導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)綜述

鄭 辛，武少偉，吳亮華

(1.航天科工集團(tuán)三院，北京100074；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)綜述

鄭 辛1，武少偉2，吳亮華2

(1.航天科工集團(tuán)三院，北京100074；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

按照傳遞對(duì)準(zhǔn)所包含的技術(shù)內(nèi)容，概述了國(guó)內(nèi)外導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀。分析和歸納了傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中所涉及的基礎(chǔ)理論和模型方法，著重強(qiáng)調(diào)了匹配方法、異常基準(zhǔn)信息、動(dòng)態(tài)撓曲變形、數(shù)據(jù)延遲、量測(cè)噪聲預(yù)處理等影響傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的重要因素，并給出了解決這些問(wèn)題的基本思路。最后，初步討論了導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

慣導(dǎo)系統(tǒng)；傳遞對(duì)準(zhǔn)；綜述；發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)是指武器平臺(tái)運(yùn)動(dòng)條件下，平臺(tái)上待對(duì)準(zhǔn)的導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)系統(tǒng)利用已對(duì)準(zhǔn)好的處于導(dǎo)航狀態(tài)的高精度主慣導(dǎo)系統(tǒng)的信息進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)的方法。傳遞對(duì)準(zhǔn)性能在很大程度上決定著飛機(jī)、艦船、潛艇等作戰(zhàn)平臺(tái)上導(dǎo)彈武器的快速反應(yīng)和精確打擊能力。因此，自20世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，傳遞對(duì)準(zhǔn)作為現(xiàn)代武器裝備的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一直受到西方慣性技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的重視。20世紀(jì)80年代中期以前，國(guó)外傳遞對(duì)準(zhǔn)研究主要集中于各種匹配方法和卡爾曼濾波模型；80年代中期以后，主要研究快速對(duì)準(zhǔn)匹配方法和影響對(duì)準(zhǔn)精度的干擾因素，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證；到90年代中期，國(guó)外傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)已比較成熟且應(yīng)用廣泛，之后較少見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表[1-4]。國(guó)內(nèi)傳遞對(duì)準(zhǔn)研究起步于20世紀(jì)80年代后期，在借鑒國(guó)外成果的基礎(chǔ)上取得了豐碩的研究成果，并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型的導(dǎo)彈武器。

縱觀傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程，傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究主要集中在傳遞對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)理論、傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法這兩個(gè)方面。下面從這兩個(gè)方面概述導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的現(xiàn)狀，然后初步探討導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1 傳遞對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)理論

(1)參數(shù)辨識(shí)方法

參數(shù)辨識(shí)方法是傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)手段。由于慣導(dǎo)系統(tǒng)是隨機(jī)系統(tǒng)，在慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，需要對(duì)各誤差狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制。從20世紀(jì)70年代初期Kalman濾波理論誕生以來(lái)，卡爾曼濾波成為了傳遞對(duì)準(zhǔn)的基本實(shí)現(xiàn)方式。

其中，Baziw和Leondes建立了慣性測(cè)量單元空中對(duì)準(zhǔn)和標(biāo)定用的符合最小方差估計(jì)的誤差模型[5-6]。Schneider提出了用于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)用的卡爾曼濾波器公式[7]。但是在進(jìn)行卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，由于所采用的數(shù)學(xué)誤差模型不夠準(zhǔn)確容易造成的濾波器發(fā)散。為了解決這一問(wèn)題，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波或?qū)V波器估計(jì)誤差驗(yàn)前協(xié)方差矩陣進(jìn)行加權(quán)處理。同時(shí)，H∞濾波器對(duì)抑制模型和噪聲中不確定性誤差的影響也十分有效，可以實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)且具有較高的精度。

另外，由于卡爾曼濾波器的運(yùn)算時(shí)間與系統(tǒng)階次的三次方成正比，當(dāng)卡爾曼濾波器系統(tǒng)的階次較高時(shí)，卡爾曼濾波器就失去實(shí)時(shí)性。Hecht利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)[8]，其對(duì)準(zhǔn)精度與卡爾曼濾波精度相當(dāng)，實(shí)時(shí)性大大優(yōu)于卡爾曼濾波器。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以多個(gè)觀測(cè)值為輸入樣本值，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出逼近系統(tǒng)所需的狀態(tài)估計(jì)，然后利用“分離定理”實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反饋控制，以補(bǔ)償初始對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差，是實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速對(duì)準(zhǔn)的有效手段。

此外，UKF濾波和粒子濾波器(particle filter)是近幾年發(fā)展起來(lái)的非線性濾波技術(shù)，特別是粒子濾波器適用于非高斯噪聲情況下的非線性估計(jì)，由于計(jì)算量大，因此開(kāi)發(fā)高效實(shí)時(shí)算法是UKF濾波和粒子濾波技術(shù)應(yīng)用于慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

