王晗瑜,申 強(qiáng),胡寶遠(yuǎn),鄧子龍,李 巖
(1. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京 100081;2. 北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心,重慶 401120;3. 西北工業(yè)集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)二所,西安 710043)
二維彈道修正彈藥是一類介于無(wú)控炮彈與制導(dǎo)炮彈之間的新型信息化彈藥,通過(guò)彈載導(dǎo)航及彈道參數(shù)測(cè)量、簡(jiǎn)易修正模塊提高打擊精度,減少附帶毀傷。其中,彈體姿態(tài)信息用于加速度計(jì)測(cè)量信號(hào)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、彈體姿態(tài)控制等,姿態(tài)估計(jì)精度直接影響彈道修正精度。
地磁傳感器是目前國(guó)際上低成本修正彈藥最主要的姿態(tài)測(cè)量手段,但精度偏低,測(cè)姿誤差最大可達(dá)10°,無(wú)法滿足彈體姿態(tài)控制要求,且極易受到強(qiáng)磁環(huán)境干擾,彈體飛行方向平行于地磁場(chǎng)方向時(shí),存在奇異值。隨著微機(jī)電慣性傳感器成本降低、體積縮小、抗過(guò)載能力加強(qiáng),其在智能彈藥上的應(yīng)用逐漸成為可能?;诙嗉铀俣扔?jì)的無(wú)陀螺慣性測(cè)量方法標(biāo)定及計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,精度受安裝結(jié)構(gòu)影響較大,且無(wú)法滿足彈道修正彈藥成本低、傳感器數(shù)量少的要求,工程實(shí)現(xiàn)可行性較低。結(jié)合彈體飛行動(dòng)力學(xué)的微慣性姿態(tài)測(cè)量方法依賴于對(duì)系統(tǒng)模型和初始姿態(tài)的準(zhǔn)確描述,計(jì)算成本高且不適用于滾轉(zhuǎn)姿態(tài)完全未知的炮射彈藥?;谛l(wèi)星/微慣性傳感器的組合測(cè)姿方法可實(shí)現(xiàn)低成本滾轉(zhuǎn)姿態(tài)解算,但是衛(wèi)星信號(hào)易受到電磁干擾,戰(zhàn)時(shí)強(qiáng)對(duì)抗條件下可用性嚴(yán)重降低。無(wú)線電信標(biāo)技術(shù)已用于一些武器的陸基導(dǎo)航,發(fā)展無(wú)線電信標(biāo)/微慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于提高彈道修正彈藥戰(zhàn)場(chǎng)生存能力具有重要意義。Wright等驗(yàn)證了基于無(wú)線電信標(biāo)測(cè)量位置速度的可行性,指出當(dāng)彈體位于信標(biāo)上方、信標(biāo)布設(shè)分散且有幾十米高程差情況下,可以達(dá)到與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同等的測(cè)量精度。然而實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,對(duì)于射程一般在十幾到幾十公里的炮射彈藥,信標(biāo)僅可在炮位區(qū)域布設(shè),布設(shè)個(gè)數(shù)、范圍及地形有限,往往無(wú)法提供長(zhǎng)時(shí)間、高精度、完整的三維測(cè)量信息,估計(jì)彈體姿態(tài)時(shí)可觀性較差。
初始對(duì)準(zhǔn)是慣性導(dǎo)航精確解算的前提,炮射彈藥發(fā)射后彈丸滾轉(zhuǎn)角處于隨機(jī)狀態(tài)。為解決捷聯(lián)慣導(dǎo)大失準(zhǔn)角空中初始化這一問(wèn)題,孟東等、梅春波等建立了非線性卡爾曼濾波模型,Wang等、梅春波等建立了基于四元數(shù)的卡爾曼濾波模型。這些方法計(jì)算復(fù)雜,收斂速度慢,初始失準(zhǔn)角過(guò)大時(shí)模型失效,無(wú)法滿足炮射彈道修正彈藥需要;同時(shí),微慣導(dǎo)噪聲源復(fù)雜,零偏特性受到高過(guò)載沖擊后會(huì)發(fā)生改變,難以精確建模。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性函數(shù)逼近能力和容錯(cuò)能力,因此一些學(xué)者提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型替代卡爾曼濾波的初始對(duì)準(zhǔn)方法,Rafatnia等建立了遞歸小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)了微慣性傳感器非高斯白噪聲和不確定偏差情況下的動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn),顯著提高了對(duì)準(zhǔn)精度。但是該方法需要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)訓(xùn)練,不適用于計(jì)算能力有限、飛行時(shí)間較短的彈道修正彈藥。
