一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法，尤其 是針對(duì)艦載武器捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 初始對(duì)準(zhǔn)是慣導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)前必須完成的一項(xiàng)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)，而且初 始對(duì)準(zhǔn)的精度、時(shí)間直接影響了慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度和啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間。對(duì)于艦載機(jī)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(dǎo)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)短時(shí)間精確初始對(duì) 準(zhǔn)。
[0003] 傳統(tǒng)的自主式初始對(duì)準(zhǔn)存在對(duì)準(zhǔn)精度與對(duì)準(zhǔn)時(shí)間相矛盾的問(wèn)題，且不適宜于動(dòng)基 座應(yīng)用。傳遞對(duì)準(zhǔn)是一種適用于艦載武器慣導(dǎo)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)子慣導(dǎo)系統(tǒng))初始對(duì)準(zhǔn)的動(dòng)基 座對(duì)準(zhǔn)方法，利用已對(duì)準(zhǔn)的主慣導(dǎo)系統(tǒng)提供量測(cè)信息或?qū)Ш叫畔ⅲo助完成子慣導(dǎo)系統(tǒng)的 初始對(duì)準(zhǔn)。然而，主子慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度仍會(huì)受到量測(cè)信息的類(lèi)型、載體運(yùn)動(dòng)方式、甲板 變形等諸多因素的影響，因此對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)開(kāi)展精度評(píng)估，對(duì)于評(píng)價(jià)傳遞對(duì)準(zhǔn)方案性能并進(jìn) 而開(kāi)展優(yōu)化，具有重要的實(shí)際意義。
[0004] 由于動(dòng)基座條件下沒(méi)有更高的姿態(tài)基準(zhǔn)，無(wú)法直接測(cè)得對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)刻的子慣導(dǎo)姿 態(tài)誤差，只跟根據(jù)其誤差傳播特性，結(jié)合相關(guān)觀(guān)測(cè)量，用最優(yōu)估計(jì)理論實(shí)現(xiàn)信號(hào)估計(jì)，最終 完成慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估。
[0005] 影響慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)精度性能評(píng)估的因素主要包括：（1)精度性能評(píng)估時(shí)的外部參考 信息；（2)精度性能評(píng)估的信號(hào)估計(jì)方法。在精度評(píng)估的濾波過(guò)程中，必須選擇精度比子 慣導(dǎo)高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的導(dǎo)航系統(tǒng)作為參考系統(tǒng)，以提供量測(cè)匹配量與艦載武器慣導(dǎo)系統(tǒng) 提供的匹配量構(gòu)造濾波觀(guān)測(cè)量?？晒┻x擇的參考系統(tǒng)有：DGPS和艦載主慣導(dǎo)系統(tǒng)。由于 DGPS的量測(cè)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(lái)，針對(duì)艦船領(lǐng)域的對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估，引入了主慣導(dǎo)姿態(tài)輸出作為輔助信息。另一 方面，精度性能評(píng)估的信號(hào)估計(jì)方法主要有固定點(diǎn)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(dá)到比固定點(diǎn)平滑更好的效果，故常選用固定區(qū)間平滑算法。運(yùn)用卡爾曼固 定區(qū)間平滑算法進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度評(píng)估，主要分兩步：正向?qū)崟r(shí)濾波和逆向平滑。隨著艦 載武器慣導(dǎo)系統(tǒng)的解算進(jìn)行正向?qū)崟r(shí)濾波解算，同時(shí)存儲(chǔ)四個(gè)平滑用的矩陣；而固定區(qū)間 平滑過(guò)程則可利用存儲(chǔ)的濾波數(shù)據(jù)離線(xiàn)進(jìn)行，降低了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的運(yùn)算量。由于能夠充分利 用評(píng)估時(shí)間段內(nèi)的濾波數(shù)據(jù)，固定區(qū)間平滑算法可以達(dá)到較高的誤差估計(jì)精度。
[0006] 總的來(lái)講，現(xiàn)有的精度評(píng)估方法存在以下問(wèn)題： 傳統(tǒng)方法對(duì)艦船機(jī)動(dòng)性能的要求較高，而引入主慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)輸出作為輔助時(shí)，雖然 能降低對(duì)載體機(jī)動(dòng)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(dāng) 評(píng)估時(shí)機(jī)選擇不合適時(shí)，主慣導(dǎo)系統(tǒng)振蕩誤差反而會(huì)降低對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估效果。
[0007] 為避免主慣導(dǎo)姿態(tài)輸出中的振蕩誤差分量影響對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估的問(wèn)題，并考慮到直 接采用角速率易受振動(dòng)等環(huán)境干擾的問(wèn)題，基于角速率的積分量，即主子慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài) 變化量作為輔助信息，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)在艦船低機(jī)動(dòng)條件下的傳遞對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)估方法，具有重要 的實(shí)際意義。
[0008] 基于此，本發(fā)明方法設(shè)計(jì)一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方 法，以DGPS位置和速度的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)信息為主參考信息，以主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量為輔助參考信息 的精度評(píng)估方法，能降低精度評(píng)估對(duì)載體機(jī)動(dòng)的強(qiáng)度的要求，而基于角速率的積分輸出作 為觀(guān)測(cè)值，能有效抑制外部環(huán)境干擾對(duì)慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估效果的影響，提高艦載武器慣導(dǎo) 對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)估性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種步驟清晰、邏輯性好、處理效率高且評(píng)估精度高 的基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：按以下步驟進(jìn)行評(píng)估： 51、 完成子慣導(dǎo)系統(tǒng)及DGPS的預(yù)熱準(zhǔn)備，利用已對(duì)準(zhǔn)的艦船的主慣導(dǎo)系統(tǒng)完成對(duì)艦船 上的其他設(shè)備的子慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)； 52、 對(duì)主慣導(dǎo)系統(tǒng)和子慣導(dǎo)系統(tǒng)分別進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的 速度?