(2)可觀測(cè)性分析理論與方法

系統(tǒng)可觀測(cè)性分析包括兩個(gè)內(nèi)容：一是確定系統(tǒng)是否完全可觀測(cè)；二是對(duì)不完全可觀測(cè)系統(tǒng)大致確定哪些狀態(tài)變量可觀測(cè)，哪些狀態(tài)變量不可觀測(cè)。在靜基座對(duì)準(zhǔn)時(shí)，平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的卡爾曼濾波模型為線性定常系統(tǒng)，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)可近似為線性定常系統(tǒng)。在動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)時(shí)，二者均為線性時(shí)變系統(tǒng)。線性定常系統(tǒng)的可觀測(cè)性分析起來(lái)比較容易，但線性時(shí)變系統(tǒng)的可觀測(cè)性分析起來(lái)就比較困難。Кузовков提出了用行列式方法分析慣導(dǎo)系統(tǒng)的可觀測(cè)性[9]，此方法可以確定可控、可觀測(cè)狀態(tài)的維數(shù)，確定不可觀測(cè)狀態(tài)與可觀測(cè)狀態(tài)的線性關(guān)系。Ham指出利用卡爾曼濾波器的估計(jì)誤差協(xié)方差陣的特征值和特征向量來(lái)指示系統(tǒng)的可觀測(cè)度[10]，利用該方法能夠判斷出完全可觀測(cè)系統(tǒng)的可觀測(cè)度。Jiang利用Bar-Itzhack和Berman提出的誤差模型，分析了工作在地面對(duì)準(zhǔn)階段的INS的可觀測(cè)性，推導(dǎo)了地面固定基座INS對(duì)準(zhǔn)用的估算算法[11]。Goshen-Meskin和Bar-Itzhack提出了一種十分有效的分段線性定常系統(tǒng)可觀測(cè)性分析方法[12-13]，用線性時(shí)變系統(tǒng)所提取的可觀測(cè)矩陣代替系統(tǒng)的總的觀測(cè)矩陣來(lái)分析系統(tǒng)的可觀測(cè)性。此方法使線性時(shí)變系統(tǒng)的可觀測(cè)性分析問(wèn)題的研究前進(jìn)了一大步，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但分段線性定常系統(tǒng)也只能對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量的可觀測(cè)度進(jìn)行定性分析，無(wú)法給出定量值。

1.1.2 傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法

傳遞對(duì)準(zhǔn)模型的建立以及傳遞對(duì)準(zhǔn)方法是實(shí)現(xiàn)傳遞對(duì)準(zhǔn)的具體實(shí)現(xiàn)方式，模型和方法的好壞在很大程度上決定了傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的優(yōu)劣。

1989年以前，國(guó)外提出了位置匹配、速度匹配、積分速度匹配、加速度匹配等常規(guī)方法，其中位置匹配和速度匹配方法比較成熟，也是早期最常用的方案之一，美國(guó)B-52戰(zhàn)略轟炸機(jī)發(fā)射的AGM-86B巡航導(dǎo)彈、AGM-69 SRAM(近程攻擊導(dǎo)彈)、“飛馬座”運(yùn)載火箭采用的是位置匹配方法；位置匹配、速度匹配的對(duì)準(zhǔn)精度較高，但方位對(duì)準(zhǔn)時(shí)需進(jìn)行航行機(jī)動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間分別長(zhǎng)達(dá)30min和15min[3]。美國(guó)航母艦載機(jī)艦上對(duì)準(zhǔn)采用的是位置匹配方法(粗對(duì)準(zhǔn)階段為“位置+方向余弦”匹配)，多普勒輔助空中對(duì)準(zhǔn)采用的是速度匹配方法，GPS輔助空中對(duì)準(zhǔn)采用的是“位置+速度”匹配方法[14-15]。

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)快速反應(yīng)的需求，1989年Kain J.E.和Cloutier J.R.首次提出“速度+姿態(tài)”匹配方法[16]，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)翼?yè)u擺即可完成方位對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間縮短到10s，而姿態(tài)精度可達(dá)到1mrad以下，此后戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈快速傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段。1992年，Tarrant D.等將“速度+姿態(tài)”匹配方法用于車(chē)載發(fā)射的ADKEM先進(jìn)動(dòng)能導(dǎo)彈[17]，其平均飛行時(shí)間為l0s，對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)快速性有嚴(yán)格要求。AH-64阿帕奇武裝直升機(jī)也是采用“速度+姿態(tài)”匹配方法對(duì)機(jī)載武器進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。“速度+方位角”匹配是“速度+姿態(tài)”匹配的簡(jiǎn)化，在F-16戰(zhàn)機(jī)發(fā)射的“企鵝-Ш”反艦導(dǎo)彈中得到應(yīng)用。1991年Rogers R.M.提出“速度+角速率”匹配方法[18]，采用水平面內(nèi)的航行機(jī)動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間小于10s，且能估計(jì)慣性誤差。

