向 前 孫睿智 楊 斌

（海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）

1 引言

隨著艦載雷達(dá)、導(dǎo)彈、火炮、直升機(jī)等裝備對感知距離和打擊精度要求的不斷提高，對精確的姿態(tài)基準(zhǔn)需求也不斷增大。目前由裝備自帶局部基準(zhǔn)提供姿態(tài)信息的方式雖可滿足裝備自身需求，但增加了對艦總體資源的消耗，不利于全艦集成優(yōu)化，同時由于各局部基準(zhǔn)精度的差異及船體動態(tài)變形的影響，制約了全艦統(tǒng)一基準(zhǔn)的精度，影響對目標(biāo)感知和武器打擊精度的匹配。

為了建立以主慣導(dǎo)為中心的全艦統(tǒng)一基準(zhǔn)，需要實(shí)時測量主慣導(dǎo)與艦載裝備處的船體變形，雖然工程上已提出了光管法、攝影對準(zhǔn)、應(yīng)變儀測量等方法，但仍存在使用限制條件較多，保障難度較大或者精度不足等問題［1］。

傳遞對準(zhǔn)技術(shù)是指利用已對準(zhǔn)好的主慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)如位置、速度、姿態(tài)角與子慣導(dǎo)（局部基準(zhǔn)）相應(yīng)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行匹配，估計(jì)出子慣導(dǎo)相對主慣導(dǎo)的姿態(tài)失準(zhǔn)角，建立子慣導(dǎo)數(shù)學(xué)平臺并對其導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行初始化的過程。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分發(fā)揮主慣導(dǎo)精度高的優(yōu)勢，加快子慣導(dǎo)的初始對準(zhǔn)速度，提高對準(zhǔn)精度。其優(yōu)點(diǎn)是無需額外的對準(zhǔn)設(shè)備，適裝性較好，能夠?qū)崟r得到測量點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形，并可達(dá)到較高的精度。因此，傳遞對準(zhǔn)技術(shù)在國外機(jī)載武器上已得到廣泛應(yīng)用，如美國的“哈姆”空地反輻射導(dǎo)彈、“捕鯨叉”空艦導(dǎo)彈、英國的“海鷹”空艦導(dǎo)彈、德國與挪威聯(lián)合研制的“企鵝”空艦導(dǎo)彈等都應(yīng)用了該技術(shù)［2］。

本文分析了艦載設(shè)備局部基準(zhǔn)對準(zhǔn)需考慮的因素及面臨的問題，并提出了基于傳遞對準(zhǔn)技術(shù)的全艦基準(zhǔn)一體化初步方案。

2 對準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 常用的傳遞對準(zhǔn)技術(shù)體制

艦艇－武器慣導(dǎo)對準(zhǔn)本質(zhì)上屬于動基座傳遞對準(zhǔn)，其原理圖如下：

圖1 動基座傳遞對準(zhǔn)技術(shù)原理

按照量測量的獲取來源，動基座傳遞對準(zhǔn)濾波估計(jì)主要包括計(jì)算參數(shù)匹配、測量參數(shù)匹配以及混合參數(shù)匹配等模式，主要包括積分量匹配、位置匹配、速度匹配、加速度匹配、角速度匹配、速度＋加速度匹配、速度＋姿態(tài)匹配、速度＋角速度匹配等。

2.2 影響艦載裝備傳遞對準(zhǔn)精度的主要因素

2.2.1 撓曲變形

由于船體并非剛體，在不同載荷、海浪撞擊及溫度效應(yīng)等復(fù)雜因素的作用下，船體結(jié)構(gòu)會發(fā)生彈性變形，加上設(shè)備安裝導(dǎo)致子慣導(dǎo)各軸與主慣導(dǎo)各軸之間存在的固定角度誤差，綜合起來主慣導(dǎo)和子慣導(dǎo)之間的船體結(jié)構(gòu)撓曲變形的峰值可達(dá)到1°左右［1］。此外，來自水下的沖擊（如深水炸彈）或戰(zhàn)斗損傷也會引起的艦船結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形。

