自航式诱饵捷联惯性系统初始对准难点及方案

孙权

（海装广州局驻昆明第一军代室，云南 昆明 650107）

随着武器装备科学技术发展，反潜声呐和鱼雷性能不断提高，给潜艇造成的威胁越来越大。自航式诱饵（下简称“诱饵”）可以有效欺骗来袭鱼雷和敌方声呐，掩护潜艇机动规避逃离，它是潜艇最为重要的水声对抗器材，对于潜艇生存具有重要意义。诱饵采用捷联惯性技术，减少硬件强化软件，可以较大程度提高诱饵性能。诱饵捷联惯性系统由惯性测量组件陀螺仪、加速度计和导航计算机构建成，角速度和加速度测量信息经采样送至导航计算机进行姿态矩阵（也称捷联矩阵）的计算，并进一步计算诱饵航向角、俯仰角、横滚角、速度和位置。姿态矩阵体现的数学平台必须准确地对准和跟踪导航坐标系，以避免导航控制参数产生误差。对于刚加电启动工作的诱饵捷联惯性系统，数学平台尚未确定，三轴指向随机，不一定在水平面内，没有确定方位，故捷联惯性系统在进入导航工作状态前，需进行初始对准，在较短时间内使数学平台调整到导航坐标系内，也就是要在一定精度内确定出从雷体坐标系到导航坐标系的初始变换矩阵[1]，完成初始初始对准。

同装甲火控捷联系统一样，基于诱饵快速反应发射要求，其捷联惯性系统初始对准必须在较短时间内完成。同时，由于初始对准结束后的精度就是平台进入导航工作时的初始精度，且纯惯导系统导航精度基本上保持在初始对准结束时的精度范围之内，为了确保诱饵精确制导，初始对准还必须保证相当高的精度，即诱饵初始对准必须兼具准确性与快速性，对准精度尽可能高，对准时间尽可能短，而技术实现时对准精度和快速性这两方面要求互相制约，同时实现缩短对准时间又提高对准精度，技术难度非常大[2]。高精度快速对准是诱饵捷联惯性系统的关键技术，解决好诱饵捷联惯性系统初始对准意义重大。

1 自航式诱饵捷联惯性系统初始对准难点

同飞机、舰船等运载体相比，诱饵无论从质量、体积、技术要求还是战术使用都不一样，决定了诱饵捷联惯性系统初始对准和舰船飞机初始对准有着较大不同。舰船、飞机一般是在出航或起飞前处于静止情况下进行静基座初始对准，其对准时间通常较长，以提高对准精度。诱饵捷联惯性系统初始对准从一定角度上讲，其要求更高，对准难度更大，具体表现为以下几个方面。

现代诱饵正朝着高机动性方向发展，战术使用要求诱饵发射后能大角度旋回、大俯仰角爬潜以尽快远离发射舰艇，迅速展开以干扰诱骗敌来袭鱼雷或声呐，为潜艇机动规避，逃避跟踪和打击赢得宝贵时间，确保舰艇安全，这需要诱饵具有较高机动性和制导精度[3]。由于诱饵捷联系统初始对准结束时精度就是进入导航工作状态的初始精度，并决定着惯导系统后期导航精度，所以初始对准必须保证较高精度。

作为潜艇保生存的有效应急武器，诱饵有一个重要的战术指标，那就是发射准备时间，该时间必须非常短。诱饵捷联惯性系统初始对准必须在发射前的准备时间内完成，不像飞机、舰船进行初始对准时，时间较为充裕，而对准精度和快速性这两方面要求在技术实现时互相制约，保证一定精度下实现快速对准，技术难度非常大。

因战场装载舰艇随时处于运动状态，诱饵捷联惯性系统初始对准需进行动基座初始对准。受浪涌影响，初始对准中舰艇很难做匀速平直航行，除线运动外还不停地做复杂摇摆运动，舰艇航向角、姿态角随时在变，干扰加速度叠加到诱饵上，加速度计区别不出哪个是数学平台不水平引起的重力在加速度计上的分量，哪个是舰艇摇摆附加进来的干扰加速度，诱饵初始对准难度不小。

惯性敏感元件直接安装在诱饵基座上，工作环境十分恶劣，严重受各种各样随机干扰，陀螺漂移以及加速度计偏置比静态时大很多，敏感元件输出的大部分信号皆为随机干扰，大大增加了初始对准难度，传统初始对准方法不能有效滤除这些干扰，需另辟蹊径。

诱饵捷联惯性系统进行初始对准时，需要把舰艇综合导航系统提供的舰艇航向角、姿态角以及其他信息（如速度）传递给诱饵发控仪，然后通过接口电路再传递到诱饵导航计算机。在传递对准信息的过程中必然有一段时间延迟，这就会引起初始对准误差；另外在传递对准信息的过程中，杆臂效应以及船体挠性变形均会给传递的参数造成误差，降低初始对准精度。