至此，國(guó)外的傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法已基本完善，形成了計(jì)算參數(shù)匹配方法和測(cè)量參數(shù)匹配方法兩類(lèi)傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，在以后一段時(shí)間內(nèi)，研究者將大部分精力投入到傳遞對(duì)準(zhǔn)的工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究中。

針對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，美國(guó)波音公司Harald A.Klotz，Jr博士和其同事Charles B.Derbak針對(duì)美國(guó)空軍和海軍JDAM(聯(lián)合直接攻擊彈藥)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了適應(yīng)多發(fā)射平臺(tái)的機(jī)載制導(dǎo)炸彈慣導(dǎo)通用傳遞對(duì)準(zhǔn)模型[19-20]，綜合考慮不同發(fā)射平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸頻率、分辨率、傳輸延遲，桿臂誤差，安裝角誤差之間的差異，通過(guò)大量的仿真、試驗(yàn)，最終認(rèn)為速度積分匹配相比位置匹配、角速度匹配、角速度積分匹配、速度匹配以及雙積分速度匹配具有最優(yōu)的傳遞對(duì)準(zhǔn)性能，速度積分匹配相對(duì)速度匹配具有對(duì)機(jī)翼?yè)锨冃蔚牟幻舾行砸约皩?duì)旋轉(zhuǎn)發(fā)射架運(yùn)動(dòng)的抗干擾性能。針對(duì)艦載導(dǎo)彈傳遞對(duì)準(zhǔn)方法，Titterton D.H.等研究了艦載導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)在各種海況下的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題[21]。研究結(jié)果顯示，就短距離對(duì)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，當(dāng)艦船保持固定的航向時(shí)，“加速度”+“角速度”匹配法在中浪以上各種海況下，十幾秒內(nèi)可以完成準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)(航向標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.125°)；在一定海況條件下，對(duì)準(zhǔn)精度和時(shí)間隨艦船速度和艦船航向相對(duì)海浪運(yùn)動(dòng)的角度而變化；在短距離對(duì)準(zhǔn)情況下，典型慣性器件(如10(°)/h陀螺儀和0.01g加速度計(jì))可以滿足對(duì)準(zhǔn)要求；執(zhí)行轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可大大改善對(duì)準(zhǔn)性能。就長(zhǎng)距離對(duì)準(zhǔn)而言，在艦船具有一定的角運(yùn)動(dòng)且船體存在撓曲變形的情況下，只有“速度”+“角速度”匹配法存在提供準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)的可能。當(dāng)船體縱向撓曲變形與船體的搖擺幅度比較小時(shí)，子慣導(dǎo)系統(tǒng)各軸可以取得準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)，但可靠獲得準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)的海況范圍相當(dāng)有限。在能夠誘發(fā)船體撓曲變形的海況下，只有當(dāng)艦船航向垂直或近似垂直于海浪來(lái)向時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)。在長(zhǎng)距離對(duì)準(zhǔn)情況下，只有較高等級(jí)慣導(dǎo)器件(如0.01(°)/h陀螺儀和100μg加速度計(jì))可以滿足對(duì)準(zhǔn)要求。

基準(zhǔn)慣導(dǎo)輸出信息的品質(zhì)是影響傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的關(guān)鍵因素。武器平臺(tái)上主慣導(dǎo)系統(tǒng)為了提高其長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度，通常利用計(jì)程儀、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等輔助信息進(jìn)行誤差修正，在誤差修正或輔助信息異常時(shí)，主慣導(dǎo)系統(tǒng)基準(zhǔn)信息往往出現(xiàn)跳變等問(wèn)題，導(dǎo)致武器傳遞對(duì)準(zhǔn)性能下降甚至對(duì)準(zhǔn)失敗。針對(duì)該問(wèn)題，美國(guó)專(zhuān)家Paul D.Groves提出三種解決方法[22]：主慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)輸出純慣性信息和組合信息；主慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)輸出組合信息和誤差修正量；子慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)主慣導(dǎo)系統(tǒng)異常信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和隔離。