船體結(jié)構(gòu)撓曲變形對采用角運(yùn)動參量的匹配方法影響較大，必須進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，可采用的方法有理論建模法和近似數(shù)學(xué)模型法。前者需要建立主慣導(dǎo)與局部基準(zhǔn)間精確的結(jié)構(gòu)模型，受制于平臺載體、環(huán)境的變化以及計(jì)算能力，這類方法的精度和實(shí)時性難以令人滿意［3］；后者多將結(jié)構(gòu)撓曲變形視為Markov過程進(jìn)行建模［4～5］，但作為一種近似方法，建模誤差將引入對準(zhǔn)精度。

2.2.2 時延和桿臂效應(yīng)

傳遞對準(zhǔn)需要主、子慣導(dǎo)之間量測數(shù)據(jù)和估計(jì)數(shù)據(jù)的交互，由于二者位置不同必然存在時延。為了補(bǔ)償這一誤差，應(yīng)當(dāng)建立時間統(tǒng)一系統(tǒng)，對二者輸出的慣性量測數(shù)據(jù)進(jìn)行精確標(biāo)定和同步，并在算法中進(jìn)行相應(yīng)的修正［6］。

桿臂效應(yīng)是指載體進(jìn)行角運(yùn)動時，由于主、子慣導(dǎo)之間位置不同導(dǎo)致二者感測到的加速度和速度不同的現(xiàn)象，這部分誤差也必須在算法中建立模型消除其影響［7］。

2.2.3 艦船主慣導(dǎo)工作模式影響

艦船主慣導(dǎo)雖然精度較高，但其主要是設(shè)計(jì)為保障航行需求的。為了滿足長時間工作的需要，主慣導(dǎo)系統(tǒng)一般會采用計(jì)程儀阻尼，衛(wèi)星組合導(dǎo)航等來提高長時間導(dǎo)航精度，而組合導(dǎo)航模式下主慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航結(jié)果易受計(jì)程儀信息、衛(wèi)星信息的影響。往往存在因狀態(tài)切換，誤差修正等原因造成的主慣導(dǎo)誤差傳遞規(guī)律變化，如數(shù)據(jù)跳變，短時無輸出等異常［11］，對傳遞對準(zhǔn)性能造成一定影響。

2.3 幾種傳遞對準(zhǔn)匹配模式比較

位置匹配模式是最基本的計(jì)算參數(shù)匹配模式。主要特點(diǎn)是主子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的桿臂效應(yīng)誤差補(bǔ)償算法簡單，對主子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的撓曲變形不敏感，對主基準(zhǔn)信息的時間同步性要求較低，工程上較易實(shí)現(xiàn)。位置匹配模式傳統(tǒng)上主要適用于載體航向機(jī)動便利且具有充分準(zhǔn)備時間的高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，對快速反應(yīng)能力要求較高的武器系統(tǒng)一般不采取位置匹配方式。

速度匹配模式是目前使用較多的計(jì)算參數(shù)匹配模式，其原理與位置匹配模式相同，主要優(yōu)點(diǎn)是對主子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的撓曲變形不敏感，對主基準(zhǔn)信息的時間同步性要求較高，工程實(shí)現(xiàn)所需的保障措施較少；缺點(diǎn)是對準(zhǔn)時間稍長，且桿臂效應(yīng)對對準(zhǔn)的影響較大，主子慣導(dǎo)之間的桿臂誤差必須精確到分米級。

加速度匹配模式主要適用于主子慣導(dǎo)均為捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的情況，原理上相當(dāng)于在速度匹配模式中加入了一個微分環(huán)節(jié)，因此其對準(zhǔn)所需時間較短，且通過載體的有效機(jī)動，還可估計(jì)出子慣導(dǎo)系統(tǒng)的方位失準(zhǔn)角。但由于加速度信息屬于快變信息，對實(shí)時性要求較高，受載體撓曲加速度影響較大，要求載體機(jī)動，工程實(shí)現(xiàn)較困難。