考慮到彈道修正彈藥發(fā)射后彈道特征已知,本文提出了利用彈道模型線下預(yù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),擬合初始滾轉(zhuǎn)角與觀測(cè)信息間非線性映射關(guān)系的方法,提高粗對(duì)準(zhǔn)速度與精度。由于炮口處少量信標(biāo)測(cè)量信息與姿態(tài)耦合關(guān)系較弱,失準(zhǔn)角為弱可觀狀態(tài),本文顯性提取了捷聯(lián)慣導(dǎo)自身測(cè)量參數(shù)作為輸入神經(jīng)元,提高了網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)精度。
本文的結(jié)構(gòu)安排為:首先建立初始滾轉(zhuǎn)角與捷聯(lián)慣導(dǎo)、無(wú)線電信標(biāo)測(cè)量參數(shù)的函數(shù)模型,為建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型奠定理論基礎(chǔ);然后采用主成分分析法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)合彈體飛行過(guò)程生成訓(xùn)練、測(cè)試數(shù)據(jù);最后通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證函數(shù)模型及提出的網(wǎng)絡(luò)模型在對(duì)準(zhǔn)速度、精度和適用失準(zhǔn)角范圍等方面的優(yōu)越性,且具有很好的魯棒性。
本文定義的相關(guān)坐標(biāo)系如圖1所示。
圖1 彈體坐標(biāo)系與發(fā)射坐標(biāo)系Fig.1 Body coordinate system and launching coordinate system
(2)發(fā)射坐標(biāo)系。原點(diǎn)是發(fā)射點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的投影,軸為彈道面和水平面的交線,射向?yàn)檎?軸鉛直向上,軸與軸、軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系指向鉛直面右方。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文取射擊方位角為0°??紤]到彈道修正彈藥射程近(小于50 km),飛行時(shí)間短,且微機(jī)電陀螺儀精度較低,因此將發(fā)射坐標(biāo)系作為導(dǎo)航參考坐標(biāo)系系,并忽略地球自轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響。
考慮實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)無(wú)線電信標(biāo)布設(shè)的簡(jiǎn)便性及快速性要求,在炮口左右兩側(cè)m各布設(shè)一信標(biāo)。信標(biāo)在發(fā)射坐標(biāo)系下坐標(biāo)分別為=(0,0,),=(0,0,-)。
根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)反演算法,發(fā)射坐標(biāo)系下的比力經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后可以得到彈體坐標(biāo)系下比力。
(1)
(2)
(3)
(4)
式(3)~(4)表示了陀螺儀測(cè)量角速度與滾轉(zhuǎn)角之間的非線性函數(shù)模型,且僅軸、軸角速度與滾轉(zhuǎn)角存在映射關(guān)系。
(5)
由式(1)可知是滾轉(zhuǎn)角的函數(shù),因此可得到導(dǎo)航系下比力與滾轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)模型。
(6)
(7)
(8)
(9)
式中:δ為捷聯(lián)慣導(dǎo)解算速度誤差,δ為捷聯(lián)慣導(dǎo)解算位置誤差,()為的反對(duì)稱陣,定義見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。
圖2 5 s內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)解算積累的距離、距離率誤差Fig.2 Accumulated range and rate errors of SINS within 5 s
卡爾曼濾波模型的狀態(tài)量包括彈體在發(fā)射坐標(biāo)系下的3維位置、速度和轉(zhuǎn)速。即:
(10)
狀態(tài)方程為剛體4D彈道方程,狀態(tài)方程及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣()見(jiàn)文獻(xiàn)[14]中相關(guān)結(jié)論。
觀測(cè)量為信標(biāo)接收機(jī)輸出的距離和距離率:
(11)
觀測(cè)方程為
(12)
(13)
(14)