由于慣導(dǎo)系統(tǒng)需要在運(yùn)動(dòng)基座上完成初始對(duì)準(zhǔn)，這就帶來(lái)了一系列由于運(yùn)動(dòng)而引入的干擾，影響了傳遞對(duì)準(zhǔn)的性能。如主慣導(dǎo)與子慣導(dǎo)安裝位置不同引入的桿臂效應(yīng)干擾，載體結(jié)構(gòu)變形引起的撓曲變形干擾，基準(zhǔn)信息傳遞不同步引起的干擾等。因此，如何消除動(dòng)態(tài)干擾因素對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)的影響是傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。由于國(guó)外的技術(shù)保密，很難見(jiàn)到相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)，但從有限的資料推斷，國(guó)外學(xué)者對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)在傳遞對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)干擾因素處理問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。

Kain J.E.將機(jī)翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的高頻撓曲運(yùn)動(dòng)視為三階Gauss-Markov過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)造真實(shí)的模型[16]。為了增加傳遞對(duì)準(zhǔn)的快速性，將真實(shí)模型中與機(jī)翼?yè)锨\(yùn)動(dòng)有關(guān)的狀態(tài)刪除，而后在模型中注入白噪聲，并根據(jù)真實(shí)模型的協(xié)方差分析結(jié)果來(lái)確定注入白噪聲的強(qiáng)度。這種方法除了可以補(bǔ)償撓曲運(yùn)動(dòng)外，還可以增加濾波器的魯棒性。Spalding K.在Kain J.E.工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將機(jī)翼?yè)锨\(yùn)動(dòng)分解為準(zhǔn)靜態(tài)撓曲和高頻撓曲兩種模態(tài)[23]。準(zhǔn)靜態(tài)撓曲模態(tài)是飛機(jī)動(dòng)力特性與武器投放時(shí)載荷變化所引起的低頻機(jī)翼彎曲現(xiàn)象，高頻撓曲模態(tài)是飛行時(shí)飛機(jī)受到的擾動(dòng)所引起的5～10Hz的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其高頻撓曲模態(tài)的描述與補(bǔ)償借鑒了Kain J.E.的研究成果，同時(shí)將準(zhǔn)靜態(tài)撓曲模態(tài)也視為三階Gauss-Markov過(guò)程，但選擇了一個(gè)隨著機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而減小的時(shí)間常數(shù)，用以逼近機(jī)翼在機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的真實(shí)撓曲過(guò)程。You-Chol Lim針對(duì)艦船撓曲運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，認(rèn)為撓曲運(yùn)動(dòng)的Y軸(立軸)分量對(duì)方位角的誤差估計(jì)影響較大，而其他兩軸相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，進(jìn)而將與撓曲運(yùn)動(dòng)Y軸分量緊密相關(guān)的狀態(tài)變量和測(cè)量變量刪除，并提出了“DCM部分匹配”方法[24]。Chung Yang在研究車(chē)載“ADKEM”的快速傳遞對(duì)準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)增加過(guò)程噪聲和測(cè)量噪聲水平，并應(yīng)用較高幅度與強(qiáng)度的機(jī)動(dòng)以及持續(xù)的機(jī)動(dòng)來(lái)控制撓曲運(yùn)動(dòng)干擾[25]。另外，Titterton D.H.、Kelley R.T.和Kaiser J.等利用準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的局部慣導(dǎo)基準(zhǔn)來(lái)輔助子慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)，以解決艦載武器慣導(dǎo)系統(tǒng)在運(yùn)載器撓曲變形和振動(dòng)的條件下進(jìn)行快速傳遞對(duì)準(zhǔn)的難題[21，26-27]。

針對(duì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸延遲問(wèn)題，Harold A.Klotz等[19]針對(duì)JDAM機(jī)載導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)算法分析指出，基準(zhǔn)信息傳輸延遲包括固定時(shí)間延遲和隨機(jī)時(shí)間延遲兩部分，10ms的基準(zhǔn)信息傳輸延遲在一次機(jī)動(dòng)中將導(dǎo)致數(shù)個(gè)毫弧的方位對(duì)準(zhǔn)誤差；針對(duì)傳輸延遲誤差，在傳遞對(duì)準(zhǔn)模型中增加了時(shí)間延遲誤差模型，對(duì)其進(jìn)行估計(jì)從而降低傳輸延遲對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)精度的影響。You-Chol Lim等針對(duì)艦載導(dǎo)彈的傳遞對(duì)準(zhǔn)，分析了時(shí)間延遲對(duì)速度測(cè)量和姿態(tài)測(cè)量的影響[28]，認(rèn)為傳遞對(duì)準(zhǔn)延遲對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響較大。在此基礎(chǔ)上，將傳遞時(shí)間延遲變量納入卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量之中，建立了包括時(shí)間延遲誤差在內(nèi)的傳遞對(duì)準(zhǔn)模型。You-Chol Lim采用H∞濾波器進(jìn)行了仿真[28]，結(jié)果表明，利用H∞濾波器對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)時(shí)間延遲引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，方位角誤差可減小到未補(bǔ)償時(shí)的1/4。