角速度匹配模式是利用載體系內(nèi)的角速度矢量進(jìn)行匹配濾波的模式，其特點(diǎn)是對準(zhǔn)模型簡單，計(jì)算量很小，無需特殊機(jī)動即可在很短時間內(nèi)取得較高的對準(zhǔn)精度，是一種較有前途的對準(zhǔn)算法。但要在工程上實(shí)際應(yīng)用，還需要解決基準(zhǔn)信息的實(shí)時性、主／子慣導(dǎo)陀螺漂移耦合及克服對載體撓曲變形影響敏感等問題。

為了發(fā)揮各種傳遞對準(zhǔn)匹配模式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，實(shí)際中常使用各傳遞對準(zhǔn)匹配模式進(jìn)行組合工作［8］，如速度＋姿態(tài)［9］，速度＋角速度等匹配模式。

3 基于傳遞對準(zhǔn)技術(shù)的艦船基準(zhǔn)一體化初步方案

3.1 艦載裝備傳遞對準(zhǔn)需求及特點(diǎn)

艦載雷達(dá)、導(dǎo)彈、火炮和直升機(jī)是姿態(tài)信息的主要用戶，一般而言火炮直接由自帶局部基準(zhǔn)提供實(shí)時姿態(tài)信息，其局部基準(zhǔn)在使用前需要先進(jìn)行自對準(zhǔn)；雷達(dá)、導(dǎo)彈和直升機(jī)通常在臨近位置設(shè)置一臺或多臺局部基準(zhǔn)，使用前局部基準(zhǔn)首先與艦船主慣導(dǎo)進(jìn)行對準(zhǔn)，再采用直接傳遞對準(zhǔn)的方式將局部基準(zhǔn)與裝備內(nèi)置慣導(dǎo)進(jìn)行對準(zhǔn)。由于各自帶局部基準(zhǔn)精度上的差異及船體變形的影響，造成艦載各裝備實(shí)際使用的姿態(tài)基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系互不統(tǒng)一，對全艦?zāi)繕?biāo)探測指示與火力打擊精度的匹配造成了不利影響。

通過對艦載裝備的任務(wù)剖面、工作模式、使用流程的分析可以發(fā)現(xiàn)，與傳遞對準(zhǔn)技術(shù)最初的應(yīng)用對象機(jī)載導(dǎo)彈相比，艦載裝備在對準(zhǔn)技術(shù)的使用上有如下一些特點(diǎn)：一是對于對準(zhǔn)時間的敏感性相對較低；二是由于艦船遠(yuǎn)洋航行時間越來越長，對局部基準(zhǔn)長時間工作的可靠性和功耗要求較高；三是由于全艦局部基準(zhǔn)數(shù)量較多，需要充分考慮保障與維護(hù)維修要求。因此，艦載裝備應(yīng)綜合考慮自身的需求選擇合適的傳遞對準(zhǔn)技術(shù)體制。

3.2 方案思路

從上文對不同對準(zhǔn)算法的分析可以看出，對準(zhǔn)要求時間和平臺機(jī)動方式是影響艦艇平臺與艦載裝備慣導(dǎo)傳遞對準(zhǔn)工程應(yīng)用的兩個重要因素。根據(jù)3.1節(jié)對艦載裝備傳遞對準(zhǔn)需求及特點(diǎn)的分析，若局部基準(zhǔn)與所服務(wù)的艦載裝備在運(yùn)行上相互獨(dú)立，則一方面可選擇適當(dāng)時機(jī)如艦船戰(zhàn)斗準(zhǔn)備期間開始進(jìn)行主慣導(dǎo)與對局部基準(zhǔn)對準(zhǔn)以保證足夠的對準(zhǔn)時間，從而降低對準(zhǔn)對艦船機(jī)動的需求；另一方面，考慮到現(xiàn)有的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)已可以做到一次對準(zhǔn)完成后，數(shù)十分鐘內(nèi)連續(xù)保持可用狀態(tài)。因此，只要局部基準(zhǔn)的功耗和可靠性滿足一定的要求，可設(shè)計(jì)局部基準(zhǔn)對準(zhǔn)完成以后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并與主慣導(dǎo)之間定時進(jìn)行對準(zhǔn)以保持輸出信息的精度，采用這種方式的好處在于基本可忽略算法對對準(zhǔn)時間的要求，也可減輕對于計(jì)算量的要求。

