一种基于舰艇综导信息的快速传递对准方法.pdf

2024年4月第2 期现代导航85一种基于舰艇综导信息的快速传递对准方法代睿1，游金川，张华2（1海军装备部；2 四川航天系统工程研究所，成都6 10 19 9）摘要：当降级采用综导信息进行传递对准时，由于舰艇综导信息与舰载装备距离较远，舰船的挠曲变形、信息时延与不同步对主、子惯导之间的传递对准精度有较大的影响。借鉴大型舰船变形模型，将舰船挠曲变形、量测时延等相关变量列入状态方程，能够显著降低挠曲变形、时延对传递对准精度的影响；并针对不同步量测信息设计序贯卡尔曼滤波器，完成对子惯导姿态的估计。仿真结果表明，该方法满足舰载制导武器传递对准的高精度和快速性要求，具有工程应用价值。关键词：传递对准；挠曲误差；量测时延；量测异步；序贯滤波中图分类号：V249.3文献标志码：A文章编号：16 7 4-7 9 7 6-(2 0 2 4)-0 2-0 8 5-0 6Fast Transfer Alignment Method Based on Ship Integrated Guidance InformationDAI Rui,YOU Jinchuan,ZHANG HuaAbstract:Due to the long distance between ships integrated guidance information and ships guided weapon,shipsdeflection,information delay and non-synchronization have great influence on the accuracy of transfer alignment between master andsub-inertial guidance.Based on the deformation model of large ships,ship deflection,measurement delay and other relevantvariables are included in the equation of state,which can significantly reduce the influence of deflection and delay on the transferalignment accuracy.A sequential Kalman filter is designed to estimate the sub-inertial navigation attitude based on thenon-synchronous measurement information.The simulation results show that the proposed method can meet the requirements of highaccuracy and rapidity of shipborne guided weapon transfer alignment and has engineering application value.Key words:Transfer Alignment;Flexure Model;Time Delay;Out of Sync;Sequential Filter达几十天的纯惯性导航精度。但由于舰船并非刚体，0引言舰载制导武器往往采用传递对准实现动平台初始对准-3。全舰统一姿态基准是舰载制导武器系统协同工作的前提条件，而船体变形是制约大型舰船建立高精度统一姿态基准的关键因素。大型舰船往往装备了甚高精度舰船主惯导系统，能够保证长收稿日期：2 0 2 4-0 1-18。代睿（19 8 4.12），四川自贡人，硕士，工程师，主要研究方向为无线电定向定位、系统测试及信息融合。在实际航行过程中受日晒、海浪冲击等外力作用而产生角度变形，这使得大型舰船上各设备失去了统一的空间基准，影响其信息共享与协同作战能力。学者Mochalov等人所做的研究表明，舰船的静态变形角最大可达1 1.5，其动态挠曲变形角可达数角分。因此，舰载武器系统均采用距离各型武器系统较近的局部基准作为姿态基准以保证传递对准信息的可靠性及准确性4。然而当局部基准发生故障时，为保证作战任务仍能正常执行，通常降级采用距离武器系统较远的86综导信息实现与舰载武器的信息传递。