双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法

刘为任，宋高玲，孙伟强，刘 超，王 宁

（天津航海仪器研究所，天津 300131）

双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法

刘为任，宋高玲，孙伟强，刘 超，王 宁

（天津航海仪器研究所，天津 300131）

激光陀螺惯性导航系统在旋转调制过程中会产生锯齿形速度误差，影响舰载武器系统子惯导传递对准精度。通过分析锯齿形误差产生的机理，提出了一种基于不同旋转控制策略的双惯导数据融合方法，估计并补偿主惯导惯性元件误差，从而减小主惯导锯齿形速度误差波动幅度。仿真结果表明，补偿后主惯导速度锯齿形速度误差峰峰值减小了一个数量级，子惯导传递对准后的水平角精度提高了1.5″，方位角精度提高了3′。

锯齿形误差；传递对准；速度匹配；双惯导

传递对准是指载体在航行时，载体上需要对准的子惯导系统利用高精度的主惯导系统信息进行初始对准的方法。现代战争要求武器装备具有快速反应能力和精确打击能力，而武器装备的反应时间主要取决于武器装备中的惯性导航系统的初始对准时间，精确打击能力则取决于惯性制导的精度，而传递对准精度是影响惯性制导精度的关键因素。

影响传递对准精度的因素主要有三点：一是主惯导输出导航信息精度和信息稳定性；二是子惯导的惯性元件精度；三是传递对准方法。基于惯性元件测量信息的惯性量匹配对准法，具有良好的快速性，但易受干扰影响，对准精度稍差；基于导航解算信息“速度+姿态”的匹配对准法，利用姿态信息进行粗对准，利用速度信息进行精对准，虽快速性不如惯性量匹配法，但具有较高的对准精度，是目前舰载武器系统普遍使用的一种传递对准方法。

“速度+姿态”对准方法对主惯导的速度误差有两个方面的要求：一是速度信息精度；二是速度误差稳定性。平台式惯导和纯捷联惯导具有较好的速度误差稳定性，但速度精度偏低。近年来随着新型光学旋转调制惯导的应用，速度精度有了大幅度提高，但旋转同时会造成速度误差的周期性波动，产生锯齿形速度误差，影响了子惯导对准精度。

本文提出了一种基于双惯导的数据融合处理方法，可估计并补偿主惯导惯性元件误差，减小锯齿形误差，提高子惯导传递对准精度。

1 主惯导误差特性分析

静基座下旋转惯导系统的误差方程为

式中：δve、δvn为系统东、北向速度误差；α、β、γ为系统姿态误差角；δλ、δφ为系统经纬度误差；▽x、▽y、▽z为加速度计零偏；εx、εy、εz为陀螺漂移；R为地球半径；Ω为地球自转角速度；为台体系到导航系的转换矩阵，的取值与惯组所绕转轴及转过角度有关。

当惯性元件误差▽x、▽y、▽z、εx、εy、εz为常值激励时，采用双轴十六位置旋转控制策略，系统误差随时间变化曲线如图1所示。

图1 系统误差随时间变化曲线Fig.1 System error vs. time

由图1可以看出，双轴旋转惯导系统速度误差以旋转周期呈锯齿形振荡，这种振荡对传递对准是不利的，需要对其产生的机理进行分析，并采取相应的措施进行抑制。

2 锯齿形误差产生机理分析

双轴激光陀螺惯性导航系统采用十六次序转停方案，在一个旋转周期内使常值漂移引起的导航误差相互抵消，达到自动补偿的作用。系统中由旋转调制自补偿的陀螺仪和加速度计的常值漂移误差、标度因数误差和安装误差并没有消失，只是对系统的影响被平均掉了。而由于陀螺仪安装方位误差和标度因数误差和加表相关误差的存在，造成惯导系统在转位过程中导航解算得到的速度会出现锯齿形速度误差，如图 1所示。

影响传递对准精度的主要是锯齿形速度误差变化率，即加速度误差。锯齿形速度特性主要与惯性元件误差及旋转控制速度有关。理论上，转速时不会产生旋转调制锯齿形误差，随着转速逐渐增大，锯齿形误差幅度不变，但周期逐渐变小，加速度误差变大。旋转调制周期与舒勒周期重合时，加速度误差最大。此后随着转速继续增大，锯齿形误差波动幅度和周期都变小，旋转调制周期小于八分之一舒勒周期时，锯齿形误差波动幅度和时间呈比例变化，加速度误差不再发生明显变化。同一转速下，陀螺仪和加速度计零偏、标度误差、安装误差越大，锯齿形误差波动幅度则越大，加速度误差也越大，对子惯导的传递对准精度影响也越大。

