艦載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)綜述

談瀟麟+伏思華+姜廣文+吳偉

摘要： 艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)由于桿臂較大且未知、 大方位失準(zhǔn)角以及緊急情況下的快速對(duì)準(zhǔn)等問題， 與艦載武器、 機(jī)載武器的初始對(duì)準(zhǔn)都有所不同。 本文針對(duì)艦載機(jī)的初始對(duì)準(zhǔn)問題， 闡述了國(guó)內(nèi)外艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)問題的關(guān)鍵技術(shù)如匹配方式、 誤差補(bǔ)償模型和濾波算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹， 最后， 初步分析了艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究方向。

關(guān)鍵詞： 艦載機(jī)； 初始對(duì)準(zhǔn)； 傳遞對(duì)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)： V249.32+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2016）04-0018-07

Abstract： Since the large and unknown leverarm， the large azimuth misalignment angle and repaid alignment in the emergency situations， the carrier aircraft alignment technology is different from the initial alignment of shipboard weapons and the airborne weapons. Aiming at the problem of initial alignment， the development of alignment technology for carrier aircraft at home and abroad is described， and the key technologies of this problem， such as matching， error compensation model and filtering algorithms are described in detail. Finally， the trend of the carrier aircraft alignment technology is briefly discussed.

Key words： carrier aircraft； initial alignment； transfer alignment

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中， 制空權(quán)決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)性， 是交戰(zhàn)雙方爭(zhēng)奪的重點(diǎn)。 艦載機(jī)作為航母戰(zhàn)斗群的主要戰(zhàn)力， 在遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)的制空權(quán)爭(zhēng)奪中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 而艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度直接決定著戰(zhàn)機(jī)生存能力和機(jī)載武器的命中率， 同時(shí)艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間也決定著其戰(zhàn)斗效率。 通常當(dāng)艦艇遇突發(fā)情況需要艦載機(jī)緊急起飛時(shí)， 如潛艇突襲發(fā)射反艦導(dǎo)彈情況下， 留給艦載機(jī)的反應(yīng)截?fù)魰r(shí)間一般不超過3 min， 其中包括指揮反應(yīng)時(shí)間、 艦載機(jī)和上甲板部門的備戰(zhàn)時(shí)間、 艦載機(jī)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間， 以及艦載機(jī)彈射（或滑躍）起飛時(shí)間等[1]， 因而需要機(jī)載慣導(dǎo)能在極短時(shí)間內(nèi)完成高精度的初始對(duì)準(zhǔn)。 因此， 艦載機(jī)慣導(dǎo)的快速對(duì)準(zhǔn)一直受到各國(guó)的高度重視。

艦載機(jī)的對(duì)準(zhǔn)方式有初始自對(duì)準(zhǔn)、 傳遞對(duì)準(zhǔn)和空中對(duì)準(zhǔn)方法。 初始自對(duì)準(zhǔn)是利用地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度這些天然基準(zhǔn)信息來進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)。 但一般不采用自對(duì)準(zhǔn)， 主要是因?yàn)榕炤d機(jī)對(duì)準(zhǔn)環(huán)境惡劣， 在艦載機(jī)本身振動(dòng)和外界環(huán)境的干擾下， 其機(jī)載慣性元件測(cè)得的地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度受到嚴(yán)重的干擾。 秦永元等[2-4]提出利用慣性空間中地球重力加速度信息的分量進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)， 滿足一定的精度要求時(shí)， 仿真對(duì)準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到5 min， 不能滿足艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的時(shí)間要求。 空中對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的GPS信號(hào)容易受到屏蔽， 同時(shí)考慮到作戰(zhàn)效率的問題， 這里不予考慮。 傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)（又稱為動(dòng)基座匹配對(duì)準(zhǔn)技術(shù)）以其時(shí)間短、 精度高的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于艦載機(jī)的對(duì)準(zhǔn)， 自提出以來就受到了各國(guó)研究者的密切關(guān)注。

1國(guó)內(nèi)外艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展

國(guó)外艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可以根據(jù)其使用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)， 將其分為三個(gè)階段：平臺(tái)式慣導(dǎo)階段、 捷聯(lián)式慣導(dǎo)階段和組合導(dǎo)航式慣導(dǎo)階段。

