劉 凱,萬少巍,王激揚,于 峰

(1.北京航天控制儀器研究所,北京 100039；2.海軍裝備部,北京 100163；3.91550部隊,遼寧 大連 116023)

1 引 言

目前國內(nèi)對慣導系統(tǒng)標定方法的研究主要集中在分立式標定,并在工程中得到應用。但在實際應用中分立式標定方法對轉(zhuǎn)臺精度要求較高,轉(zhuǎn)位過程復雜,且當慣導系統(tǒng)安裝在艇上或彈上后無法實現(xiàn)在線自標定,必須依靠定時拆卸返回廠家完成標定任務,造成了使用的極大不方便。而采用系統(tǒng)級標定方法通過設計合理的轉(zhuǎn)位路徑,利用導航誤差計算器件誤差,可避免對高精度轉(zhuǎn)臺的依賴。

近年來帶轉(zhuǎn)位機構的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)受到了廣泛重視,系統(tǒng)級自標定方法的研究成為研究熱點。國內(nèi)的研究人員也提出了多種系統(tǒng)級標定方法:吳賽成[1]提出了一種基于Kalman濾波的27維誤差參數(shù)標定模型,并設計了轉(zhuǎn)位方案；江奇淵[2]提出了一種考慮加速度計二次項誤差和內(nèi)桿臂誤差的標定方法；石文峰[3]設計了一種10位置系統(tǒng)級標定方法,并利用簡化的誤差模型和速度誤差變化率方程,建立了誤差參數(shù)與導航誤差的關系,上述方案均要求慣導系統(tǒng)處于靜基座條件下,在系泊條件下無法使用上述標定方案。楊玉孔[4]提出了一種針對艦船在系泊或錨泊條件下的在線標定方法,但該方法無法實現(xiàn)自標定,仍需依靠GPS等外部設備提供外界輸入條件；袁鵬[5-6]提出了一種系泊狀態(tài)下的全參數(shù)自標定方案,該方案采用低通濾波對解算的速度誤差進行分解,由于海浪頻率較低,采用低通濾波時不可避免會引入相位延遲,導致濾波后的速度有較大誤差,無法滿足標定精度,并且該標定方案無法標定慣導系統(tǒng)的內(nèi)桿臂參數(shù),這在動基座條件下對最終導航精度有較大影響。

本文根據(jù)實際使用條件,提出了一種15位置的動基座自標定方案。該標定方案在同時具有角運動和線運動干擾下,可標定出陀螺儀和加速度計的零偏,標度因數(shù)誤差,安裝誤差等誤差參數(shù)的基礎上,增加了加速度計正負通道非對稱性誤差和內(nèi)桿臂參數(shù)。該方法在不借助外界高精度設備的情況下,利用自身轉(zhuǎn)位機構實現(xiàn)轉(zhuǎn)位控制,完成在艇上動基座條件下的自標定任務。標定出的誤差參數(shù)滿足高精度慣導系統(tǒng)的要求。

2 慣導系統(tǒng)誤差模型

2.1 慣性器件誤差模型

帶轉(zhuǎn)位機構的光纖陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)由3個光纖陀螺,3個石英加速度計,軸端角度傳感器及電機組成。這里主要針對光纖陀螺和石英加速度計的零偏、標度因數(shù)誤差、安裝誤差、加速度計非對稱系數(shù)誤差及內(nèi)桿臂誤差等誤差項進行建模。

定義以載體坐標系b系(Oxb,yb,zb)為參考坐標系,令X加速度計敏感軸與載體坐標系的Oxb軸重合,Y加速度計敏感軸在Oxbyb平面內(nèi),Z加速度計與X加速度計、Y加速度計敏感軸組成右手直角坐標系,這樣可將6個安裝誤差簡化為3個安裝誤差角[7]。則加速度計輸出的誤差模型為:

(1)

陀螺儀誤差模型為:

(2)

2.2 系統(tǒng)誤差方程

選取東北天坐標系為導航坐標系n系,本文不加推導的直接給出系統(tǒng)姿態(tài)誤差方程為:

(3)

速度誤差方程為:

(4)

位置誤差方程為:

3 系泊條件下的速度誤差獲取

在系泊狀態(tài)下對艦艇的角運動及線運動情況進行數(shù)據(jù)采集,并對采集數(shù)據(jù)進行分析可知,艇體水平方向的最大變化量為0.18 m,頻率約為0.059 Hz；升沉方向的最大變化量為0.15 m,頻率約為0.071 Hz。艇體的角運動通過FFT分析可知,每個方向主要由3個正弦波疊加而成,縱搖角最大幅值為1.1°,頻率約為0.083 Hz；橫搖角最大幅值為2.8°,頻率約為0.067 Hz；偏航角最大幅值為0.48°,頻率約為0.083 Hz。

通過對艇體運動數(shù)據(jù)進行分析可知,在系泊條件下的線運動幅值相對較小,頻率在0.05 Hz以上,而真實速度相對于速度誤差是高頻分量,可以采用濾波手段對艇體線運動信息進行剔除。首先設計IIR低通濾波器,令通帶截止頻率為0.01 Hz,阻帶截止頻率為0.05 Hz,通帶最大衰減為1 dB,阻帶最小衰減為80 dB。設計的低通濾波器能將外界帶來的線運動濾除掉,但是由于阻帶截止頻率過低,濾波的同時不可避免會造成相位延遲,經(jīng)仿真分析帶來的延遲超過100 s,這對于標定來說是不可接受的。

針對在處理解算速度使用的濾波器引起相移問題[8],提出了使用零相移低通濾波器對解算速度進行處理。零相位數(shù)字濾波的方法是先將信號正向通過濾波器,將正向濾波所得結(jié)果進行時域翻轉(zhuǎn)后再次通過濾波器,得到二次濾波結(jié)果,再將二次濾波結(jié)果再次進行時域翻轉(zhuǎn),可得到零相移的信號[9]。零相位數(shù)字濾波器在頻域內(nèi)的描述為:

(6)

其中,X(ejω)為輸入信號;H(ejω)為所用的數(shù)字濾波器沖擊響應序列；Y2(ejω)為進行時域翻轉(zhuǎn)后的信號;Y3(ejω)為第二次濾波后的信號;Y4(ejω)為第二次濾波結(jié)果再進行時域翻轉(zhuǎn)的信號。

由上述公式可得:

Y(ejω)=X(ejω)|H(ejω)|2

(7)

由此可見,輸出Y(ejω)與輸入X(ejω)不存在附加相位。

為驗證設計的零相位低通濾波器,對某型慣導系統(tǒng)在系泊狀態(tài)下的速度輸出進行IIR低通濾波和零相位濾波處理,可以看出使用零相位濾波的速度誤差基本沒有相位延遲,而采用IIR低通濾波器的速度誤差相位滯后明顯,必然會造成標定結(jié)果不準確,圖1表示在不同濾波器下的速度誤差。

圖1 不同濾波器下的速度誤差

由圖1可知,零相位濾波相對IIR低通濾波器來說,在相位上沒有延遲,且能將真實速度從解算速度中率除掉,得到由器件誤差引起的速度誤差。通過比較可以發(fā)現(xiàn),采用IIR低通濾波器與零相位濾波器得到的速度誤差之差最大可達7.4185 m/s,這對于標定出精確的誤差參數(shù)來說明顯過大,故采用零相位濾波器能得到更好的結(jié)果。

4 濾波器設計

考慮慣導系統(tǒng)中的所有誤差參數(shù),包括陀螺和加速度計的零偏,標度因數(shù)誤差,安裝誤差,加速度計非對稱誤差,內(nèi)桿臂誤差以及系統(tǒng)的失準角,速度誤差和位置誤差共36維,選取的狀態(tài)變量如下式所示:

(8)

通過對解算的速度進行濾波后,則導航解算誤差可得由慣性器件誤差引起,選取濾波后的速度誤差為觀測量,故:

Z=[δVEδVNδVU]T

(9)

根據(jù)前面推導的誤差方程,可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

(10)

其中,矩陣F可根據(jù)公式(1)～(5)得到,w為36×1維的零均值白噪聲。

系統(tǒng)量測方程為:

Z=HX+v

(10)

其中,H=[03×3I3×303×30];v為3×1維的零均值白噪聲。

5 標定路徑設計及可觀測性分析

采用帶雙軸轉(zhuǎn)位機構的捷聯(lián)慣導系統(tǒng),便于在系泊狀態(tài)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位控制,可有效激勵出慣性器件的所有誤差項。根據(jù)轉(zhuǎn)位機構的特點,現(xiàn)設計一15位置自標定方案。為了保證所設計的標定路徑能激勵出慣性器件所有誤差項,需要系統(tǒng)完全可觀測。

