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1、l:2009-01-21Te:黄国刚(1977),男,河南唐河人,博士研究生,主要从事声表面波传感器、精密仪器及仪表、网络传感器的研究;戴洪德(1981),男,江苏泰州人,讲师;陈明(1939),男,江苏南京人,博士生导师。快速传递对准中时间延迟误差补偿方法S1,z2,1(1.西北工业大学自动化学院,陕西西安710072;2.海军航空工程学院控制工程系,山东烟台264001)K1:传递对准是机载、舰载武器装备惯导系统首选的初始对准方法,传递对准时主惯导系统的信息在传递给子惯导系统时存在一定的时间延迟,会极大地影响传递的精度。以“速度 +姿态”匹配快速传递对准为例,提出了一种利用主惯导姿态矩阵预
2、测来解决快速传递对准中主惯导数据时间延迟的方法,并对该方法进行了仿真。仿真结果表明,该方法可以有效地提高初始对准的精度。1oM:时间延迟;姿态矩阵;“速度+姿态”匹配;传递对准ms|:U666.1DSM:AcI|:1000-8829(2009)08-0055-03MeasurementTime-DelayErrorCompensationinRapidTransferAlignmentHUANGGuo-gang1, DAIHong-de2, CHENMing1(1.SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian, 7100
3、72,China;2.DepartmentofControlEngineering,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001,China)Abstract:Transferalignmentisthefirstchoiceofinitialalignmentoftheinertialnavigationsystemaboutair-borneorshipborneweapons.Thetimedelayofthemassageaboutmasterinertialnavigationsystemwilgreatlyefec
4、ttheprecisionoftransferalignment.Amethodbasedonthepredictionoftheatitudematrixforsolvingtheproblemofmeasurementtime-delayofmasterINSinvelocityplusatitudematchingrapidtransferalignmentisstudied.Thesimulationresultsshowthatthepresentmethodisefectivetoimprovetheprecisionofinitiala-lignment.Keywords:tim
5、e-delay;atitudematrix;velocityandatitudematching;transferalignment惯导系统的快速传递对准是指用精度较高的主惯导系统的速度和姿态信息对准子惯导系统 1,被认为是目前最好的对准算法之一。You-CholLim等人针对舰载导弹的传递对准分析了传递对准时间延迟对速度量测和姿态量测的影响2 ,认为传递对准时间延迟对姿态测量的影响较大。在此基础上将时间延迟变量纳入卡尔曼滤波器的状态变量中,建立了包括时间延迟误差在内的传递对准模型。北京航空航天大学的扈光锋等人3将测量延迟时间扩展为卡尔曼滤波器的一个状态变量,同时考虑测量延迟时间对速度和姿态测
6、量的影响,推导了存在测量延迟时的速度、姿态测量方程。西北工业大学的杨尧等人 4利用从火控计算机得到的主惯导数据以及这些数据的延迟时间,作四元数一步估计,来对主惯导数据进行补偿。笔者以“速度+姿态”匹配快速传递对准为例,研究了时间延迟误差的补偿方法,为了不增加滤波器状态的维数,参照文献4,以火控系统传递的主惯导数据以及延迟时间数据对时间延迟误差进行补偿。因为姿态量测是通过主、子惯导的姿态矩阵获得的,所以研究了直接对主惯导的姿态矩阵进行时间延迟误差补偿的方案。1.HWs在传递对准过程中,当没有主、子惯导对准误差,没有主、子惯性器件误差的理想情况下,主惯导相对导航坐标系的方向余弦 Cnm和子惯导相对
7、导航坐标系的方向余弦矩阵Cnsc应该是一致的,于是在直观上这 2个方向余弦矩阵之间的差别就表示对准误差与器件误差的测量结果。所以定义Cnsc(t)Cnm(t)=1 mz(t) -my(t)-mz(t) 1 mx(t)my(t) -mx(t) 1=I-m(t) (1)55快速传递对准中时间延迟误差补偿方法注:以上及以后式子中未作说明的符号的意义见文献 1。其中m(t)(假设为小角度)表示主、子惯导方向余弦矩阵之间随时间变化的误差角度。因为在传递对准的开始时刻,用主惯导的数据对子惯导进行一次装订完成粗对准 1, 5,所以有Cnsc(0)=Cnm(0),即在初始时刻,子惯导的方向余弦矩阵与主惯导的方
8、向余弦矩阵相等,因此m(0)=0 (2)由于时间延迟的存在,在 t时刻子惯导只能获得主惯导在t-t时刻的数据,如图 1所示。图 1主子惯导间时间延迟误差示意图2(HWZYou-CholLim等人的研究表明 2,时间延迟对姿态的影响较大,而一般情况下对速度的影响则可以忽略。所以笔者只研究了时间延迟对姿态误差的影响以及补偿方法。在“速度+姿态”匹配中,姿态量测是通过主、子惯导姿态矩阵相乘来获得的,所以最简单的思路就是根据能够得到的 t-t时刻的主惯导姿态矩阵,估计出主惯导在 t时刻的姿态矩阵。根据微积分知识,当延迟时间 t足够小的情况下有Cnm(t-t)=Cnm(t)-Cnm(t-t)t (3)所