航空兵器2016年第4期談瀟麟等： 艦載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)綜述20世紀(jì)60年代， 美軍艦載機(jī)開始裝備平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。 60年代初期， 由于沒有統(tǒng)一的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)， 機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)基本是獨(dú)立設(shè)計(jì)， 機(jī)型兼容性差。 此時(shí)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)有移動(dòng)式及電纜式。 移動(dòng)式分兩種： 一是借助一個(gè)便攜慣導(dǎo)系統(tǒng)， 將之首先與主慣導(dǎo)進(jìn)行機(jī)電匹配， 然后再裝至飛機(jī)與機(jī)載慣導(dǎo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)； 另一種是將機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可拆卸便攜式， 需要對(duì)準(zhǔn)時(shí)將其拆卸下來放置在主慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)， 對(duì)準(zhǔn)后再裝回飛機(jī)。 電纜式則是在主子慣導(dǎo)系統(tǒng)間連接電纜， 將主慣導(dǎo)信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳輸至子慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)， 現(xiàn)在依然實(shí)用[5]。 到60年代末期， 美軍第一代制式艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)AN/ASN-92 CAINS I由Litton公司研制成功， 在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上， 新引入了卡爾曼濾波、 數(shù)字信號(hào)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)[6]。 70年代初研制CAINS IA又引入了數(shù)據(jù)總線技術(shù)和I/O接口。 80年代， 美國(guó)裝入捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)， 艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)開始采用傳遞對(duì)準(zhǔn)， 其第三代慣導(dǎo)系統(tǒng)CAINS II系統(tǒng)分析艦船慣導(dǎo)、 GPS和雷達(dá)等提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)， 在3～5 min左右即可完成艦載機(jī)慣導(dǎo)的初始對(duì)準(zhǔn)， 對(duì)準(zhǔn)時(shí)間得到大幅度優(yōu)化[5]。 90年代， 隨著GPS技術(shù)的發(fā)展成熟， 艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)入組合導(dǎo)航階段。 美軍第四代機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)將環(huán)形激光陀螺和嵌入式GPS技術(shù)組合， 這種組合對(duì)準(zhǔn)技術(shù)使得該系統(tǒng)能夠根據(jù)收集的GPS信息， 選擇純慣性導(dǎo)航、 純GPS或慣導(dǎo)/GPS組合對(duì)準(zhǔn)三種方式[7]， 艦載機(jī)的初始對(duì)準(zhǔn)精度得到較大的提高， 減少了對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。 目前， Litton公司的AN/ASN172EGI INS/GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)和Honeywell 公司的AN/ASN178 EGI INS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)分別裝備于F/A-18A+和AH-1W艦載機(jī)[8-9]。 2003年美軍又提出開發(fā)精確導(dǎo)航系統(tǒng)（ANAV）， 該系統(tǒng)在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上又采用了重力補(bǔ)償?shù)绕渌岣呔鹊募夹g(shù)， 其純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度能達(dá)到0.4 nm/h[5]。

國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)自21世紀(jì)初就用無線藍(lán)牙傳輸傳遞對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)[10]， 接著又就傳遞對(duì)準(zhǔn)的觀測(cè)模型[11-12]、 動(dòng)基座匹配算法的設(shè)計(jì)[5，11，13-14]、 大方位失準(zhǔn)角下的非線性濾波設(shè)計(jì)[11，15]和誤差模型補(bǔ)償[13-15]等方面進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真研究。 西北工業(yè)大學(xué)早期提出了艦載直升機(jī)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的方案設(shè)計(jì)， 后來主要就系泊情況和航行情況下的艦載機(jī)初始自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究[2-4，16]。 此外， 海軍航空工程學(xué)院、 北京航天航空大學(xué)和其他相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也對(duì)艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了一定的研究[17-23]。 目前， 國(guó)內(nèi)對(duì)艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究主要集中在非線性濾波、 桿臂效應(yīng)補(bǔ)償和艦體動(dòng)態(tài)撓曲變形。 這幾個(gè)方面是當(dāng)前研究熱點(diǎn)， 也是影響艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)精度的重要因素。

2艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)基本步驟及關(guān)鍵技術(shù)

粗略來看， 艦載機(jī)的傳遞對(duì)準(zhǔn)可分為粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)兩部分。 粗對(duì)準(zhǔn)是將艦船主慣導(dǎo)的姿態(tài)直接加載到艦載機(jī)子慣導(dǎo)上； 精對(duì)準(zhǔn)將艦船主慣導(dǎo)采集到的導(dǎo)航信息以及其他設(shè)備（像雷達(dá)、 GPS等）提供的速度、 加速度、 角速率等及兩兩間的組合信息同艦載機(jī)子慣導(dǎo)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)作匹配， 最后作濾波解算估計(jì)出兩慣導(dǎo)間的失準(zhǔn)角等參數(shù)信息， 從而實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)[5]。

2.1對(duì)準(zhǔn)基本步驟

具體可以把傳遞對(duì)準(zhǔn)分為以下三步：

（1） 通過誤差模型補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)學(xué)補(bǔ)償， 將主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)揭粋€(gè)點(diǎn)。 傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 艦船主慣導(dǎo)一般安裝于甲板下方的艦船搖擺中心， 而艦載機(jī)子慣導(dǎo)則可能處于甲板上任何位置， 兩者之間的位置差異導(dǎo)致其慣性組件采集到的加速度和角速度信息存在差異。 因此在利用主慣導(dǎo)信息對(duì)子慣導(dǎo)進(jìn)行初始化之前， 必須補(bǔ)償這種信息差異。 通常通過建立艦、 機(jī)之間的傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型和各類誤差源數(shù)學(xué)模型， 然后根據(jù)主、 子慣導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行補(bǔ)償。

