一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法，尤其 是針對艦載武器捷聯(lián)慣導系統(tǒng)傳遞對準的精度評估方法。
【背景技術】
[0002] 初始對準是慣導系統(tǒng)轉(zhuǎn)入導航工作狀態(tài)前必須完成的一項關鍵系統(tǒng)技術，而且初 始對準的精度、時間直接影響了慣導系統(tǒng)的導航精度和啟動準備時間。對于艦載機和其他 艦載武器系統(tǒng)，由于作戰(zhàn)使命的快速性要求，使得其慣導系統(tǒng)必須實現(xiàn)短時間精確初始對 準。
[0003] 傳統(tǒng)的自主式初始對準存在對準精度與對準時間相矛盾的問題，且不適宜于動基 座應用。傳遞對準是一種適用于艦載武器慣導系統(tǒng)（以下簡稱子慣導系統(tǒng))初始對準的動基 座對準方法，利用已對準的主慣導系統(tǒng)提供量測信息或?qū)Ш叫畔ⅲo助完成子慣導系統(tǒng)的 初始對準。然而，主子慣導傳遞對準的精度仍會受到量測信息的類型、載體運動方式、甲板 變形等諸多因素的影響，因此對傳遞對準開展精度評估，對于評價傳遞對準方案性能并進 而開展優(yōu)化，具有重要的實際意義。
[0004] 由于動基座條件下沒有更高的姿態(tài)基準，無法直接測得對準結(jié)束時刻的子慣導姿 態(tài)誤差，只跟根據(jù)其誤差傳播特性，結(jié)合相關觀測量，用最優(yōu)估計理論實現(xiàn)信號估計，最終 完成慣導系統(tǒng)對準性能評估。
[0005] 影響慣導對準精度性能評估的因素主要包括：（1)精度性能評估時的外部參考 信息；（2)精度性能評估的信號估計方法。在精度評估的濾波過程中，必須選擇精度比子 慣導高至少一個數(shù)量級的導航系統(tǒng)作為參考系統(tǒng)，以提供量測匹配量與艦載武器慣導系統(tǒng) 提供的匹配量構(gòu)造濾波觀測量。可供選擇的參考系統(tǒng)有：DGPS和艦載主慣導系統(tǒng)。由于 DGPS的量測噪聲十分接近白噪聲，所以通常選擇DGPS為參考系統(tǒng)，并以速度、位置作為匹 配量。近年來，針對艦船領域的對準性能評估，引入了主慣導姿態(tài)輸出作為輔助信息。另一 方面，精度性能評估的信號估計方法主要有固定點平滑及固定區(qū)間平滑兩種。由于固定區(qū) 間平滑一般能達到比固定點平滑更好的效果，故常選用固定區(qū)間平滑算法。運用卡爾曼固 定區(qū)間平滑算法進行傳遞對準的精度評估，主要分兩步：正向?qū)崟r濾波和逆向平滑。隨著艦 載武器慣導系統(tǒng)的解算進行正向?qū)崟r濾波解算，同時存儲四個平滑用的矩陣；而固定區(qū)間 平滑過程則可利用存儲的濾波數(shù)據(jù)離線進行，降低了實時數(shù)據(jù)的運算量。由于能夠充分利 用評估時間段內(nèi)的濾波數(shù)據(jù)，固定區(qū)間平滑算法可以達到較高的誤差估計精度。
[0006] 總的來講，現(xiàn)有的精度評估方法存在以下問題： 傳統(tǒng)方法對艦船機動性能的要求較高，而引入主慣導系統(tǒng)姿態(tài)輸出作為輔助時，雖然 能降低對載體機動特性的要求，但由于姿態(tài)信息包含有舒勒、傅科和地球周期振蕩誤差，當 評估時機選擇不合適時，主慣導系統(tǒng)振蕩誤差反而會降低對準性能評估效果。
[0007] 為避免主慣導姿態(tài)輸出中的振蕩誤差分量影響對準性能評估的問題，并考慮到直 接采用角速率易受振動等環(huán)境干擾的問題，基于角速率的積分量，即主子慣導系統(tǒng)的姿態(tài) 變化量作為輔助信息，設計設計在艦船低機動條件下的傳遞對準精度評估方法，具有重要 的實際意義。
[0008] 基于此，本發(fā)明方法設計一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方 法，以DGPS位置和速度的線運動信息為主參考信息，以主慣導姿態(tài)變化量為輔助參考信息 的精度評估方法，能降低精度評估對載體機動的強度的要求，而基于角速率的積分輸出作 為觀測值，能有效抑制外部環(huán)境干擾對慣導對準性能評估效果的影響，提高艦載武器慣導 對準精度評估性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對以上問題，提出了一種步驟清晰、邏輯性好、處理效率高且評估精度高 的基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法。
[0010] 本發(fā)明的技術方案為：按以下步驟進行評估： 51、 完成子慣導系統(tǒng)及DGPS的預熱準備，利用已對準的艦船的主慣導系統(tǒng)完成對艦船 上的其他設備的子慣導系統(tǒng)的傳遞對準； 52、 對主慣導系統(tǒng)和子慣導系統(tǒng)分別進行導航解算，采集DGPS輸出的艦船的速度信息 和位置信息角速率信息，主慣導系統(tǒng)輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導系統(tǒng)輸出的 速度?目息和位置?目息，米集時間為120秒； 53、 構(gòu)造姿態(tài)變化量的測量方程：
【主權(quán)項】