綜上所述，基于傳遞對準(zhǔn)技術(shù)的艦船基準(zhǔn)一體化思路為：綜合考慮艦載裝備使用特點(diǎn)，任務(wù)需求，平臺機(jī)動情況，船體變形，桿臂效應(yīng)和時延等因素，合理選擇對準(zhǔn)算法和局部基準(zhǔn)慣性器件，使局部基準(zhǔn)運(yùn)行獨(dú)立于所服務(wù)的艦載裝備，并與主慣導(dǎo)進(jìn)行常態(tài)化的對準(zhǔn)。充分發(fā)揮主慣導(dǎo)高精度和高可靠性優(yōu)勢，優(yōu)化基準(zhǔn)資源配置，盡可能地降低艦載裝備傳遞對準(zhǔn)技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)所需的保障要求，實(shí)現(xiàn)全艦基準(zhǔn)一體化和局部基準(zhǔn)技術(shù)體制的統(tǒng)一，提高全系統(tǒng)的精度和可靠性，減少全壽命期維護(hù)維修費(fèi)用。

3.3 對準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)3.2節(jié)提出的方案思路，考慮實(shí)時修正誤差角的計(jì)算要求，可采用反射內(nèi)存等高速總線將各局部基準(zhǔn)和主慣導(dǎo)系統(tǒng)連接起來，定時通過同步采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)同步處理并加上時間信息。各局部基準(zhǔn)利用接收到的主慣導(dǎo)信息對自身的姿態(tài)角誤差進(jìn)行估計(jì)，并利用估計(jì)值修正其姿態(tài)矩陣，在非對準(zhǔn)期間，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖2 對準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.4 對準(zhǔn)算法選擇分析

根據(jù)3.2節(jié)提出的方案思路，可考慮選擇速度匹配、積分速度匹配法等對準(zhǔn)時間雖然要求稍長，但工程可實(shí)現(xiàn)性較好的算法。以積分速度匹配傳遞對準(zhǔn)方法為例，該方法使用艦艇和艦載設(shè)備慣導(dǎo)傳感器的速度測量值進(jìn)行積分，以積分后的數(shù)值作為匹配觀測量對艦艇和艦載裝備慣導(dǎo)坐標(biāo)系的失調(diào)角進(jìn)行預(yù)先估算和消除。即定義狀態(tài)向量為積分速度差：

系統(tǒng)狀態(tài)選為

狀態(tài)矩陣為

積分速度匹配量測矩陣為

式中Φn為子慣導(dǎo)的誤差角，δVn為速度誤差，為陀螺儀漂移為加速度計(jì)零偏差。為子慣導(dǎo)載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的計(jì)算方向余弦矩陣。

根據(jù)李雙喜等人的研究［10］，采用積分速度匹配算法的彈載慣導(dǎo)，與主慣導(dǎo)的誤差角可在70s內(nèi)由10ramd 降到0.2mrad。與常用的速度＋姿態(tài)匹配法相比，速度積分量匹配具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）對撓曲變形和振動敏感度大大降低；2）對準(zhǔn)濾波器可采用更低的更新率；3）采用的桿臂效應(yīng)補(bǔ)償較容易且對時延誤差不敏感；4）實(shí)現(xiàn)對失準(zhǔn)角有效估計(jì)的機(jī)動方式為勻速運(yùn)動與S 轉(zhuǎn)彎結(jié)合，對平臺要求較低。不足之處主要是對準(zhǔn)時間較長，適合于應(yīng)用在對準(zhǔn)精度高，平臺變形大的場合，是艦載裝備的傳遞對準(zhǔn)應(yīng)用比較適宜的算法。