（2） 對(duì)艦機(jī)子慣導(dǎo)作姿態(tài)加載， 收集兩慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息。 首先， 默認(rèn)主慣導(dǎo)系統(tǒng)不存在誤差， 跟子慣導(dǎo)系統(tǒng)相比， 主慣導(dǎo)精度一般要高好幾個(gè)量級(jí)， 因而其誤差可以忽略。 將主慣導(dǎo)的姿態(tài)直接加載到子慣導(dǎo)之后， 由于存在由安裝誤差、 桿臂效應(yīng)、 艦體動(dòng)態(tài)撓曲變形等因素引起的失準(zhǔn)角， 輸出的導(dǎo)航信息存在差異。

（3） 根據(jù)相應(yīng)條件， 選用合適的參數(shù)組合和濾波算法解算出失準(zhǔn)角， 完成初始對(duì)準(zhǔn)。 理論上， 慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息及其組合都能進(jìn)行匹配（如速度、 角速度、 姿態(tài)等）。 通常， 依據(jù)所選參數(shù)性質(zhì)， 將傳遞對(duì)準(zhǔn)的匹配方法分為測(cè)量參數(shù)匹配和計(jì)算參數(shù)匹配。 不同的匹配方法各有優(yōu)劣， 但組合匹配能克服單一匹配方法的缺點(diǎn)， 因而大多數(shù)情況下采用兩種方法的組合來進(jìn)行匹配。 而濾波則是指 Kalman、 UKF、 EKF等利用一定規(guī)律， 聯(lián)系觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)未知信息[24]。

2.2艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)

艦載機(jī)的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)與艦載武器和機(jī)載武器等的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)存在著共性， 但又與其存在差異， 主要區(qū)別在于桿臂較大且未知、 大方位失準(zhǔn)角以及緊急情況下的快速傳遞對(duì)準(zhǔn)等問題。 因而相比其他的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)， 艦載機(jī)的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)更側(cè)重于以下三個(gè)方面技術(shù)的研究：

2.2.1匹配方式的討論

在傳遞對(duì)準(zhǔn)的算法設(shè)計(jì)中， 測(cè)量匹配參數(shù)的選擇決定著估計(jì)算法的結(jié)構(gòu)， 所以， 如何選擇測(cè)量匹配參數(shù)對(duì)算法性能有至關(guān)重要的影響[25]。 根據(jù)所選參數(shù)性質(zhì)， 傳遞對(duì)準(zhǔn)的匹配方法分為三類：

（1） 計(jì)算參數(shù)匹配： 速度匹配； 位置匹配。

（2） 測(cè)量參數(shù)匹配： 加速度匹配； 角速度匹配； 姿態(tài)匹配。

（3） 組合參數(shù)匹配： 速度+姿態(tài)匹配； 速度+角速度匹配； 加速度+角速度匹配。

一般來說， 計(jì)算參數(shù)匹配是利用主、 子兩慣導(dǎo)系統(tǒng)本身計(jì)算的對(duì)應(yīng)導(dǎo)航信息差值為量測(cè)量， 因?yàn)檫@些信息不能直接測(cè)得， 所以需要用狀態(tài)方程表示其姿態(tài)失準(zhǔn)角與速度差值或位置差值的關(guān)系。 此外， 狀態(tài)間的關(guān)系又同艦體實(shí)時(shí)變化的航行條件相關(guān)， 因而估計(jì)量較大， 所需對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)， 但對(duì)準(zhǔn)精度較高。 而測(cè)量參數(shù)匹配則是依靠速度、 角速度等矢量導(dǎo)航信息在慣導(dǎo)測(cè)量軸上的分量不同來完成對(duì)準(zhǔn)[24]。 測(cè)量值與姿態(tài)失準(zhǔn)角相關(guān)， 因而對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短， 但此方法需要一定的機(jī)動(dòng)條件， 同時(shí)艦體的撓曲變形對(duì)精度影響較大。

具體而言， 位置匹配需要一定的位置差值， 而由相對(duì)失準(zhǔn)角產(chǎn)生這一數(shù)值的時(shí)間較長(zhǎng)， 不能滿足對(duì)準(zhǔn)所需的快速性要求， 同時(shí)對(duì)載體的機(jī)動(dòng)方式的要求也比較高， 不適合艦載條件下的對(duì)準(zhǔn)[25]。 而加速度匹配、 角速度匹配和加速度+角速度匹配法容易受到桿臂效應(yīng)和撓曲效應(yīng)的影響， 對(duì)姿態(tài)角估計(jì)的精度較差。 此外， 由于載體振動(dòng)和撓曲效應(yīng)， Kalman濾波器需要很高的狀態(tài)更新速率來保證對(duì)姿態(tài)角的準(zhǔn)確跟蹤估計(jì)。 且不能對(duì)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性器件參數(shù)進(jìn)行有效的估計(jì)和校準(zhǔn)， 這些因素極大的限制了這三種匹配方式的應(yīng)用[25]。

