一種基于主慣導姿態變化量輔助的慣導對準性能評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種基于主慣導姿態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慣導系統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轉入導航工作狀態前必須完成的一項關鍵系統技術，而且初 始對準的精度、時間直接影響了慣導系統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，由于作戰使命的快速性要求，使得其慣導系統必須實現短時間精確初始對 準。
[0003] 傳統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（以下簡稱子慣導系統)初始對準的動基 座對準方法，利用已對準的主慣導系統提供量測信息或導航信息，輔助完成子慣導系統的 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基準，無法直接測得對準結束時刻的子慣導姿 態誤差，只跟根據其誤差傳播特性，結合相關觀測量，用最優估計理論實現信號估計，最終 完成慣導系統對準性能評估。
[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 慣導高至少一個數量級的導航系統作為參考系統，以提供量測匹配量與艦載武器慣導系統 提供的匹配量構造濾波觀測量。可供選擇的參考系統有：DGPS和艦載主慣導系統。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，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間平滑兩種。由于固定區 間平滑一般能達到比固定點平滑更好的效果，故常選用固定區間平滑算法。運用卡爾曼固 定區間平滑算法進行傳遞對準的精度評估，主要分兩步：正向實時濾波和逆向平滑。隨著艦 載武器慣導系統的解算進行正向實時濾波解算，同時存儲四個平滑用的矩陣；而固定區間 平滑過程則可利用存儲的濾波數據離線進行，降低了實時數據的運算量。由于能夠充分利 用評估時間段內的濾波數據，固定區間平滑算法可以達到較高的誤差估計精度。
[0006] 總的來講，現有的精度評估方法存在以下問題： 傳統方法對艦船機動性能的要求較高，而引入主慣導系統姿態輸出作為輔助時，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境干擾的問題，基于角速率的積分量，即主子慣導系統的姿態 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，本發明方法設計一種基于主慣導姿態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。
【發明內容】
[0009] 本發明針對以上問題，提出了一種步驟清晰、邏輯性好、處理效率高且評估精度高 的基于主慣導姿態變化量輔助的慣導對準性能評估方法。
[0010] 本發明的技術方案為：按以下步驟進行評估： 51、 完成子慣導系統及DGPS的預熱準備，利用已對準的艦船的主慣導系統完成對艦船 上的其他設備的子慣導系統的傳遞對準； 52、 對主慣導系統和子慣導系統分別進行導航解算，采集DGPS輸出的艦船的速度信息 和位置信息角速率信息，主慣導系統輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導系統輸出的 速度?目息和位置?目息，米集時間為120秒； 53、 構造姿態變化量的測量方程：
【主權項】
1. 一種基于主慣導姿態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、 完成子慣導系統及DGPS的預熱準備，利用已對準的艦船的主慣導系統完成對艦船 上的其他設備的子慣導系統的傳遞對準； 52、 對主慣導系統和子慣導系統分別進行導航解算，采集DGPS輸出的艦船的速度信息 和位置信息角速率信息，主慣導系統輸出的艦船的角速率信息，并采集子慣導系統輸出的 速度彳目息和位置彳目息，米集時間為120秒； 53、 構造姿態變化量的測量方程：
式中，
主慣導與子慣導之間的姿態變化量差， ?是艦船的角速率信肩
>是主子慣導傳遞對準結束時刻的姿態失準 角；[?x]是?的反對稱矩陣
54、 構造基于主慣導姿態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構造的速度差，&為子慣導與DGPS構造的位置差，\為子 慣導與主慣導構造的姿態變化量；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、經度；；、Ff?分別為子慣導系統輸出的東向、北向速 度，爐分別為子慣導系統輸出的煒度、經度； 55、 構造基于主慣導姿態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、根據系統的狀態方程、量測方程及在（2)、（3)、（4)中得到的相關數據，進行卡爾曼 濾波解算： 傳遞對準精度評估系統連續狀態空間模型：
為（2)中采集的子慣導姿態矩 陣，乂'//為（2)中采集的子慣導東向、北向比力在導航坐標系內的投影，< 為子慣導系 統的陀螺隨機漂移； 對上述模型進行離散化，得到系統的離散化狀態空間模型為：
式中，知1，2, 3,…；氣^為一步轉移矩陣；馬，為量測矩陣，且圮為系統噪 聲，且珥] =fi，g為卡爾曼濾波器的系統噪聲方差陣；為量測噪聲，且有
式中，ie為量測噪聲方差陣，』Rf"3為DGPS與子慣導系統速度差的量測噪聲方差陣， 為DGPS與子慣導系統位置差的量測噪聲方差陣，^為主、子慣導系統姿態變化量 差值的量測噪聲方差陣； 結合在（2)、（3)、（4)中得到的相關數據，進行卡爾曼濾波解算，其濾波方程為：
式中，知1，2, 3,…；為狀態一步預測量，為一步預測誤差方差陣，At為濾波 增益矩陣，戈f為狀態估計量，為估計誤差方差陣； 保存產生的四個濾波矩陣用于固定區間平滑解算，這四個矩陣分別是：一步轉移矩陣，一步預測誤差方差陣P/w，狀態估計量戈f，估計誤差方差陣P/ ; S7、利用卡爾曼固定區間平滑方程對（4)中存儲的數據進行逆向平滑估計，獲取傳遞 對準對準結束時刻的姿態失準角，實現對艦載武器慣導系統傳遞對準的對準精度評估； 卡爾曼固定區間平滑方程為：
式中，如妒1，妒2,……，0,減示解算的步數；氣w、為J、P/分別是⑷中存儲 的濾波數據；為平滑增益矩陣，巧為平滑誤差方差陣，戈1為系統邪寸刻狀態的最優平 滑估計，筆為系統初始狀態為的平滑估計結果，即筆的值就是精度評估的結果；完畢。
【專利摘要】一種基于主慣導姿態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、子慣導系統分別進行導航解算、構造姿態變化量的測量方程、構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，獲取傳遞對準結束時刻的姿態失準角，實現對艦載武器慣導系統傳遞對準的對準精度評估，本發明方法設計一種基于主慣導姿態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
【申請號】CN201510259877
【發明人】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