彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)簡易在線標(biāo)定方案研究

王海亮，石志勇，李國璋，王律化

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003；2.解放軍第96864部隊，河南 洛陽 471000)

對遠程火箭彈的制導(dǎo)化改造已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[1]，受成本的限制，改造使用的慣性器件(陀螺和加速度計)精度都比較低，而且器件誤差還會隨著時間及使用環(huán)境的變化而變化，因此為了提高火箭彈的打擊精度，發(fā)射前必須對彈載慣性器件進行標(biāo)定并通過補償算法來提高慣導(dǎo)的解算精度[2-4]。

慣導(dǎo)標(biāo)定是一項非常復(fù)雜的工作。之前的研究中，慣導(dǎo)標(biāo)定都需要將慣性器件從載體上拆下來，利用實驗室專門的標(biāo)定設(shè)備進行標(biāo)定，過程復(fù)雜，耗時長，且對標(biāo)定的環(huán)境和操作人員要求都比較高[5-6]。為了提高標(biāo)定效率，降低標(biāo)定成本，很多學(xué)者對彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在線標(biāo)定技術(shù)進行了研究，取得了豐碩的成果。文獻[7]利用發(fā)射車進行陣地轉(zhuǎn)移時加入彈體的水平、起豎機動來激勵誤差參數(shù)進行標(biāo)定，但只標(biāo)定了加計的零偏，并且設(shè)計的線運動比較復(fù)雜；文獻[8]提出一種筒彈不開箱標(biāo)定方法，通過設(shè)計車載著導(dǎo)彈在不同的路面上運動激勵慣性器件誤差并采用最小二乘法對誤差參數(shù)進行辨識，有效提高了慣導(dǎo)的測量精度；文獻[9]通過對系統(tǒng)的可觀測性分析，提出了激勵各誤差參數(shù)的機動路徑設(shè)計原則，并依此設(shè)計了炮車的機動方式，有效標(biāo)定了器件的刻度系數(shù)誤差和零偏誤差；文獻[10]在文獻[9]研究的基礎(chǔ)上加入了彈體的橫滾運動，一定程度上簡化了炮車的機動路徑；其他針對彈載慣導(dǎo)在線標(biāo)定問題的研究主要都集中在設(shè)計不同的機動路徑來激勵誤差參數(shù)[11-15]。雖然上述研究都達到了預(yù)期的標(biāo)定效果，但其設(shè)計的機動方式過于理想化，不利于實際應(yīng)用。

筆者針對當(dāng)前彈載慣導(dǎo)標(biāo)定效率低、炮車機動路徑復(fù)雜的問題，提出一種簡易在線標(biāo)定方案。此方案以車載主慣導(dǎo)輸出的精確速度和姿態(tài)信息為參考，對彈載子慣導(dǎo)各誤差參數(shù)進行在線標(biāo)定，無需將慣性器件從彈體上拆下來，保證標(biāo)定的效率，且在利用炮車常規(guī)機動方式的同時充分利用車體運動過程中的俯仰和橫搖運動，保證在線標(biāo)定過程中對誤差參數(shù)的有效激勵，利用簡單易行的機動方式完成對彈載慣導(dǎo)系統(tǒng)的在線標(biāo)定，具有很強的實際應(yīng)用價值。

1 誤差方程

綜合考慮各慣性器件誤差參數(shù)的影響，為簡化標(biāo)定模型，提高標(biāo)定效率，筆者只考慮陀螺和加速度計的刻度系數(shù)誤差和零偏誤差共計12個主要誤差參數(shù)。

1.1 陀螺儀誤差模型

只考慮陀螺儀刻度系數(shù)誤差和常值漂移誤差時，將陀螺儀各項誤差建立模型如下[16]：

(1)

1.2 加速度計誤差模型

只考慮加速度計的刻度系數(shù)誤差和常值零偏誤差時，將加速度計各項誤差建立模型如下[16]：

(2)

