應(yīng)智慧，吳學(xué)科，姜永旺，王宏剛，高春峰

(1.96723部隊(duì)，柳州 545616；2.國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程中，彈載慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)占據(jù)了發(fā)射準(zhǔn)備的大部分時(shí)間。慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)是指在系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作前必須確定慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)載體系和地理系的初始姿態(tài)矩陣[1-2]。慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)要求用盡可能少的耗時(shí)精確地給出載體系到導(dǎo)航系的初始姿態(tài)矩陣，為隨后的姿態(tài)更新提供初始條件。因此，通過(guò)縮短慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間以快速完成導(dǎo)彈的發(fā)射準(zhǔn)備對(duì)提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的生存概率具有重要的意義[3-6]。

動(dòng)態(tài)快速對(duì)準(zhǔn)是縮短慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的有效方法，相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射車(chē)在高速移動(dòng)狀態(tài)下彈體IMU的初始對(duì)準(zhǔn)，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)、俄羅斯成熟用于多型導(dǎo)彈中。目前，國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)的應(yīng)用主要集中于機(jī)載武器裝備中，在車(chē)載導(dǎo)航的快速對(duì)準(zhǔn)方面尚未有具體應(yīng)用[7-11]。本文基于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的陸基導(dǎo)彈行進(jìn)間快速對(duì)準(zhǔn)技術(shù)為研究對(duì)象，從動(dòng)基座傳遞對(duì)準(zhǔn)方法入手，建立了系統(tǒng)的誤差模型，對(duì)多種動(dòng)態(tài)情況下的子系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)性能進(jìn)行分析和評(píng)估，給出了最優(yōu)對(duì)準(zhǔn)方案。

1 車(chē)載陸基導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)快速對(duì)準(zhǔn)方案論證

陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)車(chē)載主慣導(dǎo)安裝在車(chē)架中，采用相對(duì)精度較高的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，同時(shí)與衛(wèi)星、里程計(jì)等外界測(cè)量設(shè)備進(jìn)行組合導(dǎo)航，具有相對(duì)較高的導(dǎo)航精度，并且具備在靜態(tài)狀態(tài)下的快速自對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)情況下的濾波對(duì)準(zhǔn)能力。

與主慣導(dǎo)相比，彈體上安裝的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)采用中低精度慣導(dǎo)，其自對(duì)準(zhǔn)精度受到慣導(dǎo)系統(tǒng)自身精度的限制。因此，動(dòng)基座傳遞對(duì)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)陸基導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)高精度對(duì)準(zhǔn)的理想方案。傳遞對(duì)準(zhǔn)的基本流程依次為粗對(duì)準(zhǔn)、精對(duì)準(zhǔn)和姿態(tài)修正。在粗對(duì)準(zhǔn)階段，主慣導(dǎo)將導(dǎo)航結(jié)果通過(guò)安裝關(guān)系直接傳遞給子慣導(dǎo)。精對(duì)準(zhǔn)階段通過(guò)主子慣導(dǎo)分別解算出的導(dǎo)航信息建立狀態(tài)方程和測(cè)量方程，通過(guò)對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型的分析給出濾波器的誤差傳遞矩陣，即可利用最優(yōu)估計(jì)濾波器對(duì)子慣導(dǎo)的一些誤差參數(shù)(如失準(zhǔn)角)進(jìn)行估計(jì)。最后，通過(guò)得到的誤差參數(shù)對(duì)子系統(tǒng)的輸出姿態(tài)進(jìn)行誤差補(bǔ)償即姿態(tài)修正，完成對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。傳遞對(duì)準(zhǔn)的基本工作流程如圖1所示。

其中，動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)需要解決的主要問(wèn)題包括以下幾點(diǎn)：

1)傳遞對(duì)準(zhǔn)的誤差建模；

2)傳遞對(duì)準(zhǔn)的匹配方式；

3)系統(tǒng)的可觀性；

4)相關(guān)誤差補(bǔ)償。

圖1 動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)基本工作流程Fig.1 Basic workflow of dynamic transfer alignment

下面章節(jié)將針對(duì)車(chē)載導(dǎo)彈的特點(diǎn)對(duì)其動(dòng)態(tài)快速傳遞對(duì)準(zhǔn)需要解決的主要問(wèn)題進(jìn)行研究，針對(duì)陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)傳遞對(duì)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，建立最優(yōu)相關(guān)誤差模型，確定傳遞對(duì)準(zhǔn)匹配方式，選擇最優(yōu)濾波方法，對(duì)載車(chē)多種動(dòng)態(tài)情況下彈體姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)的精度進(jìn)行探究。