基于上面的分析， 在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)中本文主要研究以下四種匹配方法：

（1） 速度匹配

速度匹配法以主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)采集的速度差值為濾波器的量測(cè)， 對(duì)其進(jìn)行濾波解算估計(jì)主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算地理坐標(biāo)系間的失準(zhǔn)角， 再借之修正子慣導(dǎo)姿態(tài)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳遞對(duì)準(zhǔn)[26]。

速度匹配法即使不作任何機(jī)動(dòng)也可以完成傳遞對(duì)準(zhǔn)， 但由于沒有加速度， 方位失準(zhǔn)角收斂較慢。 這是因?yàn)檩d體平直等速航行時(shí)， 水平對(duì)準(zhǔn)靠重力， 方位對(duì)準(zhǔn)靠羅經(jīng)效應(yīng)， 而載體西向航行將減弱羅經(jīng)效應(yīng)， 使對(duì)準(zhǔn)時(shí)間變長(zhǎng)， 精度降低， 因而速度匹配較為依賴載體的機(jī)動(dòng)方式。 研究表明：艦船勻速直線航行時(shí)， 方位失準(zhǔn)角的可觀測(cè)度較低， 導(dǎo)致對(duì)其的估計(jì)精度降低， 因而對(duì)于速度匹配傳遞對(duì)準(zhǔn)， 需要設(shè)計(jì)載體的水平機(jī)動(dòng)[13，24]。 而作適度的機(jī)動(dòng)時(shí)， 1 min內(nèi)姿態(tài)失準(zhǔn)角的估計(jì)精度能到0.5 mrad以下[25]。 考慮到艦體對(duì)特殊機(jī)動(dòng)方式的執(zhí)行能力， 不能得到較為滿意的匹配時(shí)間和對(duì)準(zhǔn)精度， 因而在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 一般不會(huì)單獨(dú)采用速度匹配算法。

（2） 姿態(tài)匹配

姿態(tài)匹配最初是為直升機(jī)設(shè)計(jì)的， 因?yàn)橹鄙龣C(jī)的主、 子慣導(dǎo)之間桿臂的剛性相對(duì)較好， 能抵抗桿臂撓曲變形對(duì)姿態(tài)匹配性能的影響。 直到速度+姿態(tài)匹配算法的提出， 姿態(tài)匹配才變得日益重要。 盡管姿態(tài)匹配容易受到桿臂撓曲變形的干擾， 但其以姿態(tài)矩陣為基礎(chǔ)， 魯棒性優(yōu)于角速度匹配， 對(duì)外部環(huán)境比較惡劣的對(duì)準(zhǔn)更具優(yōu)越性。

姿態(tài)匹配法主要有姿態(tài)角匹配、 姿態(tài)矩陣匹配以及量測(cè)失準(zhǔn)角匹配。 這三種匹配方法的量測(cè)都是基于主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)解算得到的姿態(tài)矩陣。 姿態(tài)角匹配直接比較兩慣導(dǎo)的三軸姿態(tài)角， 計(jì)算思路直接， 但其量測(cè)方程復(fù)雜， 計(jì)算量大； 姿態(tài)矩陣匹配則是比較兩慣導(dǎo)的姿態(tài)矩陣元素， 這樣避免了復(fù)雜的量測(cè)方程， 但又使得量測(cè)方程的維數(shù)增加， 計(jì)算量依然較大； 量測(cè)失準(zhǔn)角是指兩慣導(dǎo)系統(tǒng)載體坐標(biāo)系的三軸對(duì)應(yīng)夾角， 其匹配的量測(cè)是將兩慣導(dǎo)的姿態(tài)矩陣直接相乘， 量測(cè)失準(zhǔn)角在對(duì)準(zhǔn)中既作狀態(tài)變量又作量測(cè)， 這樣不僅有較好的可觀測(cè)性， 其量測(cè)方程也比較簡(jiǎn)單。 對(duì)比三種姿態(tài)匹配方法， 量測(cè)姿態(tài)角匹配的量測(cè)方程最為簡(jiǎn)單， 計(jì)算量較小， 能更好的觀測(cè)姿態(tài)失準(zhǔn)角； 同時(shí)在大方位失準(zhǔn)角時(shí)也較其他兩種更為簡(jiǎn)單， 因而在快速傳遞對(duì)準(zhǔn)中一般采用量測(cè)失準(zhǔn)角匹配[13]。

實(shí)際上， 姿態(tài)匹配受到慣性器件安裝誤差和船體撓曲變形等因素影響， 精度差， 常用作粗對(duì)準(zhǔn)， 更為常見的是跟速度匹配結(jié)合進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)。

