基于水平阻尼的星光/惯性组合校准技术

周凌峰，赵小明，侯志宁，丁春蕾

（1.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001；2.天津航海仪器研究所，天津 300131）

基于水平阻尼的星光/惯性组合校准技术

周凌峰1,2，赵小明1,2，侯志宁2，丁春蕾2

（1.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001；2.天津航海仪器研究所，天津 300131）

根据星光/惯性组合导航系统舰载使用特点，考虑以SINS、CNS、LOG三者组合，设计组合校准方案。在SINS/CNS/LOG组合过程中，利用惯导系统的短期高精度特性，设计基于水平阻尼的卡尔曼滤波器对惯导舒勒周期进行补偿。星光/惯性组合校准技术建立在水平阻尼基础上，借助星光导航的航向和位置信息完成惯导位置误差、失准角和陀螺漂移的修正，从而实现组合系统长航时、远航程高精度导航。最后通过仿真对比试验验证星光/惯性组合导航系统校准方案的有效性。仿真结果表明：SINS/LOG组合后，惯导24 h位置误差CEP≤1.48 n mile，且位置误差会随时间积累；而SINS/CNS/LOG组合系统采用星光信息24 h一点校方案，第一次和第二次点校后，48 h和72 h惯导位置误差CEP≤0.5 n mile。由此可见，采用星光信息后，该组合方案能够显著提高惯导导航精度，达到延长惯导系统重调周期目的。

星光/惯性组合导航；水平阻尼；卡尔曼滤波；综合校准

导航系统作为现代军事武器装备的关键部件，既是作战载体精确导航的重要保障，也是作战武器精确打击作战目标的重要支撑，其导航精度直接决定了导航任务和作战任务的完成速度和质量。海面作战的舰船作为近海防御、远海防卫的重要载体，对导航系统的精确性、可靠性、自主性都提出了非常高的要求，另外还要求导航系统必须具备远航程、长航时的导航能力[1]。惯导系统（简称“INS”）作为最主要的导航系统，由于惯性元件的限制，难以满足现代舰船导航军事需求，需与其他导航手段进行组合来提高导航系统的综合性能[2]。

目前，国内外普遍采用的GPS与惯导进行组合，通过 GPS提供的高精度位置和速度信息来对惯导误差进行修正。然而，2013年美国联合参谋部定位、导航和授时总体规划资料表明，美军已明确提出通过应用导航战（NAVWAR）实现并维护定位、导航和授时信息的优势，限制并压制敌方应用卫星导航技术。可见在战时，卫星导航系统在实战环境中难以保证舰船导航的精度和可靠性，因此当前迫切需要研究多种舰载无源组合导航手段，与惯性/卫星组合导航技术发展相匹配，确保战时舰船和舰载武器装备对导航信息的可用性、可靠性和精度的需求。星光导航(简称“CNS”)不受时域、空域限制，具备独立自主特点和误差不随时间积累的优势，可提供高精度的航向和位置信息，成为了重要的辅助导航手段[3-6]。CNS作为一种无源导航手段，与INS组合，可进行优势互补，构成一种无源组合导航，与惯性/卫星组合导航技术匹配。

考虑舰载使用环境中，海浪冲击易造成舰船垂荡和摇摆以及海面复杂多变气候条件，惯导主要工作模式大多建立在电子计程仪（LOG）提供速度进行水平阻尼的工作状态下[7]。舰载CNS进行地理系下定位时需要惯导提供水平姿态信息作为地平基准，而处于临界条件下的无阻尼惯导系统加速度计零位变化时，易造成姿态误差发散，将直接影响星光导航地平信息精度，进而影响到星光导航的定位精度[8]。针对这个问题，结合惯导主要工作模式，本文提出了一种基于水平阻尼的SINS/CNS/LOG组合校准方案，通过选取合理的高阶阻尼网络，设计了基于水平阻尼的SINS/CNS卡尔曼滤波器，利用星光导航航向和位置信息对惯导位置误差、失准角和陀螺漂移进行校正，有效抑制了惯导误差发散，从而延长系统重调周期，实现组合系统长航时、高精度导航。

1 水平阻尼网络选取

舒勒周期振荡误差主要表现在水平通道上，为了使舒勒周期振荡的误差得到阻尼，通过引入电子计程仪的速度信息，经过阻尼网络反馈到系统中去。该地理系下阻尼网络及参数的选择可借鉴半解析平台式的网络模式及参数选择方式[9]，如图1所示。

图1 外速度阻尼方块图Fig.1 Block diagram of external velocity damping

在选取阻尼网络时，一方面需考虑陀螺漂移随机分量所产生的误差均方根值尽可能小，另一方面又需考虑惯导系统对舰船运动的敏感性尽可能最小。阻尼系数越大，陀螺漂移随机分量所产生的误差越小，从减小陀螺漂移随机分量对系统的影响来看，阻尼系数大些好。但是，随着阻尼系数增大，当舰船机动运动时所产生的误差也大。当阻尼系数再增大时，陀螺的随机漂移分量减小的并不明显。从这两方面考虑，在系统中的阻尼网络的高阶传递函数则可取等效阻尼系数为0.5。