2 車(chē)載陸基導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)

匹配方式是指濾波器量測(cè)方程中相關(guān)參數(shù)的選取方式，按觀測(cè)信息的類(lèi)型可分為計(jì)算參數(shù)匹配和測(cè)量參數(shù)匹配。計(jì)算參數(shù)匹配法就是將主子慣導(dǎo)輸出的測(cè)量信息進(jìn)行解算，將得到的速度、位置、姿態(tài)代入量測(cè)方程中進(jìn)行匹配；而測(cè)量參數(shù)匹配法則是將主子系統(tǒng)的輸出信息直接匹配。

計(jì)算參數(shù)匹配法存在對(duì)慣導(dǎo)直接輸出的測(cè)量信息進(jìn)行積分的一個(gè)過(guò)程，因此該方法在對(duì)準(zhǔn)速度上略慢于測(cè)量參數(shù)匹配法。但由于積分過(guò)程有一定的平滑作用，因此可以對(duì)撓曲變形、載體振動(dòng)等噪聲干擾起到一定的抑制，從而提高對(duì)準(zhǔn)精度。測(cè)量參數(shù)匹配法對(duì)外界擾動(dòng)較為敏感，因此當(dāng)載體機(jī)動(dòng)能力有限時(shí)這種匹配方式比較有利于快速傳遞對(duì)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，這兩種類(lèi)型的匹配方法各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)視具體情況選擇合適的匹配方法。匹配量的選取主要有速度匹配、角速度匹配、位置匹配、姿態(tài)角匹配等方式。

針對(duì)武器系統(tǒng)的主子慣導(dǎo)安裝情況和對(duì)準(zhǔn)需估計(jì)的相關(guān)量進(jìn)行分析，本文使用基于地理系的慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型，認(rèn)為陀螺和加速度計(jì)的噪聲為白噪聲，系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下

系統(tǒng)的觀測(cè)方程為

狀態(tài)方程變量為

狀態(tài)方程包括：1)子系統(tǒng)的三個(gè)姿態(tài)誤差φ＝[φEφNφU]、 東向和北向速度誤差δV＝[δVEδVNδVU]； 2)導(dǎo)航系中等效三個(gè)陀螺漂移

由慣導(dǎo)系統(tǒng)及傳遞對(duì)準(zhǔn)的誤差模型，可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F

式(4)中，

噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣為

噪聲向量為

在采用“姿態(tài)+速度”匹配的方式下，采用載車(chē)的主慣導(dǎo)與彈體子慣導(dǎo)的姿態(tài)誤差和速度誤差為濾波器的觀測(cè)值，考慮到兩系統(tǒng)的安裝誤差、撓曲形變誤差和桿臂誤差，可以得到觀測(cè)方程為

通過(guò)設(shè)置合理的濾波參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)子慣導(dǎo)的姿態(tài)及其他相關(guān)導(dǎo)航結(jié)果和參數(shù)的誤差估計(jì)。

3 車(chē)載陸基導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真分析

陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)在行進(jìn)中存在多種動(dòng)態(tài)情況，車(chē)體行進(jìn)狀態(tài)包括直行、轉(zhuǎn)彎、上下坡，車(chē)體受到路面顛簸還會(huì)有振動(dòng)。不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)濾波器產(chǎn)生不同的激勵(lì)，會(huì)間接導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器的對(duì)準(zhǔn)精度和對(duì)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)的不同。在前文對(duì)誤差模型和對(duì)準(zhǔn)方法以及濾波器相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)針對(duì)載車(chē)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)精度的影響進(jìn)行仿真分析。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)平均對(duì)準(zhǔn)精度等指標(biāo)，設(shè)置主慣導(dǎo)和子慣導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真的相關(guān)器件參數(shù)Table 1 Related device parameters of transfer alignment simulation

3.1 靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真

靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)是車(chē)輛最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺和加速度計(jì)敏感量基本不變，因此對(duì)于對(duì)準(zhǔn)濾波器的激勵(lì)是相同的，在此作為一種狀態(tài)進(jìn)行分析。

首先，對(duì)載車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)下的傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)載車(chē)所在地的經(jīng)度、緯度、高度分別為λ＝112.993°、L＝28.222°、h＝380m，在靜態(tài)情況下進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真，靜止?fàn)顟B(tài)下陀螺和加速度計(jì)的輸出如圖2、圖3所示。