（3） 速度+姿態(tài)匹配

Kain、 Cloutier于1989 年首次提出速度+姿態(tài)組合匹配法， 該方案以其傳遞時(shí)間短、 精度高的特點(diǎn)， 快速吸引了全世界科研人員的注意。 其克服了單一速度匹配或是單一姿態(tài)匹配的缺點(diǎn)， 結(jié)合了速度匹配精度高和姿態(tài)匹配對(duì)準(zhǔn)速度快的優(yōu)點(diǎn)， 使得載體能在簡(jiǎn)單的搖擺勻速直線行駛的情況下， 估計(jì)速度和精度更為理想。 仿真表明， 精對(duì)準(zhǔn)時(shí)， 艦船作C型或是S型機(jī)動(dòng)， 水平失準(zhǔn)角精度能在20 s左右達(dá)到0.1 mrad， 方位失準(zhǔn)角精度能在30 s內(nèi)達(dá)到0.3 mrad； 而單一匹配方式達(dá)到相同量級(jí)的精度則分別需要40 s和60 s左右， 且精度更低[13，24]。 美軍于1997年利用F16對(duì)其進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)表明， 利用速度+姿態(tài)組合參數(shù)進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)， 姿態(tài)傳遞精度可在10 s內(nèi)達(dá)到1 mrad [27]。 此外， 速度+姿態(tài)匹配的觀測(cè)量是分別對(duì)比力和角速度進(jìn)行一次積分， 因而受到系統(tǒng)噪聲及儀器誤差的噪聲相對(duì)較小， 且還能對(duì)安裝誤差角和撓曲變形角進(jìn)行有效的估計(jì)， 這是其他匹配方法不能實(shí)現(xiàn)的。

綜合考慮， 速度+姿態(tài)匹配法較各種匹配方法， 其估計(jì)精度較高， 收斂速度較快， 受系統(tǒng)噪聲、 振動(dòng)噪聲的影響較小， 更具優(yōu)勢(shì)。 因此， 速度+姿態(tài)匹配法在對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

（4） 速度+角速度匹配

受速度+姿態(tài)組合的啟發(fā)， Roger于1991年提出了速度+角速度匹配法。 和前種組合相同， 其克服了單一匹配的缺點(diǎn)， 同時(shí)具有了計(jì)算匹配精度高和測(cè)量匹配速度快的特點(diǎn)。 但與之不同的是采用主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)間的相對(duì)角速度作為觀測(cè)量， 與把量測(cè)失準(zhǔn)角作為觀測(cè)量相比更容易敏感船體的撓曲變形， 因而對(duì)艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)來說， 即使艦船不作特定機(jī)動(dòng)也能較好的觀測(cè)狀態(tài)變量， 使得對(duì)準(zhǔn)時(shí)間減少。 但同時(shí)如果機(jī)動(dòng)過于劇烈或者外界環(huán)境比較惡劣， 將影響這種方法的對(duì)準(zhǔn)精度， 仿真也證實(shí)了這一觀點(diǎn)[14-15，28]。

可以說， 沒有哪一種匹配方式能在所有情況下都表現(xiàn)得最優(yōu)。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 應(yīng)該綜合考慮環(huán)境因素、 機(jī)動(dòng)方式、 時(shí)間和精度要求等等選擇最恰當(dāng)?shù)钠ヅ浞椒ā?/p>

2.2.2誤差補(bǔ)償?shù)难芯?/p>

傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是一種動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)技術(shù)， 時(shí)刻受到外界的振動(dòng)、 運(yùn)動(dòng)、 環(huán)境等干擾， 運(yùn)行環(huán)境惡劣， 影響對(duì)準(zhǔn)精度的因素較多， 主要的誤差源有：

（1） 慣性器件誤差和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延誤差

慣性器件誤差主要是指安裝誤差、 刻度系數(shù)誤差和隨機(jī)誤差。 一般來說， 由于艦載機(jī)進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間較少， 器件誤差可觀測(cè)性低， 難以進(jìn)行有效的補(bǔ)償， 因此艦載機(jī)的傳遞對(duì)準(zhǔn)主要對(duì)姿態(tài)失準(zhǔn)角進(jìn)行估計(jì)， 一般也會(huì)設(shè)置一個(gè)針對(duì)慣性器件誤差的濾波器來完成對(duì)準(zhǔn)和校正。

而在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)， 因而在主、 子慣導(dǎo)間的數(shù)據(jù)傳輸存在一個(gè)時(shí)延誤差。 研究表明， 10 ms的時(shí)間標(biāo)定誤差會(huì)產(chǎn)生幾毫弧度的方位誤差， 因而在艦載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)中， 有必要對(duì)時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償[13]。 目前， 利用濾波器和延遲時(shí)間狀態(tài)增強(qiáng)對(duì)傳輸延遲誤差進(jìn)行補(bǔ)償還存在一定的研究空間[13-14，29]。