由于大型舰船武器系统距离舰艇综导较远，舰艇挠曲变形对主、子惯导之间的传递对准精度影响不可忽略，尤其是对姿态匹配过程的影响。为实现高精度的传递对准，需要对舰船变形、信息时延与导航数据不同步等因素进行补偿5-6 。本文借鉴大型舰船变形建模成果，对挠曲变形进行合理建模，提高主、子惯导安装误差及长时间待机对准条件下的惯性器件的估计精度，进而提高传递对准精度；并针对异步量测信息设计序贯卡尔曼滤波器，提升系统的可靠性。1坐标系定义及其转换关系1.1坐标系定义研究主要涉及坐标系包括：1）地理坐标系n用ox,y,z,表示，原点位于舰船综导所在惯导系统，ox、o y、o z,分别沿当地水平东、北、天；2）主惯导坐标系b用oxmymzbm表示，原点位于舰载综导系统所在惯导系统，0 xm、0 y mZz m分别沿舰载横轴向右、纵轴向前、立轴向上。3）虚拟基准坐标系b用ox,yhz,表示，原点位于载体重心，b,系与通垂单元所在甲板固连。若舰船甲板不发生变形，则虚拟基准坐标系与主惯导坐标系平行。4）子惯导安装坐标系b,用oxyrZ表示，原点位于载体重心，根据舰船布局，载体沿虚拟基准坐标系oz轴转动一个角度后安装在通垂架内，该角度对具体位置的通垂架而言为定常值。5）载体坐标系b用ox,z表示，原点位于载体重心，ox、o y、O z,轴分别沿实际载体的纵轴向前、立轴向上、横轴向右。舰载武器垂直装载后ox,轴向上。6）虚拟载体坐标系b1现代导航用oxbZh表示，原点位于载体重心，当载体安装于通垂内，由于安装误差的存在，子惯导坐标系与子惯导安装坐标系存在安装误差角。在传递对准过程中，以虚拟载体系作为子惯导坐标系。1.2坐标系间转换关系上述坐标系之间的转换关系如下：1）主惯导坐标系与虚拟主惯导坐标系之间的转换表示为：由于虚拟主惯导坐标系与甲板固联，当甲板发生载性变形时产生转角=，即为b,相对b，系的转角。由于甲板的形变不超过3量级，故b,系与b，系之间的变换矩阵如式（1）所示cm=1-(ax)=-1huL,-元1式中，又可细分为静态变形，和动态变形。2）虚拟主惯导坐标系与子惯导安装坐标系之间的转换表示如式（2）所示cos(Ay)sin(Ay)0=-sin(Ay)cos(Ay)0Ybf0式中，根据载库布局为确定的装订值。3）子惯导安装坐标系与子惯导坐标系之间的姿态转换表示如式（3）所示1Cl=I-(x)=1LM14）虚拟载体坐标系与载体坐标系之间的姿态转换矩阵表示如式（4）所示001b10-10一2024年1元-元,(1)(2)01(3)(4)用ox,yhz表示，原点位于载体重心，oxb1v0yb1OZb1轴分别沿实际载体的横轴向右、纵轴向前、立轴向上。虚拟载体坐标系与载体系存在固定的转换关系。舰载武器垂直装载后，OZ轴向上。7）子惯导坐标系b102船体变形建模根据船体变形测量研究成果，船体的变形角第2 期（总变形角）由两部分组成，分别为静态（或准静态形变角）和动态形变角，其中静态角由温度变化、日光照射等慢变因素导致，动态形变角由海浪冲击、随机风力等快变因素导致，文献6 将船体变形角建模为Mochalov模型，如式（5）所示2=元+02.1准静态变形建模由于舰船的静态变形并非一个常值，而是缓慢变化的过程，故可将其视为“准静态”角形变的范畴，从而建模如式（6）所示,=-+w(C)T式中：t,为相关时间；w(t)为白噪声。2.2.动态挠曲变形建模动态变形角主要由海浪冲击等因素产生，正好代睿等：一种基于舰艇综导信息的快速传递对准方法(5)(6)87与白噪声激励的Markov过程类型一致。另外，船体变形既有惯性又有恢复力矩，即可看作典型的质量一弹簧系统，该Markov过程至少是二阶的6 。记动态变形角如式（7）所示,+2uo,+b,0,=2b.D,u,w(t),i=x,y,z式中：b=+；为动态不规则系数；为动态形变的支配频率；D,为常值系数；w()为均值为0，方差为1的高斯白噪声。3卡尔曼滤波器设计3.1系统方程在现有“速度+姿态”匹配误差模型基础上增加6 维挠曲误差量，包括3维挠曲变形角、3维挠曲变形角速度和1维时间延迟误差，状态量增加到22维7-10，具体如式（8）所示(7)X=()(ov)(e)(V)()(a)T(o)t(8)式中：=为子惯导平台失准角；S=ovSvov】为子惯导速度误差；=e.e,8.了为子惯导陀螺漂移；-V，为子惯导加计漂移；=uM，M】为子惯导安装误差；bf元。