2 阻尼系统误差方程

误差方程是用以研究惯导系统各误差源与系统输出量之间的关系。根据阻尼系统的误差方块图，可推导水平外速度阻尼和高度阻尼系统的误差方程。阻尼系统的误差方块图如图2所示。

图2 阻尼系统误差方块图Fig.2 Block diagram of damping system errors

外速度水平阻尼误差方程：

3 基于水平阻尼条件下的Kalman滤波器

3.1 水平阻尼条件下的状态变量

由水平阻尼系统误差方程可知，水平阻尼的滤波器状态量主要有：陀螺常值漂移陀螺标度和轴系安装误差陀螺标度和轴系安装误差陀螺的标度和轴系安装误差加速度计零位X加速度计轴系安装误差加速度计的轴系安装误差加速度计标定和轴系安装误差则状态变量为：

3.2 水平阻尼条件下的状态方程

水平阻尼条件下系统的误差方程为状态方程：

式中：F为状态转移矩阵；G量测转移矩阵。

3.3 水平阻尼条件下的量测方程

在船用平台，星光导航设备通过观测恒星，在没有任何外部参考信息情况下，可自主的确定星敏感器

星光/惯性组合导航系统以航向和位置为观测量构造量测方程为：

4 仿真分析

为了验证基于水平阻尼条件下的星光/惯性组合校准方案的有效性，采用24h一点校方法。星光导航提供基准数据精度为：航向误差≤3″，水平角误差≤2″；只考虑姿态阵转换误差，则经度误差≤2.3′，纬度误差≤2.1′。共进行两个24h点校的校准周期，仿真条件设置如表1所示。

仿真结果如图3～图7所示。从这些仿真图可以看出，在水平阻尼条件下，引入星光导航信息后，速度误差没有明显改善，但是经度、纬度在引入星光信息时刻得到校正。从位置误差来看，SINS/LOG组合后惯导位置误差CEP≤1.48 n mile，且位置误差会随时间积累，引入星光信息后，经第一次和第二次24 h一点校后，SINS/CNS/LOG组合的惯导位置误差 CEP≤0.5 n mile。由此可见，该组合方案能够显著提高惯导导航精度，达到延长惯导系统重调周期目的。

表1 仿真条件Tab.1 Simulation conditions

图3 组合系统综合校准东速误差Fig.3 East-velocity error of integrated calibration

图4 组合系统综合校准北速误差图4 North-velocity error of integrated calibration

图5 组合系统综合校准经度误差图5 Longitude error of integrated calibration method

图6 组合系统综合校准纬度误差图6 Latitude error of integrated calibration method

图7 组合系统综合校准位置误差图7 Position error of integrated calibration method

5 结 论

本文根据星光/惯性组合导航系统的特点，开展舰载惯导校准方案的应用研究。采用惯导系统水平阻尼的设计思路，以电子计程仪作为外速度参考，对加速度计误差和陀螺漂移对系统造成的舒勒周期振荡进行阻尼，为综合校准提供较好的修正条件。本文重点分析了阻尼网络的选取，并进行了水平阻尼条件下的卡尔曼滤波设计，引入星光导航信息，提出切实可行的24h一点校修正方案，有效延长惯导系统重调周期。

（References）：

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CNS/SINS integrated calibration technique based on level damping

ZHOU Ling-feng1,2, ZHAO Xiao-ming1,2, HOU Zhi-ning2, DING Chun-lei2
(1.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)

According to the fact that shipboard SINS often works on level damping mode and the application characteristics of CNS/SINS integrated navigation system under marine environment, an integrated calibration scheme is designed based on SINS/CNS/LOG integrated navigation system.By using SINS has high accuracy navigation in short term, a Kalman filter under level velocity damping conditions is proposed for CNS/SINS integrated navigation system to compensate SINS schuler cycle.For CNS/SINS integrated calibration technology based on horizontal damping, the SINS reset cycle is extended.Since INS position errors, misalignment angle and gyro drifts are corrected by CNS heading and position information assistance,long endurance and high precision navigation can be realized.Finally, the validity of CNS/SINS integrated calibration scheme is verified by simulation experiments.Simulation results show that the SINS/LOG position error is CEP≤1.48 n mile at 24 h, and will accumulate over time, and the SINS/CNS/LOG position error changes to CEP≤0.5 n mile both at 48 h and 72 h after the first and second point calibrations.Thus it can be seen that the navigation accuracy of SINS under level damping can be improved significantly, and the reset period can be extended by using CNS point calibration per 24 h method.

SINS/CNS integrated navigation system; level damping; Kalman filter; integrated calibration

U666.1

A

1005-6734(2017)05-0561-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.05.001

2017-05-23；

2017-09-08

国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ310799）；装备预研船舶重工联合基金项目（6141B04050201）

周凌峰（1981—），女，博士研究生，主要从事导航、组合导航与系统控制研究。E-mail: zhzhwy@163.com

联 系 人：赵小明（1961—），男，研究员，博士生导师，主要从事导航、制导与控制系统研究。