研究表明，測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理不僅有助于平滑高頻振動(dòng)噪聲，而且有利于對(duì)準(zhǔn)濾波器計(jì)算效率的提高。Robert M.Rogers在其著作中給出了基于高頻量測(cè)數(shù)據(jù)的求和測(cè)量、數(shù)據(jù)平均和數(shù)據(jù)求和測(cè)量的改進(jìn)卡爾曼濾波量測(cè)方程，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)減小估計(jì)誤差協(xié)方差來(lái)改進(jìn)濾波估計(jì)，同時(shí)可加快濾波收斂速度[29]。Kohei Ohtsu等采用了一種最小二乘濾波器處理受到桿臂等影響因素干擾的測(cè)量信號(hào)的前置濾波方案，仿真結(jié)果肯定了這種方法對(duì)大幅度提高精度與縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的有效性。Spalding K.為解決快速傳遞對(duì)準(zhǔn)高速測(cè)量及數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，在卡爾曼濾波器之前增加了一個(gè)“前置濾波器”[23]。協(xié)方差分析結(jié)果表明，在6s內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)到每軸1mrad以下。Schlee F.H.使用一個(gè)“外部濾波器”與“內(nèi)部濾波器”串聯(lián)，用以提高GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度，并指出最佳數(shù)據(jù)更新頻率為1Hz[30]。

對(duì)于機(jī)動(dòng)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈而言，由于角分級(jí)的方位對(duì)準(zhǔn)誤差可引起千米量級(jí)的落點(diǎn)誤差，因此對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)方位對(duì)準(zhǔn)精度的要求很高，該類(lèi)導(dǎo)彈的方位對(duì)準(zhǔn)一般采用光電瞄準(zhǔn)方法[31-32]。20世紀(jì)50年代后期，美國(guó)研制的“北極星”潛射彈道導(dǎo)彈采用全慣性制導(dǎo)，通過(guò)光電瞄準(zhǔn)將潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)的方位基準(zhǔn)傳遞給導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多發(fā)導(dǎo)彈的同時(shí)瞄準(zhǔn)；為消除潛艇變形對(duì)瞄準(zhǔn)精度的影響，除感應(yīng)同步機(jī)構(gòu)外，還采用了光電同步機(jī)構(gòu)。60年代美國(guó)研制的“海神”潛射彈道導(dǎo)彈也采用了全慣性制導(dǎo)和光電瞄準(zhǔn)方式。

光電瞄準(zhǔn)的精度高，但設(shè)備復(fù)雜、精密，裝調(diào)、校準(zhǔn)和維護(hù)困難，而且光電通道占用較大的空間。隨著星光、GPS等技術(shù)的發(fā)展，多信息組合制導(dǎo)技術(shù)得到應(yīng)用，極大提高了導(dǎo)彈命中精度。20世紀(jì)70年代美國(guó)研制的“三叉戟”ⅠC4潛射彈道導(dǎo)彈采用了慣性/星光制導(dǎo)，80年代研制的“三叉戟”ⅡD5潛射彈道導(dǎo)彈采用了慣性/星光/GPS制導(dǎo)。從已有資料來(lái)看，國(guó)外機(jī)動(dòng)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈將光電瞄準(zhǔn)方法與慣性/星光制導(dǎo)相結(jié)合，采用快速粗略瞄準(zhǔn)方式，在確保精度的同時(shí)顯著縮短了作戰(zhàn)準(zhǔn)備時(shí)間。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

至20世紀(jì)90年代初期，以美國(guó)、俄羅斯為代表的先進(jìn)技術(shù)國(guó)家，傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)理論研究及工程應(yīng)用已比較成熟。而此時(shí)，國(guó)內(nèi)的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究才剛起步。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究主要是借鑒國(guó)外的相關(guān)技術(shù)理論，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。

由于國(guó)內(nèi)在開(kāi)展傳遞對(duì)準(zhǔn)研究初期，傳遞對(duì)準(zhǔn)的各種理論已基本成熟，國(guó)內(nèi)在傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)理論方面基本沒(méi)有提出新的理論。值得一提的是，在20世紀(jì)90年代末期，東南大學(xué)萬(wàn)德均、程向紅等專(zhuān)家提出了一種基于奇異值分解的可觀測(cè)度分析方法[33]，為參數(shù)辨識(shí)的可觀測(cè)度分析提供了有效的指導(dǎo)。目前，國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要放在各種系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法的研究上，如自適應(yīng)濾波器、H∞濾波器、各種非線性濾波器及融合濾波器或估計(jì)器等。

