趙琳,康冰,萬琦,衛(wèi)瑞,董彥維
(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京100076)
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一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計
趙琳,康冰,萬琦,衛(wèi)瑞,董彥維
(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京100076)
針對武器系統(tǒng)任意點隨機發(fā)射和“停下即打”目標的需求,提出了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)由以激光捷聯(lián)慣組為核心的車載定位導(dǎo)航單元和以光管為核心的光學(xué)傳遞單元組成。由里程計、高程計、電子地圖及衛(wèi)星系統(tǒng)輔助激光捷聯(lián)慣組實現(xiàn)較高精度的定位導(dǎo)航功能。通過與車載定位導(dǎo)航單元剛性固聯(lián)的光學(xué)傳遞單元,采用光學(xué)傳遞方式實現(xiàn)與外部設(shè)備的瞄準,瞄準結(jié)果通過車載定位導(dǎo)航單元完成。系統(tǒng)首次將定位瞄準實現(xiàn)一體化集成,在不損失水平瞄準精度的情況下,降低了對瞄準環(huán)境的要求,達到預(yù)期效果。
激光捷聯(lián)慣組;定位;瞄準;一體化
國內(nèi)在目前已裝備的現(xiàn)役武器系統(tǒng)中絕大多數(shù)還是采用有依托光電斜瞄方式。隨著新一代武器系統(tǒng)對射前生存能力提高的迫切需求,減少武器系統(tǒng)起豎后垂直暴露時間,縮短發(fā)射準備時間,使得采用中遠距離的光電斜瞄系統(tǒng)逐漸被與發(fā)射平臺集成的近距離水平瞄準系統(tǒng)所替代。水平瞄準系統(tǒng)配套的自主定向設(shè)備主要是擺式陀螺尋北儀,為了實現(xiàn)較高精度,工作時需要將擺式陀螺尋北儀的下方機構(gòu)架設(shè)在穩(wěn)定的地基上,這給地面瞄準系統(tǒng)的使用帶來了局限性[1]。近兩年來,激光捷聯(lián)慣組的對準精度獲得了較大的突破和提升,其精度指標和中、高精度的擺式尋北儀可以相提并論,在工作時間和環(huán)境適應(yīng)性上更有優(yōu)勢。定瞄一體技術(shù)既可以為發(fā)射平臺提供機動過程中的經(jīng)度、緯度和高程等位置信息,同時又可以為武器系統(tǒng)地面瞄準提供基準方向。定瞄一體技術(shù)的提出和發(fā)展,順應(yīng)了武器裝備發(fā)展的需求,技術(shù)途徑上可行,性能發(fā)展?jié)摿薮?,可實現(xiàn)任意點隨機發(fā)射和“停下即打”的目標[1]。
文章提出一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)設(shè)計,為實現(xiàn)定瞄一體技術(shù)提供了一種技術(shù)途徑,具有待機時間長、準備時間短、隨機發(fā)射、環(huán)境要求低等特點。
一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)由車載定位導(dǎo)航單元和光學(xué)傳遞單元組成,系統(tǒng)組成如圖1所示。
車載定位導(dǎo)航單元以激光捷聯(lián)慣組為核心,由激光陀螺和加表實現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)測量,采用動基座尋北的方法,由激光捷聯(lián)慣組內(nèi)的控制板實現(xiàn)系統(tǒng)北向基準輸出。同時,車載定位導(dǎo)航單元內(nèi)配置輔助測量設(shè)備(里程計、高程計、地圖、衛(wèi)星設(shè)備),利用慣性航位推算(DR)不受外界干擾、衛(wèi)星定位誤差不隨時間積累等優(yōu)點,在激光捷聯(lián)慣組內(nèi)的控制板上,采用多信息融合的卡爾曼濾波算法,實現(xiàn)慣性航位推算+電子地圖匹配(MM)+衛(wèi)星組合的定位方式。
圖1 定瞄一體化系統(tǒng)組成圖Fig.1Composition of positioning and aiming integrated system
其中,里程計完成對車輛速度信息的采集,高程計完成車輛高度變化信息的采集,激光捷聯(lián)慣組完成車輛姿態(tài)信息的采集,激光捷聯(lián)慣組、里程儀和高度計組成一組定位傳感器,其數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后輸入到航位推算系統(tǒng);衛(wèi)星設(shè)備作為一組定位傳感器,其數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后輸入到衛(wèi)星定位單元;處理后的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波器進行融合;利用精確的電子地圖道路(具有網(wǎng)絡(luò)拓撲特性)和衛(wèi)星/DR融合后定位軌跡的相似性進行地圖匹配,將得到的最終最優(yōu)解反饋給航位推算系統(tǒng),從而實時修正定瞄一體化系統(tǒng)的定位參數(shù),如圖2所示。
