩;在快穩(wěn)階段,開關(guān)Q閉合,KU1較小,K(s)增益較大,以保證將主軸較快“拉”到子午面。與Kalman濾波對(duì)準(zhǔn)相比,羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)不依賴外部信息,但速度較慢;在有外接準(zhǔn)確信息(如速度、位置等),一般采用Kalman濾波對(duì)準(zhǔn),對(duì)準(zhǔn)速度較快。進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)后,捷聯(lián)羅經(jīng)的兩種工作狀態(tài),羅經(jīng)狀態(tài)和方位儀狀態(tài),當(dāng)開關(guān)Q接通時(shí),反饋信息接入捷聯(lián)平臺(tái),設(shè)備工作于羅經(jīng)狀態(tài);Q斷開時(shí),捷聯(lián)平臺(tái)處于開環(huán)狀態(tài)(緯度補(bǔ)償依然存在),設(shè)備處于方位儀狀態(tài)。這時(shí),捷聯(lián)解算平臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)角速度為ωcU=ωiesinφ,即地理坐標(biāo)系當(dāng)?shù)氐厍蜃赞D(zhuǎn)角速度的垂直分量,由于陀螺漂移及外界干擾引起的羅經(jīng)誤差將無法補(bǔ)償,航向誤差隨時(shí)間積累,這也是方位儀狀態(tài)無法長(zhǎng)期工作的主要原因。方位儀狀態(tài)在載體靜態(tài)或勻速直航狀態(tài)下,利用外界較高精度的航向信息,可估計(jì)出陀螺的航向漂移量,利用這一信息,可對(duì)捷聯(lián)平臺(tái)的陀螺漂移量進(jìn)行定期補(bǔ)償,這是方位儀狀態(tài)的另一大優(yōu)勢(shì)[9]。

4 捷聯(lián)羅經(jīng)軟件流程

圖5 捷聯(lián)雙態(tài)羅經(jīng)程序流程圖

有了借鑒傳統(tǒng)雙態(tài)羅經(jīng)的基本思路,在確定參數(shù)并對(duì)模型進(jìn)行離散化后,就可考慮軟件的設(shè)計(jì)了。某捷聯(lián)雙態(tài)羅經(jīng)的程序流程圖如圖5所示。該流程中,初始對(duì)準(zhǔn)方式可選擇,在系統(tǒng)可獲得準(zhǔn)確速度或位置信息,并且載體靜態(tài)或勻速直航狀態(tài)時(shí),采用Kalman濾波對(duì)準(zhǔn)方式,否則采用羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)方式;導(dǎo)航模式根據(jù)緯度不同,設(shè)置為羅經(jīng)狀態(tài)或方位儀狀態(tài),在預(yù)知艦船機(jī)動(dòng)航行時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,也可進(jìn)入方位儀狀態(tài),待機(jī)動(dòng)航行結(jié)束后,重新進(jìn)入羅經(jīng)導(dǎo)航方式;在設(shè)備使用一段時(shí)間(一般以月計(jì))后,陀螺儀漂移可能發(fā)生一些變化,在設(shè)備軟件流程中設(shè)置了測(cè)漂選擇(模型與方位儀狀態(tài)相同),在載體靜態(tài)或勻速直航狀態(tài)(橫搖和縱搖角較小),可進(jìn)入測(cè)漂功能,利用一段時(shí)間(可取1小時(shí)),測(cè)出漂移值,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行航向補(bǔ)償;在某捷聯(lián)羅經(jīng)中將該方案實(shí)施,通過了靜態(tài)試驗(yàn)、搖擺試驗(yàn)及跑車試驗(yàn)證明,傳統(tǒng)雙態(tài)羅經(jīng)模型借鑒到捷聯(lián)羅經(jīng)是可行、有效的。

5 結(jié)語

隨著固態(tài)陀螺技術(shù)和捷聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,由于有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、輸出信息豐富的優(yōu)點(diǎn),捷聯(lián)羅經(jīng)成為未來艦船自主導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)[10]。它利用現(xiàn)代卡爾曼濾波技術(shù),實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定;利用數(shù)字濾波手段,靈活克服搖擺干擾。借鑒傳統(tǒng)雙態(tài)羅經(jīng)模型,對(duì)外部信息依賴小,抗干擾能力強(qiáng);可克服高緯度區(qū)域航行羅經(jīng)誤差大的原理性弊端,可在線估算陀螺漂移誤差。因此,將傳統(tǒng)雙態(tài)羅經(jīng)模型借鑒到捷聯(lián)羅經(jīng)設(shè)計(jì)中,取長(zhǎng)補(bǔ)短,可取得不錯(cuò)的效果。

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Study of Strapdown Double-state Gyrocompass Model

CHEN Jianguo1ZHANG Yinghui2

(1. Military Representatives Office of Underwater Sound & Navigation System in Shanghai Area, Shanghai 201108) (2. Shanghai Marine Instrument Co., Ltd., Shanghai 200129)

Strapdown system is the development trend of inertial navigation equipment. The traditional two-state gyrocompass model has strong anti-interference ability, can be used in high latitude area and can measure drift online. The model can be used in modern strapdown gyrocompass. This paper introduces the ideas and methods of the application of traditional two-state gyrocompass model in strapdown gyrocompass, and gives the block diagram of the model and the software flow chart.

two-state gyrocompass, strapdown system, directional gyro mode

2014年10月5日,

2014年11月27日

陳建國(guó),男,碩士,工程師,研究方向:艦船導(dǎo)航。張迎輝,男,工程師,研究方向:艦船導(dǎo)航及裝備維修。

U666.12

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.014