目息和位置?目息，米集時(shí)間為120秒； 53、 構(gòu)造姿態(tài)變化量的測(cè)量方程：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法，其特征在于，按以下步 驟進(jìn)彳T評(píng)估： 51、 完成子慣導(dǎo)系統(tǒng)及DGPS的預(yù)熱準(zhǔn)備，利用已對(duì)準(zhǔn)的艦船的主慣導(dǎo)系統(tǒng)完成對(duì)艦船 上的其他設(shè)備的子慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)； 52、 對(duì)主慣導(dǎo)系統(tǒng)和子慣導(dǎo)系統(tǒng)分別進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的 速度彳目息和位置彳目息，米集時(shí)間為120秒； 53、 構(gòu)造姿態(tài)變化量的測(cè)量方程：
式中，
主慣導(dǎo)與子慣導(dǎo)之間的姿態(tài)變化量差， ?是艦船的角速率信肩
>是主子慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)刻的姿態(tài)失準(zhǔn) 角；[?x]是?的反對(duì)稱(chēng)矩陣
54、 構(gòu)造基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的復(fù)合量測(cè)量Z，難]表達(dá)式為：
式中，&為子慣導(dǎo)與DGPS構(gòu)造的速度差，&為子慣導(dǎo)與DGPS構(gòu)造的位置差，\為子 慣導(dǎo)與主慣導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)輸出的東向、北向速 度，爐分別為子慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的煒度、經(jīng)度； 55、 構(gòu)造基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的性能評(píng)估量測(cè)方程：
式中，病，#，4分別為子慣導(dǎo)縱搖、橫搖和航向誤差；》；，分別為子慣導(dǎo)東 向和北向速度誤差；知，擬分別為子慣導(dǎo)煒度和經(jīng)度誤差；虼，<，4分別為東向、 北向和天向陀螺隨機(jī)漂移；RL，ftt,，分別為東向、北向和天向加速度計(jì)隨機(jī)噪聲分 量； 基于狀態(tài)量府卩量測(cè)量石建立性能評(píng)估量測(cè)方程為：
式中，k為量測(cè)曝聲向量，//為量測(cè)矩陣：
S6、根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程、量測(cè)方程及在（2)、（3)、（4)中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡爾曼 濾波解算： 傳遞對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)估系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)空間模型：
為（2)中采集的子慣導(dǎo)姿態(tài)矩 陣，乂'//為（2)中采集的子慣導(dǎo)東向、北向比力在導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)的投影，< 為子慣導(dǎo)系 統(tǒng)的陀螺隨機(jī)漂移； 對(duì)上述模型進(jìn)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(cè)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(cè)噪聲，且有
式中，ie為量測(cè)噪聲方差陣，』Rf"3為DGPS與子慣導(dǎo)系統(tǒng)速度差的量測(cè)噪聲方差陣， 為DGPS與子慣導(dǎo)系統(tǒng)位置差的量測(cè)噪聲方差陣，^為主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)變化量 差值的量測(cè)噪聲方差陣； 結(jié)合在（2)、（3)、（4)中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)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(yù)測(cè)量，為一步預(yù)測(cè)誤差方差陣，At為濾波 增益矩陣，戈f為狀態(tài)估計(jì)量，為估計(jì)誤差方差陣； 保存產(chǎn)生的四個(gè)濾波矩陣用于固定區(qū)間平滑解算，這四個(gè)矩陣分別是：一步轉(zhuǎn)移矩陣，一步預(yù)測(cè)誤差方差陣P/w，狀態(tài)估計(jì)量戈f，估計(jì)誤差方差陣P/ ; S7、利用卡爾曼固定區(qū)間平滑方程對(duì)（4)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向平滑估計(jì)，獲取傳遞 對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)刻的姿態(tài)失準(zhǔn)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)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(chǔ) 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(jì)，筆為系統(tǒng)初始狀態(tài)為的平滑估計(jì)結(jié)果，即筆的值就是精度評(píng)估的結(jié)果；完畢。
【專(zhuān)利摘要】一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法。其步驟是：完成預(yù)熱準(zhǔn)備、對(duì)主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)分別進(jìn)行導(dǎo)航解算、構(gòu)造姿態(tài)變化量的測(cè)量方程、構(gòu)造性能評(píng)估量測(cè)方程、進(jìn)行卡爾曼濾波解算、進(jìn)行逆向平滑估計(jì)，獲取傳遞對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)刻的姿態(tài)失準(zhǔn)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)估，本發(fā)明方法設(shè)計(jì)一種基于主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量輔助的慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估方法，以DGPS位置和速度的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)信息為主參考信息，以主慣導(dǎo)姿態(tài)變化量為輔助參考信息的精度評(píng)估方法，能降低精度評(píng)估對(duì)載體機(jī)動(dòng)的強(qiáng)度的要求，而基于角速率的積分輸出作為觀(guān)測(cè)值，能有效抑制外部環(huán)境干擾對(duì)慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)性能評(píng)估效果的影響，提高艦載武器慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)估性能。
【IPC分類(lèi)】G01C25-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104807479
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510259877
【發(fā)明人】趙琳, 王通達(dá), 齊兵, 劉峰, 王興元, 倪方忠
【申請(qǐng)人】江蘇華豪航海電器有限公司
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月20日