在第1節(jié)中建立了與初始滾轉(zhuǎn)角有關(guān)的函數(shù)模型,傳統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)方法在上述函數(shù)基礎(chǔ)上建立非線性卡爾曼濾波模型,收斂速度慢,失準(zhǔn)角較大時(shí)模型失效,不適用于炮射彈道修正彈藥。根據(jù)Kolmogorov定理,三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)足夠的情況下,就可對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行無(wú)限逼近。因此,可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一特性逼近式(1)~(5)、式(8),對(duì)彈體滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行快速估計(jì)。
(15)
(16)
式(15)選擇的輸入特征之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,訓(xùn)練時(shí)容易陷入局部最小值點(diǎn),模型泛化能力變差。因此,本文采用了主成分分析(Principal components analysis,PCA)的方法進(jìn)行特征提取,將原始輸入變量線性變換為一組不相關(guān)的主成分,同時(shí)盡可能保留原始變量中的主要信息。該算法詳細(xì)步驟如下:
對(duì)于維輸入變量,每維變量有個(gè)樣本,即:
(17)
1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。
2) 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣。
3) 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值(=1,2,…,)及相應(yīng)的特征向量,并按照特征值降序排列。
4) 根據(jù)式(18)~(19)計(jì)算各特征值的貢獻(xiàn)率(=1,2,…,)和累積貢獻(xiàn)率(=1,2,…,),選擇累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95%以上的特征值作為主成分。
(18)
(19)
生成測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí),不僅考慮了實(shí)測(cè)慣性傳感器靜態(tài)噪聲及信標(biāo)接收機(jī)模擬噪聲,并且為驗(yàn)證模型泛化能力,設(shè)置了射角、俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差不在訓(xùn)練范圍內(nèi)以及信標(biāo)位置存在誤差的測(cè)試環(huán)境,參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。其中,射角間隔在測(cè)試環(huán)境A中設(shè)置為1°,其他測(cè)試環(huán)境中設(shè)置為2°,俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差間隔均為1°。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置Table 1 Test data parameters set
初始滾轉(zhuǎn)角與慣導(dǎo)自身參數(shù)函數(shù)關(guān)系驗(yàn)證
以某型榴彈彈體飛行軌跡為例,射角35°,初始合速度930 m/s時(shí),飛行總時(shí)間為96 s,總射程為29.34 km。令=5 s,=10 s,圖3驗(yàn)證了由式(1)~(9)表示的非線性函數(shù)(以軸為例),并引入了傳感器實(shí)測(cè)噪聲。其中加速度計(jì)零偏均值分別為1.15×10,2.8×10,9.2×10,陀螺儀零偏均值分別為27.86(°)/h,49.97(°)/h和2.58(°)/h。
圖3 初始滾轉(zhuǎn)角與x軸比力、角速度關(guān)系Fig.3 Relations between the initial roll angle and x-axis specific force and angle rate
初始滾轉(zhuǎn)角與測(cè)距測(cè)速誤差函數(shù)關(guān)系驗(yàn)證
圖4 濾波后左側(cè)信標(biāo)測(cè)量距離、距離率精度隨滾轉(zhuǎn)角變化Fig.4 Curves of the filtered range error and range rate error measured by the left beacon with the roll angle
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用單隱藏層結(jié)構(gòu),隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5,由帶動(dòng)量因子的和具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率梯度下降的traingdx函數(shù)訓(xùn)練,最大訓(xùn)練輪數(shù)設(shè)置為5000。根據(jù)式(18)~(19),前6維主成分累計(jì)可信度可達(dá)99.89%。因此,本文建立的PCA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元為6維。