9、以有Cnm(t)=Cnm(t-t)+Cnm(t-t)t (4)根据方向余弦矩阵的微分方程有 5Cnm(t-t)=Cnm(t-t)(nnm(t-t) (5)将式(5)代入式(4)得Cnm(t)=Cnm(t-t)+Cnm(t-t)(mnm(t-t)t(6)又因为(mnm(t-t)=(Cmn(t-t)nnm(t-t)=Cmn(t-t)(mnm(t-t)Cnm(t-t)(7)代入式(6)得Cnm(t)=Cnm(t-t)+Cnm(t-t)Cmn(t-t)(nnm(t-t)Cnm(t-t)t=Cnm(t-t)+(nnm(t-t)Cnm(t-t)t(8)为了减少数据传输量,角速度采用了子惯导的角速度值,并且
10、忽略在延迟时间内角速度的变化,得nnm(t-t)nnm(t)nns(t) (9)而nns(t)是子惯导可以得到的姿态角速度。这样就可以在运用式(1)计算姿态误差量测之前运用式(8)对主惯导的姿态矩阵时间延迟误差进行补偿。3HWZ_s3.1_Hq传递对准模型参照文献6,分别如下:计算姿态误差模型m =srfs+sr+(m-a) srnsr真实姿态误差模型a=a定义速度误差为子惯导解算出的速度与经过杆臂误差补偿的主惯导速度之差V=Vnsc-Vnm-Vnl速度误差模型V=Cnsc(m-a)f srsr+Cnsc(fsrf + sr)本研究的仿真条件如下:导航解算周期 15 ms,初始对准滤波周期 7
11、5 ms,仿真总时间 20s,子惯导的陀螺仪常值漂移为 0.2/h,随机漂移为 0.01/h,刻度系数误差 200 ppm(1 ppm=10-6),初始安装误差 200rad,加速度计常值偏置 200 g,随机偏置 50 g,刻度系数误差 200 ppm,初始安装误差 200 rad。初始时刻载体所在纬度为 34,经度为 108,载体的运动为中等海况下的典型运动,主、子惯导间的固定安装误差为1;1;2,延迟时间为 2030 ms的随机数。3.2_T图 2和图 3分别是有时间延迟没有补偿时的失准角估计值和估计误差;图 4和图 5分别是对时间延迟误差补偿后的失准角估计值和估计误差。时间延迟误差补偿
12、前后的估计误差如表 1所示。V19/mradX Y Z没有补偿 1.61554300 -6.56551976 -1.70185367补偿后 0.25630698 0.12174708 0.27963781图 2有时间延迟没有补偿时的失准角估计值56 测控技术2009年第 28卷第 8期从仿真结果可以看出,时间延迟对失准角估计的影响很大,应用本补偿方法,可以很有效地提高初始对准的精度。4以上分析了惯性导航系统传递对准时间延迟误差对传递对准精度的影响,利用微积分及方向余弦矩阵微分方程等理论知识,提出了一种基于主惯导姿态矩图 5时间延迟补偿后的失准角估计误差阵预测的时间延迟误差补偿方案。仿真结果表明
13、,该方案能够有效地补偿传递对准中的时间延迟误差,提高传递对准的精度。ID: 1秦永元.惯性导航M.北京:科学出版社, 2006. 2You-cholLim,JoonLyou.Transferalignmenterrorcompen-satordesignusingHfilterA.Proceedingsofthe2002A-mericanControlConferenceC.Anchorage,AK, 2002-05:1460-1465. 3扈光锋,王艳东,范跃祖.传递对准中测量延迟的补偿方法J.中国惯性技术学报, 2005, 13(1):10-15. 4杨尧,王民钢,崔伟成,等.传递对准中时
14、间延迟的补偿方法J.计算机仿真, 2008,(2):31-33. 5 TitertonDH, WestonJL.StrapdowninertialnavigationtechnologyM.Secondedition.TheInstitutionofElectricalEngineers, 2004. 6KainJE,CloutierJR.RapidtransferalignmentfortacticalweaponapplicationsA.ProceedingsofAIAAGuidance,NavigationandControlConferenceC.Boston, 1989-08:12
15、90-1300.(上接第 50页) 2王新龙,陈涛,杜宇.基于ARMA模型的光纤陀螺漂移数据建模方法研究J.弹箭与制导学报, 2006, 26(1). 3周跃庆,高宁,刘鲁源,等.抗野值自适应Kalman滤波及其在陀螺信号处理中的应用J.天津大学学报, 2004,37(9):815-817. 4张永祥,孙辉,马天伟,等.抑制压电陀螺仪噪声方法的研究J.光学精密工程, 2004, 12(z1):230-234. 5张锋,沐阿华,刘春志,等.鲁棒故障检测H滤波器的LMI设计方法研究J.弹箭与制导学报, 2006, 26(2). 6沐阿华,吕强,张锋,等.具有不确定性的船舶航向鲁棒控制的LMI方法研究J.船舶工程, 2007, 29(2).(上接第 54页) 5姚仲舒,杨成梧,吴健荣.不确定时滞非线性系统的迭代学习控制J.系统工程与电子技术, 2002, 24(11):34-36,