圖2 靜止?fàn)顟B(tài)下陀螺的輸出Fig.2 Diagram of gyroscope output under static condition

圖3 靜止?fàn)顟B(tài)下加速度計(jì)的輸出Fig.3 Diagram of accelerometer output under static condition

對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中子系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜止?fàn)顟B(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)子系統(tǒng)姿態(tài)誤差估計(jì)值收斂過(guò)程Fig.4 Convergence process of subsystem attitude error estimation under static condition

在靜態(tài)狀態(tài)下，采用“姿態(tài)+速度”匹配的傳遞對(duì)準(zhǔn)方式，其兩個(gè)水平姿態(tài)誤差的收斂速度較快，航向角對(duì)準(zhǔn)誤差的收斂速度較慢，對(duì)準(zhǔn)300s之后其結(jié)果才趨于收斂，并且后續(xù)姿態(tài)結(jié)果具有較大振蕩。在600s對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后，系統(tǒng)俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差為－3.76′，橫滾角對(duì)準(zhǔn)誤差為－12.64′，航向角對(duì)準(zhǔn)誤差為16.43′?？梢?jiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下，由于系統(tǒng)缺乏激勵(lì)，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程收斂較慢且對(duì)準(zhǔn)誤差相對(duì)較大。

3.2 加／減速交替狀態(tài)下的傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真

當(dāng)發(fā)射車(chē)處于加／減速交替狀態(tài)下，由加速度計(jì)敏感加速度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)激勵(lì)。設(shè)載車(chē)初始速度為V0＝[0 0 0]T，初始姿態(tài)為At t0＝[0 0 0]T， 載車(chē)以1.5m／s2的加速度沿直線加速行駛10s后，再以0.5m／s2的加速度減速行駛10s，如此交替往復(fù)，行駛60s后陀螺和加速度計(jì)的輸出如圖5、圖6所示。

圖5 加／減速交替狀態(tài)下陀螺的輸出Fig.5 Diagram of gyroscope output under acceleration／deceleration alternate condition

圖6 加／減速交替狀態(tài)下加速度計(jì)的輸出Fig.6 Diagram of accelerometer output under acceleration／deceleration alternate condition

在載車(chē)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)即進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 加／減速交替狀態(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)子系統(tǒng)姿態(tài)誤差估計(jì)值收斂過(guò)程Fig.7 Convergence process of subsystem attitude error estimation under acceleration／deceleration alternate condition

在加／減速交替狀態(tài)下，載車(chē)在第一個(gè)10s加速結(jié)束后進(jìn)入減速過(guò)程，俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差、橫滾角對(duì)準(zhǔn)誤差和航向角對(duì)準(zhǔn)誤差均快速收斂，在一個(gè)加減速周期結(jié)束后(20s后)，三個(gè)誤差量迅速收斂。在對(duì)準(zhǔn)25s左右，三個(gè)姿態(tài)角完全收斂，此時(shí)姿態(tài)修正后的結(jié)果為：系統(tǒng)俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差為1.58′，橫滾角對(duì)準(zhǔn)誤差為－2.42′，航向角對(duì)準(zhǔn)誤差為0.22′。由對(duì)準(zhǔn)結(jié)果可知，系統(tǒng)的收斂速度明顯較單純加／減速狀態(tài)下收斂速度更快，對(duì)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)較靜態(tài)狀態(tài)下減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，且對(duì)準(zhǔn)精度明顯提高，尤其是航向角的對(duì)準(zhǔn)精度提高尤為明顯。

3.3 S形行進(jìn)狀態(tài)下的傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真

當(dāng)載車(chē)在路面以S形方式行進(jìn)時(shí)(即載車(chē)在進(jìn)行S形機(jī)動(dòng))，陀螺敏感載車(chē)角轉(zhuǎn)動(dòng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)激勵(lì)。設(shè)載車(chē)在50s之前勻速行駛，在50s時(shí)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為20s的±1(°)／s的S形機(jī)動(dòng)，如此交替往復(fù)，行駛140s后陀螺和加速度計(jì)的輸出如圖8、圖9所示。

圖8 S形行進(jìn)狀態(tài)下陀螺的輸出Fig.8 Diagram of gyroscope output under S-shaped moving condition

圖9 S形行進(jìn)狀態(tài)下加速度計(jì)的輸出Fig.9 Diagram of accelerometer output under S-shaped moving condition

