定位定向系统长时间姿态精度保持方法与实现＊

贾 勇，刘生攀，李岁劳

（1.贵州航天控制技术有限公司技术中心，贵州 贵阳 550009；2.西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710119）

定位定向系统精度对武器装备性能有重要影响。其速度精度和位置精度较易满足指标要求，而姿态精度保持主要由惯性导航系统实现，其中俯仰角和横滚角精度保持也很容易实现，但航向精度保持一直是难点。究其原因，一是陀螺漂移对航向精度的影响，且在载体无典型机动时，较难获得陀螺漂移值；二是等效东向陀螺漂移在初始对准时对航向角误差的影响，较难分离[1]。

针对定位定向系统长时间精度保持问题，常用的手段是采用精度在千分量级的高精度陀螺仪，辅以单点/两点位置信息+外界航向信息，或者三点位置信息，且校正间隔时间在数小时、十多个小时或几天[2-5]。由于本文所述定位定向系统所用陀螺精度在百分量级，上述方法并不适用。

分析该定位定向系统使用环境可知，该系统安装在固定不动的武器发射车上，速度和位置均可认为不变，仅存在有限的转动，可充分利用零速条件建立滤波方程，解决定位定向系统长时间姿态精度保持问题。为此，本文提出并实现了一种零速修正与卡尔曼滤波相结合的长时间姿态精度保持方法。

1 定位定向系统工作方案

如图1 所示，武器发射车用定位定向系统采用反馈校正方式的惯导/北斗组合导航模式实现其定位定向。在零速条件满足的情况下，系统在进行组合导航的同时，进入零速修正模块，以此进行姿态修正，从而为武器发射车提供长时间的高精度姿态信息。

图1 定位定向系统工作方案示意图

2 零速修正理论分析

2.1 零速修正技术

所谓零速修正技术，其原理就是利用车辆在停车时速度为零的条件，将停车时定位定向系统的速度输出作为系统速度误差的量测量，进而对其他各项误差进行修正，它可有效地控制定位定向系统长时间工作的误差累积，从而提高定位定向系统的精度[6-7]。

2.2 滤波方程建立

由于定位定向系统安装在固定不动的武器发射车上，系统位置不变，没有速度，简化后捷联惯导系统更新算法如下：

由式（1）可得相应的误差模型，具体如下：

由式（2）建立的基于零速修正技术的卡尔曼滤波方程如下：

式（3）中的z由定位定向系统速度输出确定，而零速修正条件如下。

在导航状态下，每10 ms 进行一次车体运动判断，直至导航结束。若连续5 s 同时满足以下3 个条件，则判定“车体无运动”，否则判定“车体有运动”。3 个条件具体如下：①|ΔVE|1s＜0.05 m/s，|ΔVN|1s＜0.05 m/s；②|VE|＜0.1 m/s，|VN|＜1.0 m/s；③，＜2°。

上述速度累加值和角增量累加值为当前1 s 内累加值，滑动周期为10 ms，速度为当前时刻速度。

2.3 滤波流程

将式（3）化为离散型滤波方程，相应的状态方程和量测方程[9-10]如下：

对于式（4），只要给定初值0和P0，根据k时刻的量测量Zk就可以递推得到k时刻的状态估计值（k=1，2，3，…）。

按下述方程可求解Xk的估计值：

详细的卡尔曼滤波流程如图2 所示。

图2 卡尔曼滤波流程图

3 试验验证

针对某型定位定向系统提出的长时间姿态精度保持要求，本部分进行试验验证。

3.1 转台试验

如图3 所示，将定位定向系统固定安装在三轴转台上，将转台转动4 个位置进行24 h 导航试验，在每个位置各进行一次试验。各位置试验结果如图4 所示。

图3 定位定向系统转台安装图

由图4 可知，引入零速修正技术后，俯仰角和横滚角具有的周期性振荡得到消除，航向角中与地球自转周期相关的周期性波动也得到消除，且波动范围由原来的近0.1°减小为优于0.05°。

图4 转台试验结果

3.2 导航车试验

如图5 所示，定位定向系统固定安装在导航试验车上（导航试验车大致朝北）。完成初始对准后，进入24 h 导航试验，共进行了2 次试验。纯惯导解算结果与长时间姿态精度保持方法结果分别如图6 所示（图中出现的跳变是由于人员走动或自然环境变化等因素造成的，非算法导致）。

图5 定位定向系统实物安装图

图6 导航车试验结果

为验证新方法的有效性，将导航试验车稍微转动一定角度后，重新进行24 h 试验，试验结果如图7 所示。

图7 导航试验车转动后试验结果

由图6、图7 可知，与转台试验类似，采用本文提出的基于零速修正和卡尔曼滤波相结合的长时间姿态精度保持方法后，俯仰角和横滚角具有的周期性振荡得到消除，使俯仰角和横滚角输出更平稳；对于航向角，无论是地球周期振荡还是叠加在其中的休拉振荡，也都得到消除，同时，在导航车转动一定角度后，原有的近0.27°的航向波动得到明显减小，优于0.06°，并且航向角最后趋于稳定。

4 结论

针对某型武器装备对定位定向系统提出的长时间姿态精度要求，本文提出并验证了一种新的零速修正与卡尔曼滤波相结合的长时间姿态精度保持方法，给出了使用该方法的零速修正条件。试验结果表明，该方法能有效地提高定位定向系统姿态精度，并且能长时间保持在要求范围内，为后续武器装备配套奠定基础。但该方法还存在一定的不足，在后续工作中还需做进一步改进和试验验证，以提高定位定向系统性能和稳定性。