=2，了为主子惯导静态挠曲变形角；=.,为主子惯导挠曲变形角速度；St为综导信息时间延迟。系统状态方程如式（9）所示X=AX+WT式中，A为系统矩阵，其表达式如式（10）所示A0157A=06x1501x15式中，A根据常规15维惯性误差状态微分方程确定；A,如式（11）所示B-B2-2.146式中：i=x,y,z；t,=t,=t,=5为相关T时间。(9)3.2量测方程3.2.1主子惯导的姿态误差无时延条件下，设主惯导输出的舰船姿态矩阵015x1A,06x101x71-2-2,-2为C（)，子惯导输出的虚拟载体系姿态矩阵为(10)C(t)，已知子惯导安装坐标系与虚拟基准坐标之1xI间的变换矩阵C，则构造矩阵形式的姿态匹配量测方程如式（12）所示11(11)88Zex=C.(0)C,C;(t)=I-()C(t)CC(t)I+(px)=I+(0-C.C%u-Cm)I+(-Cm.)=I+(Z,x)(12)Z.=0-CCHu-Ca.+V.式中，(V,=-0-Cm.0m传递对准卡尔曼滤波器算法在子惯导系统中进行，综导信息到子惯导系统传输过程中由于传感器需要一定反应时间，将导致综导信息测量信息的现代导航延迟，该传输延迟误差将极大影响传递对准的精度。在传统的速度匹配对准中，通常不考虑时间延迟的影响。但为了实现快速传递对准，在速度量测基础上增加了姿态量测信息，而在高海况条件下，姿态变化较快，传输延迟引起的姿态量测误差较大，必须考虑速度+姿态匹配量测量的时间延迟问题。与此同时，综导姿态、速度信息输出的不同频率，位置信息为全舰位置信息而非综导所在位置信息等问题，都需要予以考虑并精细补偿。设子惯导在t时刻获得主惯导在t-8t 时刻的数据信息（姿态、速度和位置）。假设t时刻的姿态矩阵如式（13）所示2024年cosycosy+sinysiny sin aCm,(o,r,y,t)=-cosysiny+sin ycosy sin?-sincos siny cos sinycosy-cossiny singcosy cosa-sinysiny-cosycosy sin gsin(13)cOSCOsOt-St时刻的姿态矩阵如式（14）所示Ccm.(o,j,j,t-t)=cosjcosy+sinsinjisin-cossinj+sinjcosisin cosi cos-sinjsinji-coscosi sin-sin cos i且两组姿态角满足如下关系0=0+A0=+AyLU=+Ay考虑到St在0 0.1 s量级，、均为小量，从而有sin 0=sin+cosi.0cos 0=cosi-sin i.A0siny=sin+cosj.Aycos=cosj-sinAysiny=sinji+cosyAycosy=cosy-sinyiAy进而可将式（13）改写如式（17）所示Cm(0,y,y,t)=Cm(0,jy,t-St)+ACu(o,j,A0,Ay,Ay)(17)=Cm.(0,i,i,t-St)+ACm.(o,7,y,0,j,y).tsinjicosisinycosi-cossinyisingsinGcoscosO式中，ACu.(o,j,i,Ao,Ay,Ay)=(15)-sinjcosy.j-cossinji.i+cosisinjisini.+sinycosising.ji+sinysinyicosi.sinsini.-coscosi+cosicosisini.(16)-sinjsinji sin ji+sinjcosicosi.o-cosicosi.j+sinysin.0其中，(14)coscos.y-sinsinyi.jicosicosi.i+singsinyising.y-sinji sini.0-cosicosisini.vi-cossinjicosi.o-cossini-sincosivi-sinicoso.i+sincosising.j-cosisini.0+cosisinji sin.vi-coscosicosi.0-sinjcos.jcosi.-cossini.0.St第2 期在此基础上，在考虑时延条件下姿态匹配量测方程如式（19）所示Zpem=Cr.(t-St)C,C,(t)=C(t-St)C,C,(t)=C(t)-ACm StCCn(t)=CL(t)C,C(0)-ACm.C,C(t)ot=I+(0-Ch.C-Cma.)x)+(-P-C.0)-AC CC,(t)-t=I+(o-Cu.C,-Cu2.)