用于模型評(píng)價(jià)的精密度指標(biāo)為預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差(RMSE),準(zhǔn)確度指標(biāo)包括平均絕對(duì)誤差(MAE)與最大絕對(duì)誤差(Max-AE)。
多輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度評(píng)估
表2 模型一、二預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Prediction results of Model 1 and Model 2
可以看出,在測(cè)試環(huán)境A下,模型一的預(yù)測(cè)精密度及準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模型二。這說(shuō)明,僅依賴于炮口信標(biāo)提供的距離、距離率信息的模型可觀測(cè)度很差,增加捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量信息作為輸入層神經(jīng)元可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度。
模型快速性及適用失準(zhǔn)角范圍評(píng)估
炮射彈道修正彈飛行時(shí)間較短,且發(fā)射后滾轉(zhuǎn)角處于隨機(jī)狀態(tài),模型必須實(shí)現(xiàn)任意初始狀態(tài)下快速對(duì)準(zhǔn)。本模型中,無(wú)線電信標(biāo)測(cè)速精度是制約粗對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的主要影響因素,即只有當(dāng)濾波之后的測(cè)量噪聲小于(-)時(shí)間內(nèi)積累的距離率誤差時(shí),該對(duì)準(zhǔn)模型才是有效的。
為有效評(píng)估本模型的快速性,分別模擬了無(wú)線電信標(biāo)測(cè)速誤差為0.1 m/s,0.5 m/s和1 m/s時(shí)所需的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波之后,無(wú)線電信標(biāo)測(cè)速誤差分別為0.034 m/s,0.163 m/s和0.341 m/s。不同對(duì)準(zhǔn)時(shí)間下,距離率誤差隨滾轉(zhuǎn)角變化的平均絕對(duì)值見(jiàn)表3,因此,當(dāng)無(wú)線電信標(biāo)測(cè)速誤差為0.1 m/s時(shí),需滿足對(duì)準(zhǔn)時(shí)間≥10 s;測(cè)速誤差為0.5 m/s時(shí),需滿足≥17 s;測(cè)速誤差為1 m/s時(shí),需滿足≥20 s。
表3 不同時(shí)刻下平均絕對(duì)距離率誤差Table 3 Average absolute range rate errors at different times
以射角35°為例,在A組測(cè)試環(huán)境下,模擬了不同測(cè)速精度的信標(biāo)輔助下,對(duì)準(zhǔn)精度隨對(duì)準(zhǔn)時(shí)間變化,見(jiàn)表4??梢钥闯?對(duì)準(zhǔn)時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)準(zhǔn)精度越高,但受到網(wǎng)絡(luò)模型限制,超過(guò)一定時(shí)間,對(duì)準(zhǔn)精度提高不再明顯,因此實(shí)際應(yīng)用時(shí),取網(wǎng)絡(luò)模型最短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn),再切換到精對(duì)準(zhǔn),可提高對(duì)準(zhǔn)效率。
表4 對(duì)準(zhǔn)結(jié)果與信標(biāo)測(cè)速誤差、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系Table 4 Relations between the alignment results and the beacon-measured range rate errors and alignment time
少量信標(biāo)輔助下,線性卡爾曼濾波可快速收斂的最大初始誤差范圍在20°~30°,因此假定30 s內(nèi)滾轉(zhuǎn)角誤差可收斂到25°內(nèi)時(shí),該粗對(duì)準(zhǔn)模型有效。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的粗對(duì)準(zhǔn)模型快速性及失準(zhǔn)角適用范圍廣泛性,以射角35°為例,在A組測(cè)試環(huán)境下,對(duì)比了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman filter, EKF)的非線性卡爾曼對(duì)準(zhǔn)模型和基于加性四元數(shù)誤差(Additive quaternion error, AQE)的線性卡爾曼對(duì)準(zhǔn)模型,可有效收斂的初始失準(zhǔn)角范圍和該范圍內(nèi)最大失準(zhǔn)角下完成粗對(duì)準(zhǔn)所需時(shí)間見(jiàn)表5。不同初始誤差下的對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如圖5所示,其中PCA-BPNN模型以信標(biāo)測(cè)速誤差為1 m/s為例??梢钥闯?本文提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的粗對(duì)準(zhǔn)模型可在任意失準(zhǔn)角范圍內(nèi)快速完成粗對(duì)準(zhǔn),其適用角度廣泛性和快速性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的卡爾曼濾波方法。
