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采用卫星与惯性导航对空投精确控制研究

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第33卷第12期 计算机仿真 2016年12月 文章编号:1006—9348(2o16)12—0069—04 采用卫星与惯性导航对空投精确控制研究 尹剑,高教波,刘延虎,张琬琳 (西安应用光学研究所,陕西西安710065) 摘要:精确空投系统需要载荷投放到空中后在运动状态下,载荷捷联的卫星与惯性组合导航子系统完成初始对准,为后续精 确对准及组合导航提供初始姿态矩阵。在上述条件下因陀螺无法测出地球自转角速度,而且重力加速度受到干扰,传统的 静基座及晃动基座对准的方法无法采用。因此如何完成载体空中动基座对准成为精确空投系统的技术难点。针对上述问 题,提出了一种运动状态下,利用导航坐标系和载体坐标系比力映射关系的求解初始姿态矩阵的方法。上述算法是在卫星 导航装置辅助下,测得对准时段内的载体位置坐标及导航坐标系下载体的运动速度,根据比力方程并对姿态矩阵进行分解, 导出初始姿态矩阵的解算表达式。模拟空投载体的下落过程,对算法误差进行了仿真分析,结果表明算法产生的误差角均 为小角度,并可以进行后续精确对准。验证了上述方法可以满足精确空投系统的载体空中动基座初始对准的需求。 关键词:精确空投系统;捷联惯导;初始对准;动基座 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B Moving Base Initial Alignment Method of Airborne Load SINS in Precise Airdrop System YIN Jian,GA0 Jiao—bo,LIU Yan—hu,ZHANG Wan—lin (Xi’all Institute of Applied Optics,Xi’an Shanxi 7 10065,China) ABSTRACT:SINS fixed on some kind of precise airdrop load needs to complete initial alignment in the process of landing.On the condition that carrier is moving,traditional stationary alignment method and rocking base alignment method cannot be applicable.To overcome these diifculties,a moving base initila alignment method was proposed in the paper.With the help of position and velocity information in navigation coordinate frame,which was provide by satellite positioning system,the initial attitude matrix was determinate,according to the projection relationship of spe— cific force between navigation coordinate frame and body coordinate frame.Simulation results show that the error an- gle become smaller.So this method is valid,and it Call satisfy the needs of initial alignment for airborne load SINS in precise airdrop system. KEYWORDS:Precise airdrop system;SINS;Initila alignment;Moving Base 速率和重力加速度的测量而自主的确定,这个确定粗略的初 l 引言 始姿态矩阵的过程就是初始对准。但是由于在精确空投系 精确空投系统需要在伞降载荷投放后对载荷的下行运 统中捷联导航系统与载荷固联,并且为了保证投放过程的安 动过程进行控制,这样就需要实时获得载荷的位置及姿态信 全性及可靠性,通常情况下采用投放后载荷系统才上电的方 息,通常采用卫星与惯性导航相组合的捷联导航系统。而组 式。因此无法实现人工装订及由飞机上的导航设备传递的 合导航系统是根据失准角误差模型利用信息融合的方法对 对准过程,只能采用自主对准的方式。而传统的自主初始对 失准角误差进行估计。