3.5 局部基準(zhǔn)慣性測量器件選擇分析

局部基準(zhǔn)可選擇的慣性器件取決于艦載裝備對于基準(zhǔn)信息的需求和采用的對準(zhǔn)算法。如美國的JADM 衛(wèi)星精確制導(dǎo)炸彈采用了速度積分匹配對準(zhǔn)算法，選擇的低成本GG1308激光陀螺為漂移率為1（°）／h［14］。本節(jié)從裝備需求、器件精度、可靠性、功耗、成本等幾個方面對本文的全艦基準(zhǔn)統(tǒng)一方案可選用的局部基準(zhǔn)慣性器件進(jìn)行了分析和評估。

局部基準(zhǔn)的核心元件是陀螺儀，目前常見的幾類陀螺儀的精度范圍如圖2所示描述：

圖3 常見陀螺精度級別

在中等精度陀螺儀中，光纖陀螺已比較成熟并具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：1）無活動部件，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，耐沖擊；2）啟動時間短，僅需零點(diǎn)幾秒即可工作；動態(tài)范圍寬，測量范圍在0.01（°／h）～400（°／s）；3）可靠性高。美、英、法、德等國均已研制出實(shí)用的光纖陀螺型號并已廣泛用于飛機(jī)、潛艇及導(dǎo)彈的導(dǎo)航和制導(dǎo)。

表1 不同精度光纖陀螺在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

因此，對于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈對準(zhǔn)而言，可選擇以光纖或激光陀螺儀為核心部件的局部基準(zhǔn)。

對于對準(zhǔn)精度要求較低，工作條件惡劣的應(yīng)用場合，另一種可采用的陀螺儀是基于MEMS（micro electromechanical systems）技術(shù)的微固態(tài)慣性器件。微固態(tài)慣性器件是利用化學(xué)蝕刻方法在單晶硅片上制成的的一種超小型測角儀器，具有尺寸小，重量輕，功耗低，啟動快，抗沖擊，能適用于較惡劣的環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，可大批量生產(chǎn)，成本極低，不足之處是精度仍較低。目前國內(nèi)已有相關(guān)單位對以微機(jī)械慣性測量單元作為子慣導(dǎo)進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行了研究［12～13］，結(jié)果表明對于特定的應(yīng)用，該技術(shù)方案可以滿足指標(biāo)要求，可有效地降低全系統(tǒng)重量、體積及功耗。表2列出了兩種微機(jī)械陀螺的部分參數(shù)。

表2 兩型微機(jī)械陀螺部分參數(shù)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和微機(jī)械陀螺的精度的不斷提升，以其為核心器件的艦載裝備局部基準(zhǔn)將具有獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

4 結(jié)語

本文概述了傳遞對準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)展情況，分析了艦載裝備進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)的需求和特點(diǎn)，即對于對準(zhǔn)時間的相對不敏感性、工作的長時間性和全壽命期維護(hù)的要求。在此基礎(chǔ)上提出了運(yùn)用傳遞對準(zhǔn)算法進(jìn)行全艦基準(zhǔn)一體化方案的初步思路，并針對不同的對準(zhǔn)需求研究了可選的對準(zhǔn)算法和局部基準(zhǔn)核心慣性測量器件。初步分析表明，合理的選擇對準(zhǔn)算法和局部基準(zhǔn)精度等級，可滿足全艦基準(zhǔn)一體化的要求，并提升全艦基準(zhǔn)系統(tǒng)的精度、可靠性和集成優(yōu)化的水平。下一步工作將針對提出的方案開展試驗(yàn)研究。

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