目前國(guó)內(nèi)所研究和采用的傳遞對(duì)準(zhǔn)方法絕大部分都是借鑒國(guó)外成果，在模型參數(shù)的選擇、邊界條件的設(shè)置等方面進(jìn)行相應(yīng)的研究和改進(jìn)，針對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)模型參數(shù)選擇、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法以及誤差校正技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合。從國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況來(lái)看，空中、海上導(dǎo)彈子慣導(dǎo)與平臺(tái)上主慣導(dǎo)之間安裝關(guān)系一般可預(yù)先標(biāo)校，補(bǔ)償后可采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波。艦載機(jī)通過(guò)對(duì)初始方位角進(jìn)行校正，也可采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)在此方面的研究成果較少，主要原因在于傳遞對(duì)準(zhǔn)的工程應(yīng)用較少，理論研究和實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。直到“十五”期間，隨著工程應(yīng)用的增多，逐步重視傳遞對(duì)準(zhǔn)工程應(yīng)用技術(shù)的研究，主要集中在對(duì)量測(cè)信息的預(yù)處理、抗動(dòng)態(tài)干擾濾波以及快速傳遞對(duì)準(zhǔn)方法等技術(shù)的研究。具有代表性的研究成果包括扈光鋒等提出的姿態(tài)匹配測(cè)量延遲的補(bǔ)償方法[34]，陳凱等對(duì)四種不同的姿態(tài)匹配傳遞對(duì)準(zhǔn)方法進(jìn)行了對(duì)比分析[35]，鄭辛等明確了異?；鶞?zhǔn)信息影響傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的機(jī)理并給出了解決方案[36]等。

2 傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 傳遞對(duì)準(zhǔn)快速性、保障條件簡(jiǎn)單化是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究和裝備發(fā)展的持續(xù)要求

傳遞對(duì)準(zhǔn)的快速性、保障條件簡(jiǎn)單化決定了導(dǎo)彈武器的實(shí)際作戰(zhàn)使用性能?？赡苡捎诒Ｃ茉颍瑖?guó)外武器傳遞對(duì)準(zhǔn)期間對(duì)武器平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和主慣導(dǎo)系統(tǒng)基準(zhǔn)信息特性的要求不詳，很少見(jiàn)到相關(guān)描述。為使JDAM適應(yīng)美軍各種戰(zhàn)機(jī)上不同的使用條件和設(shè)備狀況(基準(zhǔn)信息頻率、協(xié)議等)，波音公司采用了速度積分匹配方法及振動(dòng)監(jiān)測(cè)器，該方法受機(jī)翼?yè)锨冃斡绊懶。铱焖龠B續(xù)，可減小武器使用延遲，從而簡(jiǎn)化了外部保障條件[19-20]。

國(guó)內(nèi)早期的艦載、機(jī)載導(dǎo)彈通常采用速度匹配+方位裝定的方法。隨著技術(shù)進(jìn)步和武器要求提高，采用速度匹配方法；為縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，采用“速度+姿態(tài)”匹配方法；為確?？焖傩院蛯?dǎo)航精度，有的艦載武器采用“速度+位置”匹配方法。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的主慣導(dǎo)系統(tǒng)通常只提供組合導(dǎo)航一種信息輸出，在阻尼切換、組合修正、武器平臺(tái)航向機(jī)動(dòng)等情況下基準(zhǔn)信息存在跳變問(wèn)題，對(duì)武器子慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)的影響較大，只能被動(dòng)地提出對(duì)武器平臺(tái)運(yùn)動(dòng)限制，這一保障條件增加了部隊(duì)負(fù)擔(dān)。從已有信息推斷，美國(guó)船用慣導(dǎo)系統(tǒng)MK 39/49、法國(guó)船用慣導(dǎo)系統(tǒng)SIGMA 40很可能提供了純慣性、組合等多種信息輸出，能夠充分保障武器傳遞對(duì)準(zhǔn)使用需求；目前尚未見(jiàn)到美軍武器因基準(zhǔn)信息問(wèn)題而對(duì)武器平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行限制的描述，可能與此有關(guān)。國(guó)內(nèi)新研的船用、機(jī)載主慣導(dǎo)系統(tǒng)提供了純慣性、組合等多種信息，預(yù)計(jì)將為武器快速對(duì)準(zhǔn)、放寬運(yùn)動(dòng)限制提供有效保障。

從國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，匹配方法快速性、保障條件簡(jiǎn)單化是裝備發(fā)展的持續(xù)要求，也是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究的動(dòng)力。

