航姿系統(tǒng)航向精度高緯度評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)

郭正東 奔粵陽 崔文婷

研究論文

航姿系統(tǒng)航向精度高緯度評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)

郭正東1奔粵陽2崔文婷2

(1海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199;2哈爾濱工程大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)傳統(tǒng)慣性航姿系統(tǒng)高緯度地區(qū)不能提供可靠航向參考的問題, 將基于橫坐標(biāo)系的機(jī)械編排技術(shù)方案應(yīng)用于航姿系統(tǒng)的姿態(tài)解算。針對(duì)高緯度應(yīng)用需求, 提出了航向精度指標(biāo)的相對(duì)評(píng)價(jià)法, 消除了緯度變化對(duì)于誤差變化的影響。設(shè)計(jì)高緯度導(dǎo)航性能航行搭載測(cè)試試驗(yàn)方案, 并完成了極地科考航行試驗(yàn), 結(jié)果表明采用橫向機(jī)械編排的光纖航姿設(shè)備可作為高緯度地區(qū)的姿態(tài)參考系統(tǒng)。

航姿系統(tǒng) 高緯度導(dǎo)航 評(píng)價(jià)方法 橫向機(jī)械編排

0 引言

近年來, 全球變暖導(dǎo)致北極地區(qū)冰蓋融化, 使得北極航道航運(yùn)價(jià)值凸顯[1], 北冰洋地區(qū)的油氣資源開發(fā)利用成為可能[2-4]。北冰洋的戰(zhàn)略地位重要, 世界各國(guó)針對(duì)北冰洋的空間和資源爭(zhēng)奪日趨激烈?？梢灶A(yù)見, 越來越多的船舶將會(huì)進(jìn)入北極, 開展商業(yè)航行、科學(xué)考察、海上采油等活動(dòng)。

眾所周知, 導(dǎo)航是保障海上活動(dòng)的前提。不管是平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng), 還是激光或光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng), 采用現(xiàn)有常規(guī)機(jī)械編排, 其在高緯度工作時(shí)存在精度下降、定向困難、計(jì)算溢出等問題[5-7], 直接影響到船舶的操縱指揮和控制系統(tǒng), 進(jìn)而影響海上的航行安全和作業(yè)。

針對(duì)上述問題, 本文擬基于橫向編排的光纖航姿系統(tǒng), 研究高緯度條件下的航向精度評(píng)價(jià)方法, 通過航行搭載的方式開展測(cè)試, 以檢驗(yàn)方法的科學(xué)性, 以期為其他工程應(yīng)用提供參考。

1 光纖航姿系統(tǒng)的橫向機(jī)械編排

針對(duì)航姿系統(tǒng)常規(guī)機(jī)械編排在高緯度地區(qū)存在的一系列問題, 本文擬根據(jù)航行緯度的不同在兩種導(dǎo)航方案中進(jìn)行切換, 即: 航行在高緯度地區(qū)時(shí)選擇橫坐標(biāo)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)機(jī)械編排[8-9], 而航行在中低緯度時(shí)仍采用常規(guī)地理坐標(biāo)系下的機(jī)械編排, 利用地理坐標(biāo)系統(tǒng)和橫坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系, 從而實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在高、低緯的自由切換[10-11]。

1.1 橫坐標(biāo)系建立過程

圖1 橫坐標(biāo)系定義

Fig.1. Transversal coordinate system

1.2 航姿系統(tǒng)的姿態(tài)解算

姿態(tài)角速率為

由于四元數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)便, 不需要像方向余弦法那樣求解9個(gè)未知量的線性方程組, 只需求解四個(gè)微分方程, 并且不需要參與計(jì)算三角函數(shù)運(yùn)算, 只是涉及加減法與乘法運(yùn)算, 硬件消耗資源低, 使得其算法在微處理器上運(yùn)行有優(yōu)勢(shì), 因而在工程上被廣泛使用。

姿態(tài)四元數(shù)的微分方程可以表示為:

1.3 高緯度姿態(tài)轉(zhuǎn)換

綜上所述, 可以在機(jī)械編排切換時(shí)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息在兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的自由轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)將航姿系統(tǒng)在高緯度的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下的姿態(tài), 可供導(dǎo)航使用。

2 航姿系統(tǒng)精度評(píng)定方法

航姿系統(tǒng)指向精度已有成熟的評(píng)價(jià)方法, 大都是基于數(shù)值結(jié)果的絕對(duì)評(píng)價(jià)。為了消除緯度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響, 精度考核往往根據(jù)測(cè)試緯度不同, 按照一定緯度差來分段進(jìn)行。在高緯度環(huán)境條件下, 緯度的微小變化, 在地理坐標(biāo)系下的航向值會(huì)有明顯改變。

2.1 航向精度指標(biāo)的絕對(duì)評(píng)價(jià)法

現(xiàn)有航姿系統(tǒng)給出的航向精度指標(biāo)通常與緯度的余弦值成反比, 其表示的是航姿系統(tǒng)在本地的指向誤差大小。因此, 隨著緯度的升高, 航向精度會(huì)逐步降低。當(dāng)艦船由低緯度航行至高緯度地區(qū)時(shí), 航向精度指標(biāo)將逐步增大, 理論關(guān)系如下:

綜上, 若采用航向精度指標(biāo)的絕對(duì)評(píng)價(jià)法, 在高緯度條件下無法對(duì)航姿設(shè)備進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

2.2 航向精度指標(biāo)的相對(duì)評(píng)價(jià)法

通過該百分比的比值大小, 可對(duì)航向精度進(jìn)行有效的評(píng)估。航向精度百分比小于100%時(shí), 符合原精度指標(biāo)要求, 否則超差。

3 試驗(yàn)與分析

2018年7月20日—9月26日, 哈爾濱工程大學(xué)在我國(guó)第九次北極科學(xué)考察中, 對(duì)光纖航姿系統(tǒng)開展了航行搭載試驗(yàn), 試驗(yàn)最高緯度為84.8°N。

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

為了研究問題方便, 暫以緯度70°進(jìn)行區(qū)分, 根據(jù)雪龍船航跡, 可將航向精度比對(duì)試驗(yàn)劃分為3個(gè)階段: 第一階段為從低緯度至高緯度航渡, 第二階段是高緯度比對(duì)測(cè)試階段, 第三階段是高緯度至低緯度航渡。每一階段中, 以高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)信息為參照, 采用相對(duì)評(píng)價(jià)法給出當(dāng)?shù)厮焦潭ㄖ副背Ｒ?guī)機(jī)械編排方法(以下稱常規(guī)方法)和橫向機(jī)械編排方法(以下稱本文方法)的航向比對(duì)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

第一階段試驗(yàn)起止時(shí)間為第九次北極科考開始至第250小時(shí), 雪龍船由上海航行至70°N附近, 歷時(shí)10余天。采用相對(duì)評(píng)價(jià)法分別對(duì)常規(guī)機(jī)械編排方法(常規(guī)方法)和橫向機(jī)械編排方法(本文方法)進(jìn)行評(píng)價(jià), 并給出基于這兩種不同機(jī)械編排的航向比對(duì)結(jié)果, 如圖2所示。

圖2的上圖為雪龍船航跡, 緯度從30°至70°左右變化。圖2的下圖為常規(guī)方法、本文方法給出的光纖航姿系統(tǒng)的航向誤差比對(duì)結(jié)果。不難看出: 其一, 在緯度70°以下, 兩種方法幾乎看不出差別; 其二, 相對(duì)評(píng)價(jià)方法數(shù)值大都囿于25%以內(nèi), 且數(shù)值不存在大于1的情況, 表明該航姿系統(tǒng)的指向精度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

第二階段為第250小時(shí)至第1 150小時(shí), 雪龍船航行在高緯度地區(qū), 緯度最高時(shí)達(dá)84.8°。采用相同的處理方法, 不難得到航向比對(duì)結(jié)果如圖3所示。