表5 不同模型適用失準(zhǔn)角范圍和對(duì)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)比Table 5 Comparison of applicable misalignment angle ranges and alignment time of different models
圖5 不同模型粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the coarse alignment results of different models
模型魯棒性評(píng)估
為評(píng)估本文提出的粗對(duì)準(zhǔn)模型在實(shí)際作戰(zhàn)使用時(shí)的魯棒性,以信標(biāo)測(cè)速誤差0.1 m/s為例,在射角未在訓(xùn)練范圍內(nèi)的場(chǎng)景B、射角與初始俯仰角誤差均不在訓(xùn)練范圍內(nèi)的場(chǎng)景C及考慮信標(biāo)布設(shè)位置誤差的場(chǎng)景D下進(jìn)行測(cè)試,并與未進(jìn)行優(yōu)化的BPNN進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表6。其中同一測(cè)試環(huán)境下精度較高的結(jié)果用粗體表示。
從表6可以看出,三種測(cè)試場(chǎng)景下,PCA-BPNN的均方根誤差和平均絕對(duì)誤差在8°以內(nèi),最大絕對(duì)誤差在25°以內(nèi),且能在發(fā)射后10 s前完成,滿足彈道修正彈粗對(duì)準(zhǔn)精度要求。
表6 不同測(cè)試環(huán)境下BPNN和PCA-BPNN預(yù)測(cè)結(jié)果Table 6 Prediction results of BPNN and PCA-BPNN in various testing environments
同信標(biāo)布設(shè)位置誤差相比,未在訓(xùn)練范圍內(nèi)的射角和初始俯仰角誤差對(duì)最大絕對(duì)誤差值影響較大。因此使用時(shí)盡量對(duì)所有可能的射角范圍和初始俯仰角誤差范圍進(jìn)行訓(xùn)練,以獲得更高的對(duì)準(zhǔn)精度;本方法對(duì)信標(biāo)布設(shè)精度沒(méi)有很高的要求,實(shí)際應(yīng)用具有較高的簡(jiǎn)便性。
同BPNN相比,本文提出的PCA-BPNN模型在B, C, D多種測(cè)試環(huán)境下預(yù)測(cè)精密度和準(zhǔn)確度均明顯優(yōu)于BPNN。建立的PCA-BPNN不僅由較少的輸入變量組成,具有簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在彈載計(jì)算機(jī)上離線應(yīng)用時(shí)計(jì)算量小;并且由于輸入數(shù)據(jù)降維有利于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化迭代,提高了網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精度和泛化能力。
綜上所述,與基于非線性卡爾曼濾波進(jìn)行大失準(zhǔn)角粗對(duì)準(zhǔn)的經(jīng)典方法不同,本文提出的方法結(jié)合彈道模型線下訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在應(yīng)用時(shí)僅需將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)保存到彈載計(jì)算機(jī)中,計(jì)算簡(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn),對(duì)準(zhǔn)速度快,在-180°~180°的失準(zhǔn)角范圍內(nèi)都具有較高精度。
針對(duì)炮射彈藥發(fā)射后滾轉(zhuǎn)角完全未知且信標(biāo)測(cè)量值可觀性較差的難點(diǎn),本文提出了結(jié)合彈道模型建立優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行線下訓(xùn)練,并加入捷聯(lián)慣導(dǎo)參數(shù)作為輸入神經(jīng)元的快速粗對(duì)準(zhǔn)方法。仿真結(jié)果表明,無(wú)論失準(zhǔn)角大小,本文提出的粗對(duì)準(zhǔn)方法均可在發(fā)射后10 s內(nèi)快速完成對(duì)準(zhǔn),相比于傳統(tǒng)基于卡爾曼濾波的對(duì)準(zhǔn)方法,快速性、對(duì)準(zhǔn)范圍及魯棒性均明顯提高,為炮射彈道修正彈藥出炮口后任意滾轉(zhuǎn)角條件下的快速粗對(duì)準(zhǔn)提供了參考。