圖2 慣性/地圖/衛(wèi)星信息融合框圖Fig.2Schematic of DR/map/GPS fusion
動基座下獲得的北向基準通過在車載定位導(dǎo)航單元上剛性固聯(lián)的光學(xué)傳遞單元輸出。光學(xué)傳遞單元采用光學(xué)傳遞對準的方式,以光軸為基準的光電測量,實時動態(tài)測量出目標設(shè)備棱鏡與光軸的偏差,并通過姿態(tài)誤差補償解算,實現(xiàn)了定瞄一體化系統(tǒng)與外部設(shè)備的動基座瞄準。同時通過坐標系變換算法將車載定位導(dǎo)航單元的對準結(jié)果傳遞到光學(xué)傳遞單元的光軸上,實現(xiàn)實時動態(tài)測量目標的目的。
一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)的定位功能主要由車載定位導(dǎo)航單元完成。車載定位導(dǎo)航單元利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為定位觀測值,運用多信息融合的卡爾曼濾波算法對航位推算系統(tǒng)進行誤差校正。下面給出車載定位導(dǎo)航單元使用的航位推算系統(tǒng)的位置推算數(shù)學(xué)模型和多信息融合的卡爾曼濾波算法。
2.1航位推算系統(tǒng)的位置推算數(shù)學(xué)模型
圖3 航位推算過程示意圖Fig.3Schematic of DR
式(1)中,x(t)、y(t)、z(t)是t時刻車輛在參考坐標系下的位置;x(t-1)、y(t-1)、z(t-1)是t-1時刻車輛在參考坐標系下的位置。
2.2多信息融合的卡爾曼濾波算法
選取系統(tǒng)狀態(tài)變量為:
其中,δVx、δVy分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)與衛(wèi)星側(cè)向速度誤差和縱向速度誤差;δφX、δφY、δφZ分別為x軸、y軸、z軸的偏角;δKod為里程儀刻度系數(shù)誤差。
系統(tǒng)狀態(tài)方程為:
其中,狀態(tài)矩陣F為:
其中,γ、θ分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向速度與北向夾角和縱向速度與天向的夾角;ωu、ωn分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向加速度與北向夾角和縱向加速度與天向的夾角;N為里程儀的脈沖測量值;W為零均值的白噪聲。
將以上連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程離散化后得:
選取捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)側(cè)向速度、縱向速度作為卡爾曼濾波量測變量,量測方程如下:
其中,H為2×6維的量測矩陣:
根據(jù)式(7)建立的系統(tǒng)模型[2-4],利用卡爾曼濾波對系統(tǒng)狀態(tài)變量進行估計,該系統(tǒng)的觀測矩陣V=[FFA…FA5]T,經(jīng)判斷矩陣V的秩為rank(V)=6,系統(tǒng)完全可觀測,卡爾曼濾波結(jié)果不會發(fā)散。
一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)的瞄準功能由車載定位導(dǎo)航單元和光學(xué)傳遞單元共同完成對目標的動態(tài)瞄準,并實時輸出目標的方位信息[5],工作原理如圖4所示。
圖4 瞄準原理Fig.4Principle of aiming
光學(xué)傳遞單元采用水平瞄準方式,測量目標與車載定位導(dǎo)航單元的相對位置關(guān)系。通過驅(qū)動電路和穩(wěn)光回路發(fā)出一亮度恒定光源,并聚焦在星點板的焦面上,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像,產(chǎn)生無窮遠平行光[6]。通過以光軸為基準的光電測量,實時動態(tài)測量出目標棱鏡與光軸的偏差,并通過姿態(tài)誤差補償解算,實時獲得測量目標相對車載定位導(dǎo)航單元的相對位置關(guān)系。車載定位導(dǎo)航單元通過光學(xué)傳遞單元與測量目標建立的相對位置關(guān)系,利用激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)矩陣,通過慣性坐標轉(zhuǎn)換算法,實時解算出測量目標的姿態(tài)矩陣。
