一种改进的舰载机快速传递对准方法

王勇军，徐景硕，王晓飞，罗恬颖

（1. 海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041；2. 92514部队，烟台 264007；3. 南昌航空大学 信息工程学院，南昌 330063）

一种改进的舰载机快速传递对准方法

王勇军1,2，徐景硕1，王晓飞3，罗恬颖1

（1. 海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041；2. 92514部队，烟台 264007；3. 南昌航空大学 信息工程学院，南昌 330063）

为提高舰载机的快速反应能力，设计了一种测量参数组合匹配传递对准新方法。以舰载机惯导的姿态四元数和移动基准惯导的姿态四元数为切入点，通过四元数乘法构建量测量，并与角速度匹配组合构成量测方程，可有效克服传统姿态角匹配计算量大的不足，并获得较好的快速性和滤波精度。给出了数学模型，阐述了工作思路，推导了量测方程，并在舰载条件下进行了分析比较和仿真验证。仿真结果表明，采用本文提出的方法可获得良好的稳健性、快速性和准确性，估计精度与角速度加姿态角匹配方案的精度相当，计算量也明显减小。舰载机惯导系统不但在不到10 s的时间里就完成了对失准角和安装误差角的估计，估计精度均在0.5＇以内，还能在不到100 s的时间里完成对陀螺漂移的估计，实现对陀螺器件的标定。

捷联惯导系统；快速传递对准；测量参数匹配；组合匹配；角速度匹配；姿态四元数

传递对准常被作为舰载机捷联惯导系统初始对准的首选方案[1-2]。为适应准确、快速的作战要求，舰载机惯导系统传递对准必须具备良好的准确性和快速性。舰载惯导传递对准的精度[3]主要来自惯导安装误差、甲板变形和惯性器件误差等因素的影响。且因舰船庞大体型，传递对准一般在舰船低幅度线运动和角运动的条件下进行。按照匹配性质，传递对准[4]可分为测量参数匹配和计算参数匹配。

总体而言，测量参数匹配，如角速度匹配，姿态角匹配，其快速性好，但估计精度不高，而计算参数匹配，如速度匹配，其估计精度较高，但响应时间较长。“速度+姿态”[5-6]匹配虽可以提高快速性和估计精度，但对变形角的估计时间较长，且无法估计惯性器件误差。由于受风浪影响，船体轴会产生扭矩，会使得机载惯导感测的角速度和母舰惯导感测到的角速度有较大偏差,无法直接将其角速度信息进行匹配。若采用角速度匹配法，可以采用移动基准惯导作为参考基准。姿态角匹配可以提供较为平滑的匹配信号，角速度匹配对运载体的运动状态敏感，比较适用[7]于舰船这种低动态环境下的传递对准。由于角速度匹配和姿态角匹配都加强了对姿态误差的耦合，如将两者组合可有效提高对失准角和安装误差角的观测性，有望获得较好的快速性和准确性。

考虑到姿态角匹配的量测方程较为复杂，计算量较大，本文拟采用角速度加姿态四元数匹配，旨在提高快速性和对准精度的同时，有效减小计算量，实现舰载机惯导的快速传递对准。仿真结果验证了该方案的有效性，并在相同条件下与角速度加姿态角匹配方案进行了比较。

1 基本思路

设主、子惯导的导航坐标系为东北天地理坐标系，舰体（机体）坐标系方向为右前上。由于受风浪影响，甲板变形幅度较大，不能直接将母舰惯导和舰载机惯导的角速度信息进行比对。可以采用移动基准惯导系统和舰载机惯导系统进行机电匹配。快速传递对准原理如图1所示。由于姿态误差角、动态挠曲变形角和安装误差角的存在，舰载机惯导确定的姿态矩阵为：