利用PWCS手段對系統(tǒng)的可觀測性進行分析,該方法將線性時變系統(tǒng)所提取的可觀測矩陣代替系統(tǒng)總的可觀測矩陣來分析可觀測性,可簡化分析過程,便與實際應用。根據(jù)設計的Kalman濾波方程可知,當在每個位置Rank(Qs(r))為滿秩,則系統(tǒng)完全可觀測。根據(jù)設計的轉(zhuǎn)位路徑進行分析,可得在不同位置下系統(tǒng)的秩如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)動次序

從表1可以看出,經(jīng)過15位置后,系統(tǒng)的秩達到滿秩,這說明所建立的誤差方程中的誤差系數(shù)是完全可觀測的。

6 仿真及實驗驗證

6.1 仿真驗證

為模擬真實系泊狀態(tài)下艇體的運動環(huán)境,根據(jù)已采集的海浪條件,經(jīng)過FFT分析可得到海浪的運動條件。按照實際條件設置仿真條件,角運動條件如下:

(11)

線運動條件為:

(12)

標定的總時長為5400 s,每個位置所在的時間均等。按照標定路徑設置仿真條件,以及陀螺儀和加速度計的輸出,并采用多次迭代的方法而到最終標定結(jié)果,表2仿真結(jié)果對比表。

表2 仿真結(jié)果對比

從表2可以看出,陀螺儀零偏估計精度優(yōu)于0.015°/h,標度因數(shù)估計精度優(yōu)于5 ppm,安裝誤差估計精度優(yōu)于1.5″,加速度計零偏估計精度優(yōu)于5 μg,標度因數(shù)估計精度優(yōu)于2 ppm,加速度計非對稱誤差估計精度優(yōu)于2×10-9,安裝誤差估計精度優(yōu)于5”,內(nèi)桿臂誤差優(yōu)于0.002 m。各誤差系數(shù)收斂結(jié)果如圖2～7所示,各誤差項在最后一次迭代時均已收斂到零,已將各誤差項估計出來。

圖2 陀螺儀零偏估計結(jié)果

圖3 陀螺儀標度因數(shù)誤差估計結(jié)果

圖4 加速度計零偏估計結(jié)果

圖5 加速度計標度因數(shù)誤差估計結(jié)果

圖6 加速度計非對稱誤差估計結(jié)果

圖7 內(nèi)桿臂誤差估計結(jié)果

6.2 實驗驗證

為驗證標定方法的有效性,將某型雙軸光纖捷聯(lián)慣導系統(tǒng)安裝在六自由度轉(zhuǎn)臺上,按照文中所述的標定方法開展標定試驗。由于六自由度轉(zhuǎn)臺只能實現(xiàn)單個正弦波或余弦波,無法實現(xiàn)多個正弦或余弦波的疊加,故角運動采用幅值最大的正弦波,線運動條件與仿真條件保持一致。初始相位為零,在靜基座條件下完成初始對準后,六自由度轉(zhuǎn)臺啟動開始動基座標定試驗。將在六自由度轉(zhuǎn)臺下的標定結(jié)果與靜基座條件下已有的標定結(jié)果做對比,如表3所示。

表3 靜基座與系泊狀態(tài)下標定結(jié)果對比

7 結(jié) 論

本文提出了一種在系泊條件下的光纖陀螺捷聯(lián)慣導誤差參數(shù)標定方法,該方法在標定出陀螺儀和加速度計的零偏,標度因數(shù)誤差和安裝誤差的基礎上,增加了對加速度計非對稱誤差和內(nèi)桿臂效應誤差項的標定。該方法并改進了在系泊條件下獲取誤差速度的方法,使得誤差速度的獲取不會有明顯的滯后,增加了標定的準確度。仿真及實驗結(jié)果表明,設計的轉(zhuǎn)位路徑合理有效,能有效激勵出慣性器件的所有誤差項,并能對誤差模型中的所有誤差系數(shù)進行有效估計。通過與靜基座標定結(jié)果對比,在系泊狀態(tài)下,各誤差項標定結(jié)果與靜基座狀態(tài)一致,證明了標定方法的有效性,具有實際的應用價值。