2.2 對(duì)準(zhǔn)算法通用化、參考信息多樣化是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究和裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向

從戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、航母艦載機(jī)、JDAM等武器研制和改進(jìn)過(guò)程來(lái)看，降低武器成本和使用要求一直是美軍裝備的發(fā)展方向，為此一方面采用低成本、高可靠的硬件，盡可能采用商業(yè)級(jí)產(chǎn)品并適當(dāng)降低質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面采用通用對(duì)準(zhǔn)算法以適應(yīng)多種武器平臺(tái)[19]。以JDAM為例，由于需要設(shè)計(jì)應(yīng)用于美軍幾乎所有的作戰(zhàn)戰(zhàn)機(jī)(如B-52、B-1、B-2、F-22、F-16、F-15、F-117等)，飛機(jī)型號(hào)繁多，相應(yīng)的使用條件和設(shè)備狀況差別較大，如發(fā)射架安裝方式、武器安裝角度、桿臂長(zhǎng)度、火控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)高度阻尼方式等，均不相同，因此JDAM傳遞對(duì)準(zhǔn)算法必須適應(yīng)以上多種武器發(fā)射平臺(tái)的需要。

隨著技術(shù)發(fā)展，武器平臺(tái)上除主慣導(dǎo)系統(tǒng)外，還配備了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒雷達(dá)、大氣傳感器等多種設(shè)備，武器上也配備了多種設(shè)備，國(guó)外開(kāi)展了利用多樣化的參考信息輔助武器進(jìn)行飛行中對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)研究[4，14-15，21]。對(duì)艦載導(dǎo)彈而言，這不僅擺脫了艦上傳遞對(duì)準(zhǔn)受海況、艦船機(jī)動(dòng)能力的限制，而且飛行對(duì)準(zhǔn)可與艦上對(duì)準(zhǔn)互為備份。Titterton D.H.研究了利用艦載雷達(dá)輔助導(dǎo)彈慣導(dǎo)進(jìn)行空中對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題[21]，針對(duì)雷達(dá)不同數(shù)據(jù)率、不同等級(jí)導(dǎo)彈慣導(dǎo)、是否估計(jì)慣性器件誤差的研究結(jié)果表明，艦載雷達(dá)的輔助有助于提高導(dǎo)彈對(duì)準(zhǔn)性能，該方案適用于近距離輔助導(dǎo)彈對(duì)準(zhǔn)。Ohlmeyer E.J.為美國(guó)海軍戰(zhàn)區(qū)攔截導(dǎo)彈SM-3開(kāi)發(fā)了一種基于GPS/Radar/INS艦載導(dǎo)彈的飛行對(duì)準(zhǔn)技術(shù)[37]，采用了GPS/Radar/INS、GPS/INS、Radar/INS三種集成模式，前兩種模式不僅設(shè)計(jì)裕度大，而且成功攔截目標(biāo)的概率高。Ornedo R.S.對(duì)Raytheon公司艦載多級(jí)動(dòng)能攔截導(dǎo)彈GPS輔助的慣導(dǎo)飛行對(duì)準(zhǔn)性能進(jìn)行了評(píng)估[38]，研究結(jié)果與Ohlmeyer E.J.類(lèi)似。美軍航母艦載機(jī)也采用了空中對(duì)準(zhǔn)技術(shù)[14-15]，其空中對(duì)準(zhǔn)分為多普勒、大氣數(shù)據(jù)、GPS等子模式。從已有信息推斷，國(guó)外可能利用艦載機(jī)起飛過(guò)程、導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中的機(jī)動(dòng)進(jìn)行輔助對(duì)準(zhǔn)，另外也可能開(kāi)展了利用武器數(shù)據(jù)鏈信息進(jìn)行輔助對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)研究。

目前，國(guó)內(nèi)部分武器型號(hào)已啟動(dòng)對(duì)準(zhǔn)算法通用化研究，并取得了一定成果，不過(guò)受各種因素制約而實(shí)施范圍較小，尚難滿足多平臺(tái)應(yīng)用需要。在參考信息方面，目前主要是采用衛(wèi)星導(dǎo)航輔助進(jìn)行飛行對(duì)準(zhǔn)(組合修正)，其他參考信息尚未加以利用。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器降低成本、簡(jiǎn)化保障條件及適用多種平臺(tái)等要求的提高，充分利用各種參考信息并大力推進(jìn)對(duì)準(zhǔn)算法通用化，是提高傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的重要途徑，也是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究和裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.3 實(shí)用多樣的濾波方法仍是今后傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究和工程應(yīng)用的重點(diǎn)之一