图1 快速传递对准原理图Fig.1 Schematic of rapid transfer alignment

2 数学模型

2.1 系统状态方程

2.2 角速度匹配量

2.3 姿态四元数匹配量

式中，n′和n′分别为基准惯导和舰载机惯导计算导航坐标系，φ和 φm分别为舰载机惯导和基准惯导的姿态误差角。

忽略向量叉乘引起的二阶小量，展开并整理式(4)得：

根据状态变量，结合参考文献[5]，姿态角匹配量为

从式(6)(7)可以看出，姿态四元数匹配量的计算量明显小于姿态角匹配量的计算量。

2.4 角速度+姿态四元数匹配量

由式(3)(6)得角速度+姿态四元数匹配量测方程：

3 仿真验证

舰体右前上三轴摇摆[10]幅值分别为5°、5°和6°，摇摆周期分别6 s、8 s和9 s。甲板动态变形的相关时间分别为1000 s、3000 s、2000 s。舰船运动轨迹：在0～20 s内以0 m/s的初速度，0.5 m/ s2的加速度匀加速直线航行，在20～80 s等速直线航行，在80～90 s以-0.5 m/ s2的加速度匀减速直线航行，之后一直等速直线航行。

图2 东向失准角估计误差Fig.2 Estimation error of misalignment angle in east direction

图3 北向失准角估计误差Fig.3 Estimation error of misalignment angle in north direction

图4 天向失准角估计误差Fig.4 Estimation error of misalignment angle in up direction

图5 陀螺漂移估计误差Fig.5 Estimation error of gyro drift

图6 安装误差角估计误差Fig.6 Estimation error of installation error angle

从图2～图7中可以看出，“角速度+姿态角”匹配和“角速度+姿态”四元数匹配传递对准的精度相当。“角速度+姿态”四元数匹配方案的响应时间更快。本文采取的方案在不到10 s的时间内完成了对失准角和安装误差角的估计，估计精度在0.5′内。100 s的时间里可以完成对甲板动态挠曲变形角的估计，估计精度在 0.1′内，其影响可以忽略。同时还完成了对陀螺器件漂移的估计，估计精度达3×10-3(°)/h。

4 结 论

通过理论分析和仿真验证得知，采用基于“角速度+姿态”四元数匹配方案可以在不降低精度的情况下，不但在很短的时间内完成对失准角和安装误差角的估计，还能有效减少计算量。采用此方案可获得良好的稳健性、快速性和准确性，能快速实现舰载机惯导传递对准，实现对陀螺器件的标定，从而有效提高舰载机的快速反应能力。

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）：

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Improved rapid transfer alignment method for SINS of carrier plane

WANG Yong-jun1,2, XU Jing-shuo1, WANG Xiao-fei3, LUO Tian-ying1
(1. Qingdao Campus of Naval Aeronautical and Astronautical University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 92514 of PLA, Yantai 264007, China; 3. Institute of Information Engineering, Nanchang HangKong University, Nanchang 330063, China)

To improve the quick reaction capability of shipborne plane, a new transfer alignment method based on integrated matching of measurement parameters is designed. Based on the attitude quaternions of strapdown inertial navigation systems (SINS) both in the shipborne plane and the mobile reference, the measurements are built by quaternion multiplication, and the measurement equation is formed by integrating with the angular rate matching. Meanwhile, the mathematic model is given, the work method is expatiated, and the measurement equation is applied to shipborne SINS. The simulation results show that this method can reduce heavy calculation burden of traditional attitude match and obtain better robustness rapidity and filtering accuracy. Its estimation precision is the same with that of the method based on angular rate plus attitude angle match, while its calculation amount is much less. The SINS of shipborne plane can complete the estimations of misalignment angle and installation error angle in 10 s and the estimation precision is over 0.5′. Meanwhile, it can estimate gyro drift in 100 s and realize the calibration for gyro components.

strapdown inertial navigation system; rapid transfer alignment; measurement parameter match; integration match; angular rate match; attitude quaternion

联 系 人：徐景硕（1965—），男，教授，博士生导师。E-mail：xujingshuo@sina.com

1005-6734(2014)05-0597-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.05.008

V249.32+2

A

2014-00-00；

2014-00-00

王勇军（1978—），男，工程师，博士研究生，从事惯导对准和组合导航研究。E-mail：wang94095@sina.com