2 自航式诱饵捷联惯性系统初始对准方案探讨

一般捷联惯性系统初始对准采用经典法，它基于经典控制理论，通过校正环节使水平失准角稳定到一定精度，并利用罗经效应法或方位误差估算法，使垂直失准角逐渐减小并达到允许范围内。为了使对准过程具有良好的动态特性、较小的超调、较小的后期误差及较短的对准时间，需对所设计的对准方案反复进行参数优化设计。经典法初始对准烦琐复杂，对准方案设计不易；对准时间较长，往往需要几百秒以上；不能消除诱饵惯性敏感元件受舰艇摇摆耦合进来的各种很大又有害的随机干扰。

鉴于诱饵捷联惯性系统初始对准要求时间短、精度高；初始对准时数学平台初始状态随意、陀螺和加速度计输出叠加有随机干扰，应用基于现代控制理论的卡尔曼滤波法进行初始对准应是较为理想的方案，这是因为卡尔曼滤波是估计随机变量的一种最优方法，它有着诸多优点，它不仅能处理一维随机过程，也能处理多维随机过程；能处理平稳随机信号，更能处理非平稳随机信号；还可采用状态方程描述被估计量的动态变化规律[4]。诱饵捷联惯性系统采用卡尔曼滤波法，可以从各种随机干扰中估计出平台失准角，通过校正使数学平台与导航坐标系对准；可以估计出陀螺随机漂移和加速度计随机零偏进行补偿，并进一步提高初始对准精度；卡尔曼滤波法采用递推算法，不要求存储过去测量值和中间计算值，可大大节省存储单元，降低导航计算机容量要求。无论是改善对准精度还是缩短对准时间，卡尔曼滤波法都优于经典法。

就具体对准方案而言，诱饵捷联惯性系统初始对准可以采取两个步骤，先进行粗对准，再进行精对准，以提高初始对准效率。粗对准阶段，第一种方法可采用传递对准法，将舰艇综合导航系统的首向角和姿态角通过诱饵发控仪装定到诱饵捷联惯性系统中，迅速将数学平台对准导航坐标系，确定出载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵（捷联矩阵）；第二种粗对准方法是方位装定自主解析调平法，用加速度计重力矢量测量值估算出诱饵姿态角，结合装定到诱饵捷联系统中的首向角来解算捷联矩阵；第三种对准方法是解析粗对准法，先由外部信息确定出一初始捷联矩阵，再利用诱饵敏感元件提供的信息校准初始捷联矩阵完成粗对准。诱饵粗对准后两种方法中，忽略了加速度计零位偏置、陀螺漂移以及惯性敏感元件各种干扰，对准精度主要取决于敏感元件精度以及各种干扰大小。为减小干扰，可在某个时间段内对敏感元件量测值取均值，并让舰艇尽可能在鱼雷粗对准过程中作匀速平直运动。粗对准第一种方法最为简单，但精度相对要低一些；第三种方法显得复杂了些，进行多次矩阵运算使得粗对准时间较长，且对准精度不见得比第二种方法有多大提高，而诱饵粗对准是为了获得一个粗略捷联矩阵，时间要求较短，故诱饵捷联系统进行粗对准时可首选第二种方法。

由于粗对准时间比较短，受各种误差影响，粗对准结束后数学平台所反映的导航坐标系还不是真实的导航坐标系，它们之间存在失准角，包括由安装误差造成的常值失准角与随机误差源造成的随机失准角两部分，粗对准结束后得到的捷联矩阵还不精确，还必须进一步完成精对准。精对准阶段，可设计采用舰艇综合导航设备提供的信息（如位置或速度）作为观测信息，通过卡尔曼滤波法滤除各种有害干扰，同时对陀螺随机漂移和加速度计随机零偏进行估计和补偿，进一步估计出计算导航坐标系和真实导航坐标系之间的失准角，获得两坐标系之间的变换矩阵，再利用此矩阵校准系统导航参数解算过程中获得的捷联矩阵，最终得到更为精确的从载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵，完成全部对准过程。由此，通过粗对准和精对准两个步骤，可以实现诱饵捷联惯性系统快速、高精度初始对准。

3 结语

诱饵捷联惯性系统初始对准有着自己的特点，为确保诱饵战术使用性能，实现快速应急发射，要求诱饵初始对准必须时间短、精度高，但装载舰艇随时处于航行状态，并随浪涌一起做复杂运动，而诱饵惯性敏感元件又直接安装于基座，使得陀螺和加速度计信号干扰严重，造成诱饵进行初始对准难度非常大。本文提出诱饵捷联系统初始对准方案，先进行粗对准，再进行精对准。粗对准采用传递对准法、方位装定自主解析调平法或者解析粗对准法先使数学平台大致对准导航坐标系，再采用舰艇位置或速度作为观测信息，应用基于现代控制理论的卡尔曼滤波法进行精对准，去除敏感元件各种干扰，补偿陀螺随机漂移和加速度计随机零偏，最终实现在较短时间内完成高精度对准。