但是对失准角的估计是建立在具备 准过程中,姿态矩阵是在系统处于静态的情况下利用陀螺和 粗略的初始姿态矩阵的基础上的,就需要一个确定粗略的初 加速度计测量地球自转角速率和重力加速度在捷联系统载 始姿态矩阵的过程,初始粗略姿态矩阵的获取可以人工装 体上的分量通过计算而获得。而在精确空投系统中,自主对 订、由其它导航设备传递或采用捷联惯组利用对地球自转角 准过程在载荷投放后的载荷在空中处于运动及晃动的状态, 这样地球自转角速率及重力加速度上叠加了由于晃动及运 收稿日期:2016—01—09修回日期:2016-02-02 动的干扰量,造成传统的初始对准方法的误差很大,无法采 一69— 用。晃动或运动条件下的初始对准是精确空投系统中的重 程就是取得这个初始姿态值而建立初始姿态矩阵的过程。初始 对准过程所解算出的初始姿态矩阵是后续组合导航计算的基 要研究课题。文献[4]中提出了晃动情况下的初始对准算 法,文献[5]继承了这种思想,并进行了适当的改进,提高了 算法的鲁棒性。但是,这些方法仅仅适用于系统晃动而没有 运动的情况。文献[6]考虑了载体运动的影响,由外部测得 的载体速度进行辅助,提出动基座捷联惯导系统初始对准算 法。所采用的外部测量的速度是载体坐标系下的速度,由里 程计提供,仅适用于车载情况。文献[7]提出了一种运动情 况下卫星导航装置辅助的初始对准方法,但是在计算姿态矩 础,初始对准算法研究在精确空投系统中非常重要。 阵时需要系统中已具备测量偏流角的设备,采用偏流角代替 航向角不能应用于空投系统,且姿态矩阵生成采用解三角方 程的比较寻优搜索的方法,运算量大、精度有限。本文从精 确空投系统中采用卫星与惯性导航组合的实际情况出发,参 考文献[4]一[6]的思想,提出了一种在卫星测得的地理坐 标系下载体速度为辅助的载体在运动及同时晃动状态下的 初始对准的方法。模拟空投载体下落时运动及同时晃动并 叠加系统中陀螺、加速度计和卫星导航系统的误差等情况, 对算法进行了仿真。仿真结果表明算法得到的姿态矩阵满 足了误差是小角度的初始对准要求。 2精确空投载荷捷联惯性组合导航模型 精确空投载荷捷联惯性组合导航系统与空投载荷固联 在一起,作为载荷遥控系统的一部分,采用惯性导航与卫星 导航系统组合的导航方式,系统组成如图l所示。 卫星接收机 /1 卜、 惯性导航系统 、、广‘ 图1系统组成 空投时捷联惯导系统随载荷下落并在空中加电启动,并 与卫星导航装置通讯。在卫星定位完成后,根据卫星定位装 置提供的信息完成自身初始对准过程。对准完成后在解出 的初始姿态矩阵的基础上进入卫星与惯性组合导航工作状 态。利用卫星导航装置和惯性导航系统输出的位置、速度信 息的差值作为量测值,经组合卡尔曼滤波,估计惯导系统的 误差,然后对惯导系统进行校正。这种组合导航方式克服了 卫星导航与惯性导航的各自缺点,取长补短,使组合后的导 航精度高于两个系统单独工作的精度。 组合系统模型框图如图2所示,在进行组合计算时,载 荷系统的姿态参数即载体坐标系与导航坐标系的变换关系。 姿态参数作为主要的导航参数,不断地进行着由惯性导航计 算出来、再经过组合滤波求出误差、最后进行修正输出的过 程。由于捷联惯性系统中,只有在姿态参数的基础上才能进 行速度及位置等其它导航参数的计算。而姿态参数的计算,是 一个反复递推的过程,这就需要一个初始的姿态值,而对准的过 一70一 图2组合导航组成框图 由于载荷系统投放后一直处于运动状态中,传统的静态 自主初始对准过程中,通过陀螺和加速度计测量地球自转角 速率和重力加速度在捷联系统载体上的分量来计算姿态矩 阵的方法无法适用;而晃动基座的对准方法,假设系统仅仅 存在姿态变化而没有位置移动,利用重力加速度结合载体坐 标系下测得的速度来计算姿态矩阵的办法,也由于空投载荷 系统处于运动中,会叠加干扰加速度分量而造成误差很大, 同样无法采用。因此载荷系统投放后的空中运动状态下即 动基座条件下的对准,就成为卫星与惯导组合系统中的一个 技术难点。需要考虑到载荷系统的运动情况而重新设计对 准算法。针对这个难点问题,考虑到利用卫星导航提高的导 航坐标系下的速度值进行微分后可以求得加速度值,这样就 可以求得导航坐标系下的比力值,再利用导航坐标系下的比 力值与载体坐标系下加速度计测得值之间的映射关系,就可 以确定系统的初始姿态矩阵。 3动态条件下初始对准算法 3.1动态对准中的坐标系规定 1)地心惯性坐标系(i系):Xi轴在赤道平面内且指向春 分点, 轴指向地球自转方向,三轴构成右手坐标系。 2)地球坐标系(e系):原点位于地心,Ze轴沿着地球自 转方向, 轴位于赤道平面内,从地心指向空投载体所在点 的子午线, 轴与 轴、 轴构成右手坐标系。 3)导航坐标系(n系):即地理坐标系,原点位于舰船重 心,Xn轴指向东, 轴指向北,Zn轴指向天。 4)空投载体坐标系(b系):原点位于导航装置中心, 、 y6及z6轴分别沿载体横轴指向右、沿纵轴指向前、沿立轴 指向上。 3.2动对准算法 设系统从抑时刻开始进入对准过程,t时刻完成对准, 则t时刻的初始对准姿态矩阵c:可以由帕时刻的姿态矩阵 c 表示如下 C:= QoCb (1) 其中c 为导航坐标系下幻时刻到 时刻的姿态变换矩阵。 