1.3 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程

系統(tǒng)姿態(tài)誤差方程表示如下[17]：

(3)

(4)

系統(tǒng)速度誤差方程表示如下：

(5)

2 濾波算法及路徑分析

2.1 卡爾曼濾波算法

標(biāo)定過程以車載主慣導(dǎo)的速度和姿態(tài)信息作為匹配量，建立系統(tǒng)誤差的狀態(tài)空間模型，得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(6)

其中：

式中：Ve,Vn,Vu分別表示載體三軸向速度；L表示運載體所處緯度；Rm,Rn分別為地球子午圈和卯酉圈半徑；ωie表示地球自轉(zhuǎn)角速度；W表示系統(tǒng)噪聲,各變量定義及計算參見文獻[17]。

系統(tǒng)的量測方程為

Z=HX+V

(7)

2.2 標(biāo)定路徑分析

將上述捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程離散化，并對各誤差參數(shù)進行可觀測分析后設(shè)計標(biāo)定路徑如下：

4)車輛作變加速圓周運動可分離出陀螺刻度系數(shù)誤差kgz以及加速度計兩水平刻度系數(shù)kax、kay。

3 仿真校驗

3.1 仿真條件設(shè)置

設(shè)炮車先靜止30 s，然后在凹凸不平的野戰(zhàn)路面上做變加速直線運動120 s，之后做變加速圓周運動120 s，轉(zhuǎn)過450°之后沿直線行駛減速至0。在直線運動過程中，受野戰(zhàn)條件下路面的影響，炮車的俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律建模如下：

(8)

炮車行駛過程中炮車俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角φ和航偏角ψ的變化曲線如圖1所示。

炮車運動路徑如圖2所示。 設(shè)炮車所在緯度為30°，經(jīng)度為118°，車體坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系之間的安裝誤差角φx=0.5°,φy=1°,φz=0.5°。陀螺隨機漂移為0.01 μrad/s，加速度計隨機零偏為10 μg，速度測量噪聲為0.1 m/s，姿態(tài)測量噪聲為0.01°，各隨機誤差均為白噪聲[17]，濾波器步長為0.05 s。

待標(biāo)定參數(shù)值為：各器件刻度系數(shù)誤差均為1×10-3，陀螺常值漂移為0.4 mrad/s，加速度計零偏為1 mg。

3.2 仿真結(jié)果分析

各誤差參數(shù)的估計結(jié)果如圖3、4所示，其中直線為預(yù)先設(shè)定值，曲線為濾波估計結(jié)果。

由圖3可以看出，加速度計和陀螺的刻度系數(shù)誤差均在30 s內(nèi)全部收斂到預(yù)設(shè)值。由圖4可以看出，加速度計常值零偏誤差在100 s內(nèi)全部收斂到預(yù)設(shè)；陀螺常值漂移在110 s內(nèi)也全部收斂到預(yù)設(shè)值。由于車體行進時俯仰運動幅度較小，對天向加速度計的激勵作用有限，因此天向加速度計的刻度系數(shù)誤差標(biāo)定效果一般。從仿真結(jié)果來看，該方案對彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)各誤差參數(shù)的標(biāo)定效果十分明顯。

4 結(jié)束語

筆者提出了一種彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)簡易在線標(biāo)定方案。該方案不需要將慣性器件從彈體上拆下來，也不需要炮車進行復(fù)雜的機動，而是在利用車體常規(guī)機動的前提下，充分利用車體野戰(zhàn)行進時的橫搖運動及俯仰運動對慣導(dǎo)誤差參數(shù)的激勵作用，借助車載主慣導(dǎo)的精確輸出信息，通過卡爾曼濾波技術(shù)，對陀螺的刻度系數(shù)誤差、常值漂移以及加速度計的刻度系數(shù)誤差、常值零偏進行標(biāo)定，具有較強的實際應(yīng)用價值。但是該標(biāo)定方法只進行了計算機仿真驗證，還需實際跑車試驗驗證。