S形機(jī)動(dòng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 S形行進(jìn)狀態(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)子系統(tǒng)姿態(tài)誤差估計(jì)值收斂過(guò)程Fig.10 Convergence process of subsystem attitude error estimationunder S-shaped moving condition

由圖10可知，載車(chē)在50s時(shí)進(jìn)入S形機(jī)動(dòng)狀態(tài)，在50s左右三個(gè)姿態(tài)誤差量有明顯的收斂過(guò)程，在轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)姿態(tài)就迅速收斂到小量，說(shuō)明載車(chē)在由直線行駛進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)誤差具有很大的激勵(lì)作用。在140s第二次機(jī)動(dòng)完成后，最終姿態(tài)修正后的結(jié)果為：系統(tǒng)俯仰角對(duì)準(zhǔn)誤差為0.176′，橫滾角對(duì)準(zhǔn)誤差為－0.135′，航向角對(duì)準(zhǔn)誤差為1.440′。可以認(rèn)為，當(dāng)載車(chē)在剛完成S形機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，傳遞對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)誤差處于小量，當(dāng)系統(tǒng)重新進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)精度的降低。

在陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的實(shí)際工作過(guò)程中，S形機(jī)動(dòng)是一種很容易實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式，可以在短時(shí)間內(nèi)完成，且受車(chē)輛所在場(chǎng)地限制小，因此可以認(rèn)為這種激勵(lì)方式具有很高的可操作性。

通過(guò)以上多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的仿真，可以總結(jié)如下：所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)方法可行，在載車(chē)處于機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)準(zhǔn)5min以內(nèi)濾波器估計(jì)姿態(tài)誤差收斂。在載車(chē)處于加／減速交替行進(jìn)和S形機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，其效果最好。因此在實(shí)際工作過(guò)程中，可以通過(guò)刻意駕駛車(chē)輛進(jìn)行相關(guān)機(jī)動(dòng)方式，以縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間、提高對(duì)準(zhǔn)精度。

4 行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)跑車(chē)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：高精度激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(作為主慣導(dǎo))、低精度激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(作為子慣導(dǎo))、車(chē)載GPS(定位精度10m以內(nèi))、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、不間斷電源。其中，主慣導(dǎo)安裝在載車(chē)后部，子慣導(dǎo)安裝在載車(chē)中部，兩慣導(dǎo)系統(tǒng)均采用螺釘直接固定于車(chē)內(nèi)地板，以確保兩系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)姿態(tài)的穩(wěn)定。

主子慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝完成后，通過(guò)兩系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)車(chē)內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間高精度對(duì)準(zhǔn)，完成了兩系統(tǒng)之間的安裝誤差測(cè)量(兩慣導(dǎo)之間存在(1.3221°，2.4215°，7.3290°)安裝誤差)和桿臂補(bǔ)償。整體實(shí)驗(yàn)通過(guò)主慣導(dǎo)與GPS組合的方式給出相對(duì)準(zhǔn)確的姿態(tài)、速度和位置，相關(guān)測(cè)量值通過(guò)兩系統(tǒng)的安裝誤差矩陣轉(zhuǎn)換后作為子系統(tǒng)的基準(zhǔn)量。由于載車(chē)不可避免出現(xiàn)形變，因此此種方式給出的姿態(tài)參考基準(zhǔn)必定存在誤差。在本章節(jié)中，也結(jié)合了子慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)后一段時(shí)間的純慣性導(dǎo)航結(jié)果間接反映系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度。

跑車(chē)實(shí)驗(yàn)在湖南長(zhǎng)沙開(kāi)展，跑車(chē)全程路線如圖11所示。

實(shí)驗(yàn)全程主慣導(dǎo)陀螺和加速度計(jì)的輸出如圖12所示，子慣導(dǎo)陀螺和加速度計(jì)的輸出如圖13所示。

圖12 行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)主慣導(dǎo)慣性器件輸出Fig.12 Outputs of main-INS sensors in dynamic transfer alignment experiment

實(shí)驗(yàn)全程主慣導(dǎo)采用位置組合導(dǎo)航的方式，全程主慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)、速度以及定位結(jié)果如圖14所示。

主慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)完成后，實(shí)驗(yàn)車(chē)由(113.1204°，28.2947°)位置出發(fā)向東北方向行駛，然后掉頭，全程經(jīng)過(guò)多次加／減速、轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)模式，最終在(113.1318°，28.2269°)位置停車(chē)，全程實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)近60min。