標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波是國(guó)內(nèi)外最常用的誤差估計(jì)方法，適用于線性誤差模型，要求噪聲為高斯白噪聲且統(tǒng)計(jì)特性已知；其優(yōu)點(diǎn)是工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、估計(jì)精度高，缺點(diǎn)是在模型或噪聲特性不準(zhǔn)確情況下濾波精度會(huì)下降甚至濾波發(fā)散，且應(yīng)用于高階模型時(shí)計(jì)算量大。針對(duì)濾波發(fā)散問(wèn)題，國(guó)外提出了自適應(yīng)卡爾曼濾波，通過(guò)對(duì)估計(jì)誤差驗(yàn)前協(xié)方差進(jìn)行加權(quán)處理、對(duì)噪聲特性進(jìn)行估計(jì)，提高濾波穩(wěn)定性；隨后提出了H∞濾波，以抑制模型和噪聲中的不確定性誤差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等數(shù)據(jù)融合技術(shù)及小波去噪技術(shù)是一種新的發(fā)展趨勢(shì)[39-41]。針對(duì)計(jì)算實(shí)時(shí)性問(wèn)題，國(guó)外將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于狀態(tài)估計(jì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和逼近非線性函數(shù)的能力，處理數(shù)據(jù)具有快速性和并行性，可在獲得與卡爾曼濾波相同精度的同時(shí)提高實(shí)時(shí)性。針對(duì)模型非線性問(wèn)題，國(guó)外研究了EKF濾波、UKF濾波和粒子濾波等非線性濾波技術(shù)，前兩者適用于噪聲特性已知情況，后者可處理噪聲非高斯問(wèn)題且穩(wěn)定性好、收斂速度快。

國(guó)外導(dǎo)彈傳遞對(duì)準(zhǔn)所用濾波方法缺乏相關(guān)資料，根據(jù)已有信息推斷[42-48]，美國(guó)戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈等可能采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波，JDAM采用自適應(yīng)卡爾曼濾波[19-20]。美國(guó)航母艦載機(jī)在粗對(duì)準(zhǔn)階段將方位失準(zhǔn)角的三角函數(shù)作為狀態(tài)變量，使得大方位失準(zhǔn)角產(chǎn)生的非線性誤差模型轉(zhuǎn)化為線性誤差模型，精對(duì)準(zhǔn)階段采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波對(duì)方位失準(zhǔn)角進(jìn)行估計(jì)[14-15]。法國(guó)SAGEM公司1997年宣稱(chēng)傳統(tǒng)的采用低階卡爾曼的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)已過(guò)時(shí)，該公司采用經(jīng)過(guò)特殊處理的60階快速卡爾曼濾波器對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，使對(duì)準(zhǔn)精度提高了1倍，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間降低了一半，但技術(shù)細(xì)節(jié)不詳。

濾波方法直接關(guān)系誤差估計(jì)效果，是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)，隨著小波去噪、模糊邏輯等新技術(shù)、新方法的發(fā)展，濾波方法將更為豐富多樣、工程實(shí)用，在適用性、準(zhǔn)確度、魯棒性、實(shí)時(shí)性等方面取得更為滿意的效果。

3 結(jié)論

傳遞對(duì)準(zhǔn)是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)武器裝備的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，該技術(shù)雖已比較成熟并獲得了廣泛應(yīng)用，不過(guò)對(duì)準(zhǔn)精度和快速性始終是武器裝備持續(xù)不斷發(fā)展的要求，因此仍有大量理論與應(yīng)用方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。從目前的技術(shù)研究和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，進(jìn)一步改進(jìn)濾波方法、尋求更有效的撓曲變形處理方法、充分利用各種參考信息進(jìn)行輔助對(duì)準(zhǔn)是提高傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的有效途徑。

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Overview of Transfer Alignment Technology of Missile Inertial Navigation System

ZHENG Xin1，WU Shao-wei2，WU Liang-hua2

(1.The 3rd Academy of China Aerospace Science & Industry Corp.，Beijing 100074，China；2.Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

The present status of transfer alignment technology of missile inertial navigation system both here and abroad was put forwards based on the content of transfer alignment technology.Basic theory and models in transfer alignment technology were analyzed and summarized，while emphasizing the matching method，abnormal reference information，dynamic flexure deformation，data delay，preprocessing of measurement noise which influences the performance of transfer alignment and giving the basic tenor to solve the problem.The development trends of transfer alignment technology of missile inertial navigation system were also discussed.

Inertial navigation system；Transfer alignment；Overview；Development trends

2015-11-02；

2015-12-12。

鄭辛(1969-)，男，博士，研究員，主要從事導(dǎo)航與定位方面的研究。

U666.1

A

2095-8110(2016)01-0001-08