（2） 艦船的撓曲變形

實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 為保證對(duì)準(zhǔn)精度， 必須要考慮艦船的彈性形變。 一般把艦船的形變分為三類：一類是永久變形， 這類變形是在艦船出廠之后， 由于艦船所裝裝備的變化而導(dǎo)致的變形， 沒有物質(zhì)上的變化認(rèn)為不會(huì)改變， 實(shí)際一般不予考慮； 一類是靜態(tài)變形， 這類變形的變化周期比較長(zhǎng)， 也稱為準(zhǔn)靜態(tài)變形， 如船體在風(fēng)吹日曬雨淋等環(huán)境下導(dǎo)致的材料老化而帶來的結(jié)構(gòu)變形； 最后一類是動(dòng)態(tài)撓性變形， 這類變形變化較快， 通常在一次對(duì)準(zhǔn)中就發(fā)生多次變化， 如由溫度、 壓力、 海況、 船體機(jī)動(dòng)和艦載武器發(fā)射等引起的船體變形。 在進(jìn)行艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)時(shí)， 對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較短， 因而在傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 一般把靜態(tài)變形看作是常量， 認(rèn)為已經(jīng)包含在姿態(tài)誤差角內(nèi)， 不考慮其帶來的影響； 而動(dòng)態(tài)撓性變形變化周期短， 如果不對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償， 可能導(dǎo)致姿態(tài)失準(zhǔn)角的估計(jì)不穩(wěn)而無法完成對(duì)準(zhǔn)， 因而在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中必須對(duì)其加以補(bǔ)償[29]。

目前， 補(bǔ)償撓曲變形的方法主要有模型和噪聲補(bǔ)償法兩種。 模型補(bǔ)償法將撓曲變形角建模成Markov過程， 這種建模擴(kuò)展了系統(tǒng)的狀態(tài)位數(shù)， 計(jì)算量較大。 同時(shí)， 此算法對(duì)模型的參數(shù)準(zhǔn)確性有要求， 因而導(dǎo)致魯棒性也比較差， 不能很好的排除惡劣環(huán)境變化帶來的干擾， 但種方法有不錯(cuò)工程應(yīng)用效果[13，23，29-30]。 噪聲補(bǔ)償法是利用噪聲強(qiáng)度替代撓曲變形引起的隨機(jī)干擾， 難以確定噪聲方差， 以保證噪聲置代的正確性。 Kain提出比較最優(yōu)誤差模型和次優(yōu)誤差模型的濾波結(jié)果來確定， 但是計(jì)算量太大， 文獻(xiàn)[13]分析了這種方法的難點(diǎn)， 但是沒有提出好的解決方法。 當(dāng)前， 國(guó)內(nèi)還提出一種建立桿臂效應(yīng)與撓曲變形一體化模型的補(bǔ)償方法， 并做了仿真實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果在同等情況下， 比單一誤差補(bǔ)償精度要高[14-15，23]。

（3） 桿臂效應(yīng)

桿臂效應(yīng)是指由于慣性測(cè)量組件的安裝中心偏離艦船的搖擺中心， 當(dāng)艦船機(jī)動(dòng)或者受到外界環(huán)境干擾引起系統(tǒng)基座搖擺時(shí)， 主、 子慣導(dǎo)系統(tǒng)采集到的加速度和速度信息不一致的現(xiàn)象[15，31]。 對(duì)于艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)來說， 其與艦船的主慣導(dǎo)系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)， 這種大桿臂情況下， 對(duì)于即使搖擺不是很嚴(yán)重的艦船來說， 桿臂效應(yīng)誤差所引起的系統(tǒng)水平對(duì)準(zhǔn)誤差也會(huì)達(dá)到2°～3°[15]。 因而， 在精度要求較高的艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)中， 有必要補(bǔ)償桿臂效應(yīng)帶來的誤差。

當(dāng)桿臂長(zhǎng)度已知時(shí)， 桿臂誤差補(bǔ)償法有桿臂加速度補(bǔ)償法、 桿臂速度觀測(cè)量補(bǔ)償法和數(shù)字濾波器補(bǔ)償法等[14]。 在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 由于大桿臂的存在， 雖然能用無線電測(cè)距技術(shù)測(cè)得桿臂值， 但由于不確定環(huán)境因素作用于艦船而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)撓曲變形， 在大桿臂條件下產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)桿臂分量， 極大的影響了傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度。 針對(duì)這個(gè)問題， 目前國(guó)內(nèi)學(xué)界主要的解決思路有： 將桿臂長(zhǎng)度增設(shè)為狀態(tài)變量， 對(duì)之作實(shí)時(shí)在線估計(jì)， 然后補(bǔ)償其產(chǎn)生的誤差[31-32]； 將動(dòng)態(tài)桿臂誤差視為量測(cè)噪聲， 利用魯棒性好的濾波算法進(jìn)行抑制， 直接求得失準(zhǔn)角[29，33-34]。 這兩種思路都能較好的解決動(dòng)態(tài)桿臂的誤差問題， 達(dá)到較高的精度， 但增加了狀態(tài)量， 且綜合考慮艦船撓曲動(dòng)態(tài)桿臂的問題， 由于外界環(huán)境影響， 使得收斂速度較慢， 導(dǎo)致收斂時(shí)間較長(zhǎng)。 這些方法目前還停留在仿真階段， 距離真正的工程應(yīng)用還需要很多的實(shí)驗(yàn)修改。