例如,當(dāng)T0時刻測量目標發(fā)生相對線性運動時,測量目標棱鏡與光軸的偏差隨即發(fā)生變化。光電測量根據(jù)捕捉到的變化偏差,解算出當(dāng)前T0時刻測量目標的相對位置關(guān)系。同時車載定位導(dǎo)航單元根據(jù)當(dāng)前T0時刻測量目標的相對位置關(guān)系,以及當(dāng)前T0時刻激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)矩陣,解算出當(dāng)前T0時刻測量目標的姿態(tài)矩陣,完成T0時刻測量目標的瞄準。
慣性坐標轉(zhuǎn)換算法采用四元數(shù)法表示[3],下面給出慣性坐標轉(zhuǎn)換算法的計算公式。
激光捷聯(lián)慣組輸出的姿態(tài)角為:航向角ψ、俯仰角θ、橫滾角γ,激光捷聯(lián)慣組的姿態(tài)矩陣表示如下:
通過矩陣計算得到光學(xué)傳遞單元的姿態(tài)值如下:
在完成工程樣機后,進行了車載驗證。在車載環(huán)境下,系統(tǒng)瞄準時間只需5min,各種工況下的瞄準精度可達到90″(3σ),各種工況下的定位精度達到100m(3σ),系統(tǒng)全程只需按下“上電開機”按鈕,無需其他操作,實時輸出測量目標的定位和瞄準數(shù)據(jù)。在大風(fēng)、振動、低溫、高溫等環(huán)境下均進行了測試,系統(tǒng)性能指標無明顯變化。
本文介紹了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化系統(tǒng)。從武器系統(tǒng)的需求出發(fā),提出了一種基于激光捷聯(lián)慣組的定瞄一體化技術(shù)的解決方案,詳細介紹了該定瞄一體化系統(tǒng)的定位原理和瞄準原理,具有待機時間長、準備時間短、隨機發(fā)射等特點。
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Design of Positioning andAiming Integrated System Based on LSIMU
ZHAO Lin,KANG Bing,WAN Qi,WEI Rui,DONG Yan-wei
(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076)
In order to realize the requirement that the weapon system can random launch and“stop then hit”,the paper designs a positioning and aiming integrated system based on LSIMU.The system consists of the positioning unit and the aiming unit.The positioning unit takes LSIMU as the core,by using the method of moving base north seeking.The positioning unit configures a variety of measuring equipments(odometer,altimeter,maps,satellite positioning).It realizes the positioning capability by means of the integrated navigation.The aiming unit rigidly fixed on the positioning unit.It uses the optical way to realize aiming at the dynamic target.At the same time,the positioning unit is outputting the result.The system realizes the positioning and aiming integrated technology.Without loss of the aiming capability and positioning capability,it reduces the environmental requirements.It achieves the expected goal.
laser gyro strap down inertial measurement unit(LSIMU);positioning;aiming;integration
U666.1
A
1674-5558(2016)01-01053
10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.002
趙琳,女,工程師,研究方向為定位定向瞄準系統(tǒng)設(shè)計。
2014-12-18