圖11 行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)路線Fig.11 Diagram of dynamic transfer alignment experiment route

圖13 行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)子慣導(dǎo)慣性器件輸出Fig.13 Output of sub-INS sensors in dynamic transfer alignment experiment

圖14 行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)主慣導(dǎo)輸出導(dǎo)航結(jié)果Fig.14 Navigation results of main-INS in dynamic transfer alignment experiment

4.1 勻速狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)果

載車(chē)從開(kāi)始出發(fā)后進(jìn)行第一次動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)為50s，載車(chē)在此段時(shí)間內(nèi)接近直線行駛，速度輸出如圖15所示。

由圖15可知，在此段時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)車(chē)接近勻速行駛。對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的主慣導(dǎo)純慣性輸出姿態(tài)如圖16所示，傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差如圖17所示。

圖16 勻速狀態(tài)下主慣導(dǎo)純慣性輸出姿態(tài)Fig.16 Attitude of main-INS under constant speed condition

圖17 勻速狀態(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差Fig.17 Filter estimator error of sub-INS under constant speed condition

由對(duì)準(zhǔn)結(jié)果可知，在對(duì)準(zhǔn)初期濾波器對(duì)三個(gè)姿態(tài)誤差的估計(jì)值迅速收斂。對(duì)準(zhǔn)50s后，子慣導(dǎo)的相對(duì)姿態(tài)誤差為：俯仰角46.3987′，橫滾角124.8458′，航向角19.9414′。對(duì)準(zhǔn)完成后，子系統(tǒng)進(jìn)行10min純慣性導(dǎo)航，系統(tǒng)純慣性輸出的定位誤差如圖18所示。

圖18 勻速狀態(tài)下子慣導(dǎo)純慣性導(dǎo)航定位誤差結(jié)果Fig.18 Positioning error of sub-INS under constant speed condition

系統(tǒng)行進(jìn)間對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)入導(dǎo)航10min，東向定位誤差最大值為62.2m，北向定位誤差最大值為－315.4m。

4.2 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)車(chē)的運(yùn)動(dòng)路徑存在多次轉(zhuǎn)彎及掉頭設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的對(duì)準(zhǔn)精度。首先，采用載車(chē)在4.5min時(shí)的掉頭過(guò)程進(jìn)行行進(jìn)間傳遞對(duì)準(zhǔn)分析，載車(chē)在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的速度如圖19所示。

圖19 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)車(chē)的運(yùn)行速度Fig.19 Velocity of test vehicle under turning condition

由圖19可知，在50s的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，載車(chē)由向北行駛掉頭開(kāi)始向南行駛，掉頭動(dòng)作在對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行至23s左右時(shí)開(kāi)始。傳遞對(duì)準(zhǔn)50s中，主慣導(dǎo)的輸出姿態(tài)如圖20所示，傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)姿態(tài)誤差如圖21所示。

圖20 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下主慣導(dǎo)純慣性輸出姿態(tài)Fig.20 Attitude of main-INS under turning condition

圖21 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差Fig.21 Filter estimator error of sub-INS under turning condition

由圖20和圖21可知，在對(duì)準(zhǔn)的前23s，系統(tǒng)處于勻速直線行駛狀態(tài)，行進(jìn)間對(duì)準(zhǔn)的輸出姿態(tài)誤差量級(jí)和4.1節(jié)中勻速直線行駛狀態(tài)下的對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差量級(jí)接近，且姿態(tài)輸出有接近100′左右的振蕩。在23s掉頭后，三個(gè)姿態(tài)角誤差明顯進(jìn)一步收斂，輸出姿態(tài)的振蕩明顯減小，尤其是俯仰角和航向角的振蕩誤差都在20′以內(nèi)，最終50s后對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如下：俯仰角誤差為3.366′，橫滾角誤差為1.741′，航向角誤差為16.750′。三個(gè)姿態(tài)誤差明顯小于4.1節(jié)中勻速行駛過(guò)程中的對(duì)準(zhǔn)結(jié)果，可以認(rèn)為對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的掉頭動(dòng)作可以有效激勵(lì)傳遞對(duì)準(zhǔn)中的姿態(tài)誤差，提高對(duì)準(zhǔn)收斂時(shí)間和對(duì)準(zhǔn)精度。為進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)精度，采用對(duì)準(zhǔn)完成后10min的數(shù)據(jù)進(jìn)行純慣性導(dǎo)航驗(yàn)證，結(jié)果如圖22所示。