可以根据地球自转角速度及载体在导航坐标系下的速度及 载体所在位置计算得到,根据文献[8]采用旋转矢量算法计 算如下 ,一 (¨)+ (¨ ×) (2) 2)式中 为空投载体在导航坐标系下因地球自转及自 身运动而产生的旋转矢量,由于计算时间周期很短, 为小 量,实际应用中可以由n坐标系在i坐标系下的旋转角速度 近似求得 诟= (11) 6 一J g.O dr (3) 根据陀螺的输出,通过旋转矢量求解得到,根据文献[8] 采用旋转矢量算法计算如下 c 一 (¨)+ ( (4) 4)式中咖 为空投载体在载体坐标系下陀螺测得的载体 转动产生的旋转矢量,在很短的采样时间间隔内该旋转矢量 是个很小的量,可以由陀螺采样出的角速度量 近似求得 咖6 J dr (5) 在t时刻,根据比力方程有 ] f : +(2∞:+ n)× 一g (6) 将, 映射到载体坐标系下即 C =, (7) 于是(6)式可化为 C : +(2 :+∞ )× 一g (8) 其中 为t时刻载体在导航坐标系下的运动速度,可以由卫 星导航装置测得,g 为当前位置下的导航坐标系内的重力加 速度,可以根据卫星导航装置提供的位置信息结合地球参数 计算得到,∞:为地球自转角速度在导航坐标系内的投影,与 系统的当前的纬度相关,计算如下 ct,:=If 0 nco 、s L l、  (9) nsi / 式中,Q为地球自转角速度,是一个常量。 是由于载体线 运动在导航坐标系下产生的角速度,计算中与载体在导航坐 标系下的运动速度相关,这个速度可以有卫星导航装置提供 ∞en= (10) 协札 、 分别为载体在东向、北向的运动线速度, 、R 分 别为地球子午圈和卯酉圈半径,h是载体所在高度,这些参 数都可以通过卫星导航装置提供的载体当前位置信息经过 c nO乙5n乙 b厂占0= +(2∞ +∞胁nO)× 一 n (16) f =c (19) ==(i  (f  × ×F× f 厂) ) i I (  x(,×  )× F 2f)  /f ( 1) 4算法仿真 根据空投系统投放后在空中运动情况,设置如下仿真 条件: 1)模拟系统在空中的晃动情况,设置系统的俯仰角0、 横滚角 及航向角 做周期变化如下 (22) 一71一 2)模拟空投载体在空中的运动,设置系统在东向、北向、 天向加速度 、 、 分别为 lI:2 百COS(÷) _:'…… 一……。。{ ……-f'… ……… ……一 i  l{ =2…s( ¨詈) (23) ……… 。_厂 ……_¨….___… 1【  =手c。s(号t+詈) 3)设置等效陀螺常值漂移为0.O1。/h;等效陀螺随机漂 移为0.001。/h;等效加速度计的随机常值漂移为0.1ing;等 效加速度计随机漂移为0.Olmg;卫星导航装置速度测量误 差为lm/s。 4)设置投放系统初始位置为:北纬34.2109。,东经 108.9。,高度5000m;初始东向、北向、天向速度 、 、 分 别为Om/s、Om/s、一6m/s;初始东向、北向、天向加速度 、 、 均为0 m/s ;系统对准计算时间为lOres。 基于上述仿真条件,模拟空投载体下落轨迹如图3 所示。 图3载体下降轨迹仿真 在下落过程中进行1500次对准仿真计算,仿真每次对 准计算结束时解出的姿态矩阵对应的姿态角与该时刻给出 的姿态角进行比较,误差如图4、5、6所示。 俯仰角误差  I。上l _I f { 500 10O0 对准样本觳 图4俯仰角误差 仿真结果表明,这1500次样本的俯仰角、横滚角、航向 角误差的均值分别为:0.1307。、0.1097。、0.2061。;俯仰角、横 一72一 蜘 啪 对准样本撤 图5横滚角误差 图6航向角误差 滚角、航向角误差的标准差分别为:0.1139。、0.0943。、 0.1629。。因此上述对准算法得到的姿态矩阵所对应的姿态 角度与真实值的误差均为小角度,在此基础上可以进行进一 步对姿态角度的精确估计计算,即进行精确对准。 5结论 空投载体在空中运动情况复杂,为了能在动基座情况下 完成捷联惯导系统的初始对准过程,设计了采用卫星导航装 置辅助的空中动基座对准的方法。将待求解的当前t时刻 的姿态矩阵分解为由之前t0时刻姿态矩阵表示的三个姿态 变换矩阵,在卫星导航装置提供了位置信息及地理坐标系下 的载体运动速度的情况下,根据导航坐标系及载体坐标系下 的比力映射关系,联立出求解当前时刻姿态矩阵的方程。并 模拟载荷下落过程对该算法的对准误差进行了仿真分析,仿 真结果表明,这种动基座初始对准算法的姿态误差均为小角 度,可以在此基础上进行更精确的误差估计计算,因此能够 满足精确空投过程中在空中完成捷联惯性组合导航系统的 初始对准的要求。 参考文献: [1]秦永元.惯性导航[M].西安:西北工业大学出版社,2006. 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