其他補(bǔ)償方法有：對(duì)桿臂干擾加速度（或速度/位移）直接補(bǔ)償、 設(shè)置低通濾波器， 根據(jù)有用信息和干擾信息頻率不同的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字濾波等[29，35-36]。 這些方法不能有效的跟蹤測(cè)量動(dòng)態(tài)桿臂的數(shù)值， 或不能處理?xiàng)U臂加速度的常值分量， 導(dǎo)致補(bǔ)償精度低、 收斂時(shí)間長(zhǎng)等， 目前一般不采用。

2.2.3濾波算法的研究

濾波是從混有干擾的信號(hào)中提取出有用信號(hào)過濾掉干擾信號(hào)的過程。 在傳遞對(duì)準(zhǔn)中， 目標(biāo)信號(hào)中混有隨機(jī)信號(hào)的干擾， 隨機(jī)信號(hào)的變化規(guī)律不確定， 不能以常用的濾波方法加以排除， 但隨機(jī)信號(hào)的功率譜是確定的， 能用統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述。 因而， 傳遞對(duì)準(zhǔn)中所說的濾波理論是指Kalman、 UKF、 EKF等利用失準(zhǔn)角等誤差參數(shù)的傳播規(guī)律， 及其與觀測(cè)量之間的聯(lián)系， 在采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)照下， 對(duì)未知的誤差參數(shù)作最優(yōu)估計(jì)[24]。

由R. E. Kalamn和R. S. Bucy提出的Kalman濾波是專門用來處理隨機(jī)信號(hào)的遞推線性最小方差估計(jì)[37]。 因?yàn)槠渌惴ǖ倪f推性和易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)， 在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 但是在使用Kalman濾波器時(shí)， 首先要求系統(tǒng)必須是線性的， 除此之外， 還需要知道系統(tǒng)和狀態(tài)方程、 觀測(cè)方程、 白噪聲激勵(lì)和觀測(cè)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。 當(dāng)系統(tǒng)有模型誤差或者噪聲不確定時(shí)， Kalman濾波器就可能會(huì)發(fā)散。 因而傳統(tǒng)的Kalman濾波器不適合大方位失準(zhǔn)角條件下的艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)。

針對(duì)艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中存在大方位失準(zhǔn)角和對(duì)準(zhǔn)時(shí)間要求短等問題， 學(xué)者提出了許多非線性濾波法， 主要有三種：粒子濾波、 擴(kuò)展卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波。 針對(duì)艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中噪聲的不確定性、 載體動(dòng)態(tài)干擾等問題， 提出了一些魯棒性更好的濾波算法， 如自適應(yīng)濾波和濾波。

粒子濾波對(duì)于非線性、 非高斯和多峰分布等復(fù)雜情況有極其出色的解決能力， 是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)， 但不夠成熟， 仍有許多問題需要深入研究[38-39]。 國(guó)內(nèi)， 熊凱結(jié)合粒子濾波和EKF， 得到一種精度更高， 計(jì)算量更小的濾波[40]； 丁楊斌結(jié)合UKF和粒子濾波， 提出一種組合算法， 濾波精度較高且無需處理非線性系統(tǒng)模型[38]； 郭子偉提出了一種改進(jìn)的采用類高斯和重采樣的粒子濾波算法， 在微量增加計(jì)算量的同時(shí)， 將傳遞對(duì)準(zhǔn)精度較傳統(tǒng)的粒子濾波算法提高40%[41]； 楊萌對(duì)傳統(tǒng)UPF算法計(jì)算量大和實(shí)時(shí)性較差的問題進(jìn)行了改進(jìn)[42]。 可以預(yù)見， 當(dāng)粒子濾波方法成熟之后， 將是最高效的非線性濾波方法之一。

擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）只取Taylor展開式的第一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)線性化。 這種方法的濾波精度忽略了高階項(xiàng)， 因而依賴局部的非線性度， 但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。 EKF存在兩個(gè)主要問題： 一是局部線性假設(shè)， 當(dāng)Taylor展開式的高階項(xiàng)不能忽略時(shí)， 可能會(huì)導(dǎo)致濾波發(fā)散； 另一個(gè)就是Jacobian 矩陣， Jacobian矩陣是局部線性化的基礎(chǔ)， 在求矩陣的基礎(chǔ)上才能完成線性化， 但是Jacobian 矩陣計(jì)算量非常大， 極大的影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度[24，42]。 所以， 目前在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)方面一般不采用EKF。

