定位定向系统长时间姿态精度保持方法与实现_贾勇.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation482023 年 第 04 期文章编号：2095-6835（2023）04-0048-04定位定向系统长时间姿态精度保持方法与实现贾 勇1，刘生攀1，李岁劳2（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）摘要：随着武器装备的换代升级，对其定位定向系统的性能提出了更高的要求，特别是长时间姿态精度保持能力。针对某型武器装备对定位定向系统姿态精度提出的要求，在充分分析武器装备作战特性的基础上，提出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。建立了该方法的合适的状态方程和量测方程，并完成了车载试验验证。试验结果表明，提出的新的长时间姿态精度保持方法可有效地提高定位定向系统姿态精度，满足性能指标要求，从而为武器装备配套打下坚实基础。关键词：惯性导航；定位定向系统；卡尔曼滤波；零速修正中图分类号：V44文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.04.014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：+=nbsfnbnbnbnbnbgfCvCC?）（1）基金项目航空科学基金（编号：L142200032）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期49式（1）中：nienbbibbnbCT）（-=，其中nie=0 iecosLiesinLT；gn=0 0 gT。由式（1）可得相应的误差模型，具体如下：+=-=bnbnsfnnbnbnieCfvvC?-（2）由式（2）建立的基于零速修正技术的卡尔曼滤波方程如下：+=+=vHxzGwFxx?（3）式（3）中：=12633333333-OCOOfOCOFnbnsfnbnie；T T T T T）（）（）（bbnvx=；=36363333-OOCOOCGnbnb；TTT ）（）（nwbww=；H=O33I33O33O33；v 为速度量测噪声。其中，bw、nw分别为陀螺仪输出噪声、加速度计输出噪声；矩阵 F 详细表达式参考文献8。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：|VE|1s0.05 m/s，|VN|1s0.05 m/s；|VE|0.1 m/s，|VN|1.0 m/s；2s1bibX，2s1bibY,2s1bibZ。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：+=+=-kkkkkkkkkkVXHZWXX1111，（4）对于式（4），只要给定初值0X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kX（k=1，2，3，）。按下述方程可求解 Xk的估计值kX：-=-+=+=+=-1111-T1T1T111T1111111kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkPHKIPXHZKXXRHPHHPKQPPXX，）（）（）（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。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，TTTT科技与创新Science and Technology&Innovation502023 年 第 04 期原来的近 0.1减小为优于 0.05。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 3定位定向系统转台安装图（a）俯仰角试验结果（b）横滚角试验结果（c）航向角试验结果图 4转台试验结果（a）导航试验车（b）定位定向系统图 5定位定向系统实物安装图（a）俯仰角试验结果0.6440.6460.6480.6500.652纯惯导解算结果零速修正结果06121824时间/h0.6500.6510.6520.6530.65406121824时间/h时间/h061218240.6570.6580.6590.66006121824时间/h0.6500.6510.6520.6530.654纯惯导解算结果零速修正结果0.1140.1160.1180.12006121824时间/h时间/h06121824061218240.1210.1220.1230.1240.125061218240.1140.1150.1160.1170.118时间/h0.1260.1270.1280.1290.130时间/h纯惯导解算结果零速修正结果56.1056.0856.0656.040612182406121824时间/h时间/h时间/h350.04350.03350.02350.01350.00时间/h0612182406121824254.50254.45254.40127.98127.96127.94127.92127.90时间/h061218240.5720.5730.5740.5750.576纯惯导解算结果零速修正结果061218240.450.500.550.60时间/hScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期51（b）横滚角试验结果（c）航向角试验结果图 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。（a）俯仰角试验结果（b）横滚角试验结果（c）航向角试验结果图 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。（下转第 56 页）06121824时间/h时间/h时间/h06121824纯惯导解算结果零速修正结果纯惯导解算结果零速修正结果06121824纯惯导解算结果零速修正结果时间/h06121824纯惯导解算结果零速修正结果纯惯导解算结果零速修正结果时间/h06121824时间/h061218240.4450.4500.4550.350.400.450.500.550.250.200.150.100.050.000.520.540.560.580.600.620.640.66353.36353.34353.32353.30353.28353.36353.34353.32353.30353.2806121824时间/h359.28359.26359.24359.22359.20359.18359.16359.14359.12359.10科技与创新Science and Technology&Innovation562023 年 第 04 期经过 Vray 渲染器以及 NX12.0 自带的渲染编辑器的渲染得到产品的真实渲染模型，如图 13 所示。图 13经过真实渲染器渲染的第三款产品5结语本文创新设计了锁鞋的鞋底结构，使其具有可快速拆卸锁片的功能。围绕拆卸便利性、鞋底刚度和强度分析等，开展了可拆卸锁片的 3 款锁鞋锁踏系统的优化设计研究。经过静载荷校验，类脉动循环载荷校验，第三代产品已经达到设计的使用要求。本锁鞋产品的锁踏锁扣结构参考了 Look Cycle Keo 产品，其可以自由搭配 Shimano SPD-SL、Look Keo、Speedplay和 Time 等 4 款锁踏系统的专用锁片，以适应四大系统的专用锁踏。参考文献：1严益唯.单车复兴：弥漫世界的自行车运动J.齐鲁周刊，2015（44）：26-27.2侯玉.公路自行车骑行锁鞋的科技应用C/第十九届全国运动生物力学学术交流大会，石家庄：中国体育科学学会运动生物力学分会，2017.3 更具性价比，Bontrager Elite 全新公路锁踏上市 J.中国自行车，2020（2）：95.4非公路自行车安全要求QB 21761995非公路自行车安全要求J.轻工标准与质量，2003（3）：6.5周苏.创新思维与方法M.北京：机械工业出版社，2016.6许桂阳，傅学金，王中，等.国产 T1000 级碳纤维性能J.固体火箭技术，2020，43（1）：78-83.7赵稼祥.T1000 超高强碳纤维及其复合材料J.化工新型材料，1988（6）：22-25.作者简介：魏雨枫（2000），男，天津大学测控技术与仪器专业本科在读。通信作者：徐宗伟（1978），男，教授，博士生导师，从事先进制造、创新思维与方法的教学研究。（编辑：张超）（上接第 51 页）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。参考文献：1张鑫.船用单轴旋转光纤陀螺捷联惯导初始对准/测漂及综合校正研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.