+(-p-Cn.0)-9 St从而有z,=0-CCu-Ca,-9.St+V,v,=-9-C.0含时延的速度误差如式（2 1）所示m(t)=vm(t-St)+am(t-St).St在考虑杆臂速度误差补偿之后z,=Pr,(t)-Pm(t-St)=(t)-(m(t)-am(t-St).St)=vh,+abm(t-St).St从而量测方程如式（2 3）所示V。HZ=X+VZH000-CmChibmbf01004序贯处理考虑到综导系统速度信息为慢变量，姿态信息代睿等：一种基于舰艇综导信息的快速传递对准方法A0=i.StAy=.StA=yStCbm0?DX+LV000abm89和速度信息往往不同频，因此，需要对其量测方程进行序贯处理，即只有姿态信息时，量测方程降(18)维为H。，而同时有姿态和速度信息时，量测方程如式（2 4）所示H=(H,)(H,)T5数学仿真以舰载垂发传递对准情况为例，仿真比较分析(19)时延对对准的影响及增加状态后滤波性能。仿真条件如下：1）假设在高海况条件下，舰体的航向角、俯仰角、横滚角做周期变化，如式（2 5）所示V=30+5cos(一t+)32元=7 cos(元t+542元元(20)=10cos(=一t+一672）舰船匀速航行：v=10 m/s3）初始安装误差：=0.30.40.8(21)4）器件误差：陀螺随机常值为&u=0.3/h(=xy），陀螺随机游走s=0.09/Vh(i=x,y,z)，加速度计随机常值偏置为Vb,=1mg(i=x,y,z)在仿真过程中，模拟实际对准过程中存在的传递延迟现象，设置残余时延0.1s，对比是否将时延(22)状态列入状态进行估计的影响。子惯导姿态误差真实值与估计值比较如图1所示。40200-204060(23)-80图1子惯导姿态误差真实值与估计值(24)2元7真实值不进行时延估计进行时延估计102030405060708090100110时间/S(25)90子惯导姿态误差真实值与估计值的比较如图2 所示。100(0)/联￥人-10-20-3040图2 子惯导姿态误差真实值与估计值子惯导姿态误差真实值与估计值，比较如图3所示。0-50-100-150200-250-300-350-400-450-50010203040506070 8090100110时间s图3子惯导姿态误差真实值与估计值时延估计曲线如图4所示。0.250.20.150.10.05020图4时延估计曲线由以上仿真曲线可见，在未考虑主惯导数据传输延迟时间时，在高海况条件下，子惯导姿态误差收敛较慢；而在考虑测量时间延迟后，传递对准的对准时间和对准精度均有很大的提高。姿态误差估计值很快收敛到真值附近，而不会出现大幅振荡，收敛平稳性明显提高。现代导航6结语通过在“速度+姿态”匹配传递对准模型中增加动态挠曲变形模型和主子惯导时间延迟状态量，可以分离估计主子惯导之间的挠曲误差，并能够显著降低高海况条件下主子惯导时间延迟对传递对真实值不进行时延估计进行时延估计2040时间/s4060时间/s2024年准精度的影响，加快传递对准滤波器的收敛速度。设计序贯滤波器，能够适应综导信息姿态和速度量测不同步的问题，从而提高大海况条件下基于综导6080真实值不进行时延估计进行时延估计80100100120120信息传递对准的对准精度。参考文献：1 Kain J E,Cloutier JR.Rapid transfer alignment fortactical weapon applicationsCJ/Proceedings of theAIAA Guidance,Navigation&Control Conference.Washington DC:AIAA,1989:1290-1300.2 Shortelle K J,Graham W R,Rabourn C.F-16 flight testsof a rapid transfer alignment procedureCJ/OsitionLocation and Navigation Symposium.Piscataway:IEEE,1998:379-386.3郑辛，武少伟，吴亮华导弹武器惯导系统传递对准技术综述.导航定位与授时，2 0 16（1)：1-8.4于东康，杨功流，谢祖辉.基于PSO的船体动态变形模型参数在线辨识J.导航与控制，2 0 19，18（6)：7 1-7 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