圖22 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下子慣導(dǎo)純慣性導(dǎo)航定位誤差結(jié)果Fig.22 Positioning error of sub-INS under turning condition

子慣導(dǎo)純慣性導(dǎo)航10min，東向定位誤差最大值為－91.397m，北向定位誤差最大值為－84.169m，定位精度明顯優(yōu)于4.1節(jié)中的導(dǎo)航結(jié)果。因此從對(duì)準(zhǔn)后的導(dǎo)航驗(yàn)證中，同樣可以得到轉(zhuǎn)彎對(duì)行進(jìn)間傳遞對(duì)準(zhǔn)具有有效的激勵(lì)作用。

4.3 加／減速狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)果

車(chē)載實(shí)驗(yàn)存在多次車(chē)輛加／減速過(guò)程，為驗(yàn)證在加／減速過(guò)程中行進(jìn)間快速傳遞對(duì)準(zhǔn)的效果，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了27.5min時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)車(chē)加／減速過(guò)程進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)車(chē)的速度如圖23所示。

圖23 加減速交替狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)車(chē)的運(yùn)行速度Fig.23 Velocity of test vehicle under acceleration／deceleration alternate condition

傳遞對(duì)準(zhǔn)50s中，主慣導(dǎo)的輸出姿態(tài)如圖24所示，傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)姿態(tài)誤差如圖25所示。

圖24 加減速交替狀態(tài)下主慣導(dǎo)純慣性輸出姿態(tài)Fig.24 Attitude of main-INS under acceleration／deceleration alternate condition

圖25 加減速交替狀態(tài)下傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器估計(jì)子慣導(dǎo)姿態(tài)誤差Fig.25 Filter estimator errorof sub-INS under acceleration／deceleration alternate condition

傳遞對(duì)準(zhǔn)50s過(guò)程中，載車(chē)前20s處于加速狀態(tài)，20s～30s處于減速狀態(tài)，加速度在0.15m／s2左右。對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差很快趨于收斂，三個(gè)姿態(tài)角對(duì)準(zhǔn)結(jié)果如下：俯仰角姿態(tài)誤差為8.7400′，橫滾角姿態(tài)誤差為－3.3424′，航向角姿態(tài)誤差為50.6637′。采用對(duì)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行10min純慣導(dǎo)導(dǎo)航驗(yàn)證，結(jié)果如圖26所示。

圖26 加減速交替狀態(tài)下子慣導(dǎo)純慣性導(dǎo)航定位誤差結(jié)果Fig.26 Positioning error of sub-INS under acceleration／deceleration alternate condition

純慣性導(dǎo)航10min，東向定位誤差最大值為－141.2570m，北向定位誤差最大值為－30.0435m。由導(dǎo)航結(jié)果可知，對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)角誤差優(yōu)于勻速狀態(tài)下結(jié)果，但由于車(chē)載狀態(tài)下加速度較慢，因此激勵(lì)效果不明顯。

5 結(jié)論

本文針對(duì)陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，對(duì)對(duì)準(zhǔn)方案、誤差建模以及補(bǔ)償方法進(jìn)行了分析，確定了對(duì)準(zhǔn)匹配方式，完成了濾波器的搭建，并通過(guò)模擬載體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的慣導(dǎo)輸出，對(duì)所設(shè)計(jì)的傳遞對(duì)準(zhǔn)算法進(jìn)行了仿真分析，提出了相應(yīng)的陸基導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方式，用以提高對(duì)姿態(tài)誤差的激勵(lì)。本文綜合考慮了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)效果，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的行進(jìn)間快速對(duì)準(zhǔn)方案的可行性和精度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，載車(chē)在加／減速和轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下可以在50s內(nèi)實(shí)現(xiàn)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的有效對(duì)準(zhǔn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。因此可以認(rèn)為，在陸基巡航導(dǎo)彈實(shí)際行進(jìn)間傳遞對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，通過(guò)載車(chē)適當(dāng)進(jìn)行加／減速和轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，可以有效提高彈體的對(duì)準(zhǔn)精度，實(shí)現(xiàn)彈體在短時(shí)間內(nèi)的高精度對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方案具備可行性，能夠保證在高精度導(dǎo)航的條件下快速完成初始對(duì)準(zhǔn)，能夠有效縮短車(chē)載陸基導(dǎo)彈發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，優(yōu)化發(fā)射流程，提高其生存概率，對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射、提升作戰(zhàn)效力具有積極意義。