從圖3不難看出: 隨著緯度升高, 兩種方法的差異性開始顯現(xiàn), 尤其是在第700小時(shí)—第900小時(shí)的航行時(shí)間段, 緯度大于80°時(shí), 采用常規(guī)方法的相對(duì)航向誤差存在大于1的情況, 表明其性能低于設(shè)置指標(biāo)值; 相比之下, 采用本文方法的相對(duì)航向誤差都控制在50%以內(nèi), 表明其性能高于設(shè)置指標(biāo)值。

圖2 第0—250小時(shí)航向精度比對(duì)結(jié)果

Fig.2. The heading accuracy from the 0th hour to 250th hour

圖3 第250—1150小時(shí)航向精度比對(duì)結(jié)果

Fig.3. The heading accuracy from the 250th hour to 1 150th hour

第三階段為第1 150小時(shí)—第1 700小時(shí), 雪龍船由高緯度地區(qū)返回上海。采用前述方法, 獲得航向比對(duì)結(jié)果如圖4所示。將圖4和圖2進(jìn)行比較, 可得出與第一階段相同的試驗(yàn)結(jié)論, 此處不再討論。

圖4 1 150—1 700小時(shí)航向精度比對(duì)結(jié)果

Fig.4. The heading accuracy from the 1 150th hour to 1 700th hour

3.3 分析與討論

為了更直觀地呈現(xiàn)出兩種方法的差異性, 采用最大值法, 將三個(gè)試驗(yàn)階段中光纖航姿系統(tǒng)的航向精度比對(duì)結(jié)果列在表1中。

表1 航向精度比對(duì)表

可以看出: 在中低緯度地區(qū), 即第1和第3階段, 兩種方法的航向精度比對(duì)結(jié)果優(yōu)于55%, 均能滿足設(shè)計(jì)要求。在高緯度地區(qū), 即第2階段, 采用常規(guī)方法的光纖航姿系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)航向精度超差問題, 誤差最大值達(dá)142%, 表明其已不能滿足設(shè)計(jì)要求。相比之下, 在試驗(yàn)全過程中, 采用橫向機(jī)械編排方法光纖航姿系統(tǒng)的精度始終優(yōu)于50%, 且從未出現(xiàn)航向精度超差問題, 可滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了橫向機(jī)械編排方法, 并將該方法應(yīng)用于航姿系統(tǒng)的姿態(tài)解算中, 針對(duì)高緯度應(yīng)用需求提出了航向精度指標(biāo)的相對(duì)評(píng)價(jià)法, 消除了緯度變化對(duì)于誤差評(píng)價(jià)的影響。極地科考航行試驗(yàn)結(jié)果表明: 采用本文姿態(tài)解算方法, 光纖航姿系統(tǒng)的航向精度比常規(guī)機(jī)械編排方法的精度提高了50%, 試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Accuracy Evaluation and Testing of an AHRS in High-Latitude Areas

Guo Zhengdong1, Ben Yueyang2, Cui Wenting2

(1Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China;2College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The traditional attitude and heading reference system (AHRS) cannot provide reliable heading data in high-latitude areas. To address this problem, mechanization based on transverse coordinates for an AHRS is proposed for attitude and heading calculations. In terms of the requirements of accuracy evaluations in-high latitude areas, the relative specification evaluation method was employed to remove the adverse effect of latitude variance. Moreover, a scenario of a sailing trial for high-latitude navigation was designed, and a corresponding polar trial was carried out. The trial results showed that a fiber-optic gyro-compass using mechanization based on transverse coordinates could serve as a reliable AHRS in high-latitude areas.

AHRS, polar navigation, evaluation method, transverse coordinate mechanization

2020年3月收到來稿, 2020年4月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(51979047)、國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目(JCKY2019604D003)、工信部高技術(shù)船舶項(xiàng)目(MC-201919-C11)資助

郭正東, 男, 1977年生。博士研究生, 主要從事水下導(dǎo)航研究。E-mail: g_zh_d@aliyun.com

10. 13679/j.jdyj.20200029