3 锯齿形误差抑制方法

根据上文锯齿形误差产生的机理分析，可以从两个方面采取措施抑制锯齿波波动误差：一是优化旋转控制策略，国内外很多学者在这方面进行了研究，本文不再详述；二是减小惯性元件误差。本文采用的是基于双惯导的惯性元件误差和补偿方法（如图 2所示），通过设计不同的旋转控制策略，使两套惯导误差特性不同，据此可估计出两套惯导的惯性元件误差，减小锯齿波误差。

导航工作过程中，惯导1和惯导2的经纬度误差可实时观测，根据惯导系统误差方程，可利用Kalman滤波方法，实时估计出两套惯导系统的惯性元件误差。为了简化问题分析，惯性元件误差仅考虑陀螺漂移和加速度计零偏。实际工程应用中，还需考虑安装误差和标度误差，分析方法与陀螺漂移和加速度计零偏类似。

图2 双惯导惯性元件误差估计结构框图Fig.2 Framework of dual-INS integration navigation

3.1 状态方程

静基座下，惯导1和惯导2组合导航系统的状态空间表达式为

式中：

3.2 观测方程

以惯导1和惯导2的经纬度误差作为观测量得到观测方程：

4 仿真分析

4.1 仿真条件

2）初始纬度为39°；

3）采样时间为0.1 s；

4）惯导1采用双轴16位置转停控制策略，转速为6 (°)/s；惯导2采用双轴16位置转停控制策略，转速为–3 (°)/s；

4.2 仿真结果及分析

图3为惯性元件常值误差仿真估计图，可以看出，两套惯导系统经 Kalman滤波后分别估计出各自的陀螺漂移和加表零偏，其中陀螺漂移估计精度在 10-5(°)/h数量级，加表零偏估计精度在10-7g数量级。经过滤波后对主惯导惯性元件误差进行补偿，补偿后主惯导误差曲线如图4所示，对比图1可知，锯齿形速度误差波动减小了约一个数量级。

图3 惯性元件常值误差仿真估计图Fig.3 Simulation-based estimate of inertial elements’ errors

对主惯导信息补偿前后分别对子惯导做7 min传递对准，姿态角的对比图如图5所示。结果显示，在传递对准结束时，未经补偿的对准姿态角未完全收敛，水平角误差波动在12″，航向角误差波动在5′。经过主惯导的惯性元件误差补偿，姿态角收敛迅速，并且将子惯导的传递对准水平角精度提高了1.5″，方位角精度提高了3′。

图4 双惯导组合导航后输出信息曲线Fig.4 Output information of dual-INS error curves

图5 补偿前后子惯导传递对准结果对比图Fig.5 Transfer alignments of SINS before and after compensation

5 结 论

旋转调制技术在提高惯导系统长期导航精度的同时，使主惯导产生了锯齿形波动误差，影响了舰载子惯导传递对准精度。本文提出了一种基于不同旋转控制策略的双惯导数据融合方法，通过估计并补偿主惯导惯性元件误差，减小了主惯导锯齿形速度误差波动，缩短了传递对准时间，并使子惯导的传递对准水平角精度提高了1.5″，方位角精度提高了3′。

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High-accuracy transfer alignment method of double master INSs to slave INS

LIU Wei-ren, SONG Gao-ling, SUN Wei-qiang, LIU Chao, WANG Ning
(Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China)

The ring laser gyro INS (inertial navigation system) in rotation modulation process will produce sawtooth velocity error, which could influence the transfer alignment accuracy of the slave INS in ship-borne weapon system. By analyzing the mechanism of the sawtooth errors, a data fusion processing method for the double master INSs is proposed based on different rotation control strategies, and is used to estimate and compensate the inertial elements’ errors, so that the fluctuation amplitude of sawtooth velocity errors can be decreased. Simulation results show that the peak-to-peak value of the sawtooth velocity errors is reduced by an order of magnitude when the master INSs are compensated, and the precisions of the slave INS’s horizontal and azimuth angles are increased by 1.5″ and 3′ respectively after conducting the transfer alignment for the slave INS.

sawtooth error; transfer alignment; velocity matching; double INSs

U666.1

A

1005-6734(2016)05-0561-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.05.001

2016-07-30；

2016-09-28

综合船桥系统及导航操控设备（CXSF2014-3）

刘为任（1973—），男，研究员，硕士生导师，研究方向为导航、制导与控制。Email: weirenliu@eyou.com