1. 一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法，其特征在于，按以下步 驟進彳T評估： 51、 完成子慣導系統(tǒng)及DGPS的預熱準備，利用已對準的艦船的主慣導系統(tǒng)完成對艦船 上的其他設備的子慣導系統(tǒng)的傳遞對準； 52、 對主慣導系統(tǒng)和子慣導系統(tǒng)分別進行導航解算，采集DGPS輸出的艦船的速度信息 和位置信息角速率信息，主慣導系統(tǒng)輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導系統(tǒng)輸出的 速度彳目息和位置彳目息，米集時間為120秒； 53、 構(gòu)造姿態(tài)變化量的測量方程：
式中，
主慣導與子慣導之間的姿態(tài)變化量差， ?是艦船的角速率信肩
>是主子慣導傳遞對準結(jié)束時刻的姿態(tài)失準 角；[?x]是?的反對稱矩陣
54、 構(gòu)造基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的復合量測量Z，難]表達式為：
式中，&為子慣導與DGPS構(gòu)造的速度差，&為子慣導與DGPS構(gòu)造的位置差，\為子 慣導與主慣導構(gòu)造的姿態(tài)變化量；胃3分別為DGPS輸出的東向、北向速度，爐 if%分別為DGPS輸出的煒度、經(jīng)度；；、Ff?分別為子慣導系統(tǒng)輸出的東向、北向速 度，爐分別為子慣導系統(tǒng)輸出的煒度、經(jīng)度； 55、 構(gòu)造基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的性能評估量測方程：
式中，病，#，4分別為子慣導縱搖、橫搖和航向誤差；》；，分別為子慣導東 向和北向速度誤差；知，擬分別為子慣導煒度和經(jīng)度誤差；虼，<，4分別為東向、 北向和天向陀螺隨機漂移；RL，ftt,，分別為東向、北向和天向加速度計隨機噪聲分 量； 基于狀態(tài)量府卩量測量石建立性能評估量測方程為：
式中，k為量測曝聲向量，//為量測矩陣：
S6、根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程、量測方程及在（2)、（3)、（4)中得到的相關數(shù)據(jù)，進行卡爾曼 濾波解算： 傳遞對準精度評估系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)空間模型：
為（2)中采集的子慣導姿態(tài)矩 陣，乂'//為（2)中采集的子慣導東向、北向比力在導航坐標系內(nèi)的投影，< 為子慣導系 統(tǒng)的陀螺隨機漂移； 對上述模型進行離散化，得到系統(tǒng)的離散化狀態(tài)空間模型為：
式中，知1，2, 3,…；氣^為一步轉(zhuǎn)移矩陣；馬，為量測矩陣，且圮為系統(tǒng)噪 聲，且珥] =fi，g為卡爾曼濾波器的系統(tǒng)噪聲方差陣；為量測噪聲，且有
式中，ie為量測噪聲方差陣，』Rf"3為DGPS與子慣導系統(tǒng)速度差的量測噪聲方差陣， 為DGPS與子慣導系統(tǒng)位置差的量測噪聲方差陣，^為主、子慣導系統(tǒng)姿態(tài)變化量 差值的量測噪聲方差陣； 結(jié)合在（2)、（3)、（4)中得到的相關數(shù)據(jù)，進行卡爾曼濾波解算，其濾波方程為：
式中，知1，2, 3,…；為狀態(tài)一步預測量，為一步預測誤差方差陣，At為濾波 增益矩陣，戈f為狀態(tài)估計量，為估計誤差方差陣； 保存產(chǎn)生的四個濾波矩陣用于固定區(qū)間平滑解算，這四個矩陣分別是：一步轉(zhuǎn)移矩陣，一步預測誤差方差陣P/w，狀態(tài)估計量戈f，估計誤差方差陣P/ ; S7、利用卡爾曼固定區(qū)間平滑方程對（4)中存儲的數(shù)據(jù)進行逆向平滑估計，獲取傳遞 對準對準結(jié)束時刻的姿態(tài)失準角，實現(xiàn)對艦載武器慣導系統(tǒng)傳遞對準的對準精度評估； 卡爾曼固定區(qū)間平滑方程為：
式中，如妒1，妒2,……，0,減示解算的步數(shù)；氣w、為J、P/分別是⑷中存儲 的濾波數(shù)據(jù)；為平滑增益矩陣，巧為平滑誤差方差陣，戈1為系統(tǒng)邪寸刻狀態(tài)的最優(yōu)平 滑估計，筆為系統(tǒng)初始狀態(tài)為的平滑估計結(jié)果，即筆的值就是精度評估的結(jié)果；完畢。
【專利摘要】一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法。其步驟是：完成預熱準備、對主、子慣導系統(tǒng)分別進行導航解算、構(gòu)造姿態(tài)變化量的測量方程、構(gòu)造性能評估量測方程、進行卡爾曼濾波解算、進行逆向平滑估計，獲取傳遞對準結(jié)束時刻的姿態(tài)失準角，實現(xiàn)對艦載武器慣導系統(tǒng)傳遞對準的對準精度評估，本發(fā)明方法設計一種基于主慣導姿態(tài)變化量輔助的慣導對準性能評估方法，以DGPS位置和速度的線運動信息為主參考信息，以主慣導姿態(tài)變化量為輔助參考信息的精度評估方法，能降低精度評估對載體機動的強度的要求，而基于角速率的積分輸出作為觀測值，能有效抑制外部環(huán)境干擾對慣導對準性能評估效果的影響，提高艦載武器慣導對準精度評估性能。
【IPC分類】G01C25-00
【公開號】CN104807479
【申請?zhí)枴緾N201510259877
【發(fā)明人】趙琳, 王通達, 齊兵, 劉峰, 王興元, 倪方忠
【申請人】江蘇華豪航海電器有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月20日