無跡卡爾曼濾波（UKF）利用采樣策略實(shí)現(xiàn)濾波。 一般UKF的計(jì)算量與EKF相當(dāng)， 但UKF的濾波精度高、 魯棒性強(qiáng)， 因此在實(shí)際應(yīng)用中常采用UKF代替EKF[15，24]。 文獻(xiàn)[15] 仿真比較了UKF和EKF兩種非線性濾波技術(shù)的性能， 結(jié)果表明， 在同等條件下， UKF明顯優(yōu)于EKF。 文獻(xiàn)[17]也針對(duì)UKF的應(yīng)用進(jìn)行了建模仿真， 證明在合適的匹配模型下UKF能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高精度。

針對(duì)系統(tǒng)的不確定性和隨機(jī)信息， 自適應(yīng)濾波有著比傳統(tǒng)Kalman濾波更好的適應(yīng)性和更優(yōu)的濾波性能， 近年來在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)方面逐漸得到應(yīng)用。 梁浩提出通過分析狀態(tài)參數(shù)確定各量測(cè)參數(shù)的可觀測(cè)性， 然后利用濾波增益衰減法處理觀測(cè)效果差的狀態(tài)分量， 達(dá)到了更好的濾波估計(jì)精度[43]； 王勇軍提出了一種結(jié)合模糊邏輯控制器與卡爾曼濾波的模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波方法， 對(duì)不確定性量測(cè)噪聲有更好的抑制效果， 對(duì)準(zhǔn)時(shí)間及精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)卡爾曼濾波[4]。

針對(duì)艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中大桿臂、 動(dòng)態(tài)條件下?lián)锨鷹U臂和慣性器件誤差等不確定性引起誤差問題， 濾波將這些不確定誤差看作是一種能量有限的量測(cè)噪聲， 利用其算法的魯棒性能很好的排除其干擾， 達(dá)到較好的濾波精度[3，34，44]。

除了上述主要的濾波算法之外， 學(xué)者還提出了一些效果不錯(cuò)的濾波算法， 如梁浩優(yōu)化的自適應(yīng)濾波算法， 精度與傳統(tǒng)UKF相當(dāng)， 但減少了積分點(diǎn)數(shù)， 提高了計(jì)算效率[45]； 黃湘遠(yuǎn)結(jié)合簡(jiǎn)化CKF和降維CKF， 減少了計(jì)算量， 具有更大的應(yīng)用范圍[46]等。 未來將會(huì)有更多更優(yōu)質(zhì)的濾波算法提出， 而針對(duì)艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)， 應(yīng)綜合考慮算法的使用范圍、 精確度、 魯棒性以及實(shí)時(shí)性等問題， 選擇合適的濾波算法。

3總結(jié)與展望

本文介紹了艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)， 與其他對(duì)準(zhǔn)技術(shù)相比， 艦載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)以其特殊的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)準(zhǔn)要求， 與其他對(duì)準(zhǔn)技術(shù)存在共性也有較大的差別。 國(guó)外在艦載機(jī)對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用多年， 但國(guó)內(nèi)在這方面的研究才剛剛起步， 差距十分明顯。

隨著國(guó)內(nèi)航母戰(zhàn)斗編隊(duì)的逐漸成熟， 艦載機(jī)的相關(guān)技術(shù)將是未來一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)。 基于傳遞對(duì)準(zhǔn)的艦載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)理論及仿真研究已經(jīng)較為成熟， 對(duì)準(zhǔn)時(shí)間和對(duì)準(zhǔn)精度也較為滿意。 但在當(dāng)前濾波和補(bǔ)償算法的基礎(chǔ)上， 計(jì)算量無法減少， 限制了對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。 進(jìn)一步的研究對(duì)軟硬件設(shè)施都提出了很高的要求， 難度大、 成本高、 不易普及。 基于此， 可以在以下方面做出努力：

（1） 研究船體變形模型以補(bǔ)償大桿臂及動(dòng)態(tài)撓曲變形帶來的桿臂誤差；

（2） 由于誤差補(bǔ)償模型建立困難， 可研究魯棒性更好、 性能更加優(yōu)越的濾波算法， 如自適應(yīng)濾波和粒子濾波技術(shù)， 并關(guān)注艦體模型的研究；

（3） 基于傳遞對(duì)準(zhǔn)時(shí)間和精度的矛盾， 可研究其他的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)， 如攝像測(cè)量技術(shù)具有高精度、 非接觸和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)， 在對(duì)準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 當(dāng)前， 此方面的研究文獻(xiàn)較少， 學(xué)者可適當(dāng)關(guān)注。

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