自航式誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)難點(diǎn)及方案

孫權(quán)

（海裝廣州局駐昆明第一軍代室，云南 昆明 650107）

隨著武器裝備科學(xué)技術(shù)發(fā)展，反潛聲吶和魚(yú)雷性能不斷提高，給潛艇造成的威脅越來(lái)越大。自航式誘餌（下簡(jiǎn)稱“誘餌”）可以有效欺騙來(lái)襲魚(yú)雷和敵方聲吶，掩護(hù)潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避逃離，它是潛艇最為重要的水聲對(duì)抗器材，對(duì)于潛艇生存具有重要意義。誘餌采用捷聯(lián)慣性技術(shù)，減少硬件強(qiáng)化軟件，可以較大程度提高誘餌性能。誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)由慣性測(cè)量組件陀螺儀、加速度計(jì)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)構(gòu)建成，角速度和加速度測(cè)量信息經(jīng)采樣送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行姿態(tài)矩陣（也稱捷聯(lián)矩陣）的計(jì)算，并進(jìn)一步計(jì)算誘餌航向角、俯仰角、橫滾角、速度和位置。姿態(tài)矩陣體現(xiàn)的數(shù)學(xué)平臺(tái)必須準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)和跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系，以避免導(dǎo)航控制參數(shù)產(chǎn)生誤差。對(duì)于剛加電啟動(dòng)工作的誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)，數(shù)學(xué)平臺(tái)尚未確定，三軸指向隨機(jī)，不一定在水平面內(nèi)，沒(méi)有確定方位，故捷聯(lián)慣性系統(tǒng)在進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)前，需進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，在較短時(shí)間內(nèi)使數(shù)學(xué)平臺(tái)調(diào)整到導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)，也就是要在一定精度內(nèi)確定出從雷體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的初始變換矩陣[1]，完成初始初始對(duì)準(zhǔn)。

同裝甲火控捷聯(lián)系統(tǒng)一樣，基于誘餌快速反應(yīng)發(fā)射要求，其捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)必須在較短時(shí)間內(nèi)完成。同時(shí)，由于初始對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后的精度就是平臺(tái)進(jìn)入導(dǎo)航工作時(shí)的初始精度，且純慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航精度基本上保持在初始對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)的精度范圍之內(nèi)，為了確保誘餌精確制導(dǎo)，初始對(duì)準(zhǔn)還必須保證相當(dāng)高的精度，即誘餌初始對(duì)準(zhǔn)必須兼具準(zhǔn)確性與快速性，對(duì)準(zhǔn)精度盡可能高，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間盡可能短，而技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)準(zhǔn)精度和快速性這兩方面要求互相制約，同時(shí)實(shí)現(xiàn)縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間又提高對(duì)準(zhǔn)精度，技術(shù)難度非常大[2]。高精度快速對(duì)準(zhǔn)是誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，解決好誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)意義重大。

1 自航式誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)難點(diǎn)

同飛機(jī)、艦船等運(yùn)載體相比，誘餌無(wú)論從質(zhì)量、體積、技術(shù)要求還是戰(zhàn)術(shù)使用都不一樣，決定了誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)和艦船飛機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)有著較大不同。艦船、飛機(jī)一般是在出航或起飛前處于靜止情況下進(jìn)行靜基座初始對(duì)準(zhǔn)，其對(duì)準(zhǔn)時(shí)間通常較長(zhǎng)，以提高對(duì)準(zhǔn)精度。誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)從一定角度上講，其要求更高，對(duì)準(zhǔn)難度更大，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

現(xiàn)代誘餌正朝著高機(jī)動(dòng)性方向發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)使用要求誘餌發(fā)射后能大角度旋回、大俯仰角爬潛以盡快遠(yuǎn)離發(fā)射艦艇，迅速展開(kāi)以干擾誘騙敵來(lái)襲魚(yú)雷或聲吶，為潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避，逃避跟蹤和打擊贏得寶貴時(shí)間，確保艦艇安全，這需要誘餌具有較高機(jī)動(dòng)性和制導(dǎo)精度[3]。由于誘餌捷聯(lián)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)結(jié)束時(shí)精度就是進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)的初始精度，并決定著慣導(dǎo)系統(tǒng)后期導(dǎo)航精度，所以初始對(duì)準(zhǔn)必須保證較高精度。

作為潛艇保生存的有效應(yīng)急武器，誘餌有一個(gè)重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，那就是發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，該時(shí)間必須非常短。誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)必須在發(fā)射前的準(zhǔn)備時(shí)間內(nèi)完成，不像飛機(jī)、艦船進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，時(shí)間較為充裕，而對(duì)準(zhǔn)精度和快速性這兩方面要求在技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)互相制約，保證一定精度下實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)，技術(shù)難度非常大。

因戰(zhàn)場(chǎng)裝載艦艇隨時(shí)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)需進(jìn)行動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)。受浪涌影響，初始對(duì)準(zhǔn)中艦艇很難做勻速平直航行，除線運(yùn)動(dòng)外還不停地做復(fù)雜搖擺運(yùn)動(dòng)，艦艇航向角、姿態(tài)角隨時(shí)在變，干擾加速度疊加到誘餌上，加速度計(jì)區(qū)別不出哪個(gè)是數(shù)學(xué)平臺(tái)不水平引起的重力在加速度計(jì)上的分量，哪個(gè)是艦艇搖擺附加進(jìn)來(lái)的干擾加速度，誘餌初始對(duì)準(zhǔn)難度不小。

慣性敏感元件直接安裝在誘餌基座上，工作環(huán)境十分惡劣，嚴(yán)重受各種各樣隨機(jī)干擾，陀螺漂移以及加速度計(jì)偏置比靜態(tài)時(shí)大很多，敏感元件輸出的大部分信號(hào)皆為隨機(jī)干擾，大大增加了初始對(duì)準(zhǔn)難度，傳統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)方法不能有效濾除這些干擾，需另辟蹊徑。

誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，需要把艦艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的艦艇航向角、姿態(tài)角以及其他信息（如速度）傳遞給誘餌發(fā)控儀，然后通過(guò)接口電路再傳遞到誘餌導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。在傳遞對(duì)準(zhǔn)信息的過(guò)程中必然有一段時(shí)間延遲，這就會(huì)引起初始對(duì)準(zhǔn)誤差；另外在傳遞對(duì)準(zhǔn)信息的過(guò)程中，桿臂效應(yīng)以及船體撓性變形均會(huì)給傳遞的參數(shù)造成誤差，降低初始對(duì)準(zhǔn)精度。

2 自航式誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)方案探討

一般捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)采用經(jīng)典法，它基于經(jīng)典控制理論，通過(guò)校正環(huán)節(jié)使水平失準(zhǔn)角穩(wěn)定到一定精度，并利用羅經(jīng)效應(yīng)法或方位誤差估算法，使垂直失準(zhǔn)角逐漸減小并達(dá)到允許范圍內(nèi)。為了使對(duì)準(zhǔn)過(guò)程具有良好的動(dòng)態(tài)特性、較小的超調(diào)、較小的后期誤差及較短的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，需對(duì)所設(shè)計(jì)的對(duì)準(zhǔn)方案反復(fù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)典法初始對(duì)準(zhǔn)煩瑣復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)不易；對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)，往往需要幾百秒以上；不能消除誘餌慣性敏感元件受艦艇搖擺耦合進(jìn)來(lái)的各種很大又有害的隨機(jī)干擾。

鑒于誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)要求時(shí)間短、精度高；初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)數(shù)學(xué)平臺(tái)初始狀態(tài)隨意、陀螺和加速度計(jì)輸出疊加有隨機(jī)干擾，應(yīng)用基于現(xiàn)代控制理論的卡爾曼濾波法進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)應(yīng)是較為理想的方案，這是因?yàn)榭柭鼮V波是估計(jì)隨機(jī)變量的一種最優(yōu)方法，它有著諸多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能處理一維隨機(jī)過(guò)程，也能處理多維隨機(jī)過(guò)程；能處理平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，更能處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)；還可采用狀態(tài)方程描述被估計(jì)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[4]。誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)采用卡爾曼濾波法，可以從各種隨機(jī)干擾中估計(jì)出平臺(tái)失準(zhǔn)角，通過(guò)校正使數(shù)學(xué)平臺(tái)與導(dǎo)航坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)；可以估計(jì)出陀螺隨機(jī)漂移和加速度計(jì)隨機(jī)零偏進(jìn)行補(bǔ)償，并進(jìn)一步提高初始對(duì)準(zhǔn)精度；卡爾曼濾波法采用遞推算法，不要求存儲(chǔ)過(guò)去測(cè)量值和中間計(jì)算值，可大大節(jié)省存儲(chǔ)單元，降低導(dǎo)航計(jì)算機(jī)容量要求。無(wú)論是改善對(duì)準(zhǔn)精度還是縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，卡爾曼濾波法都優(yōu)于經(jīng)典法。

就具體對(duì)準(zhǔn)方案而言，誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)可以采取兩個(gè)步驟，先進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，再進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)，以提高初始對(duì)準(zhǔn)效率。粗對(duì)準(zhǔn)階段，第一種方法可采用傳遞對(duì)準(zhǔn)法，將艦艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的首向角和姿態(tài)角通過(guò)誘餌發(fā)控儀裝定到誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)中，迅速將數(shù)學(xué)平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)航坐標(biāo)系，確定出載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣（捷聯(lián)矩陣）；第二種粗對(duì)準(zhǔn)方法是方位裝定自主解析調(diào)平法，用加速度計(jì)重力矢量測(cè)量值估算出誘餌姿態(tài)角，結(jié)合裝定到誘餌捷聯(lián)系統(tǒng)中的首向角來(lái)解算捷聯(lián)矩陣；第三種對(duì)準(zhǔn)方法是解析粗對(duì)準(zhǔn)法，先由外部信息確定出一初始捷聯(lián)矩陣，再利用誘餌敏感元件提供的信息校準(zhǔn)初始捷聯(lián)矩陣完成粗對(duì)準(zhǔn)。誘餌粗對(duì)準(zhǔn)后兩種方法中，忽略了加速度計(jì)零位偏置、陀螺漂移以及慣性敏感元件各種干擾，對(duì)準(zhǔn)精度主要取決于敏感元件精度以及各種干擾大小。為減小干擾，可在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)敏感元件量測(cè)值取均值，并讓艦艇盡可能在魚(yú)雷粗對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中作勻速平直運(yùn)動(dòng)。粗對(duì)準(zhǔn)第一種方法最為簡(jiǎn)單，但精度相對(duì)要低一些；第三種方法顯得復(fù)雜了些，進(jìn)行多次矩陣運(yùn)算使得粗對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)準(zhǔn)精度不見(jiàn)得比第二種方法有多大提高，而誘餌粗對(duì)準(zhǔn)是為了獲得一個(gè)粗略捷聯(lián)矩陣，時(shí)間要求較短，故誘餌捷聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)時(shí)可首選第二種方法。

由于粗對(duì)準(zhǔn)時(shí)間比較短，受各種誤差影響，粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后數(shù)學(xué)平臺(tái)所反映的導(dǎo)航坐標(biāo)系還不是真實(shí)的導(dǎo)航坐標(biāo)系，它們之間存在失準(zhǔn)角，包括由安裝誤差造成的常值失準(zhǔn)角與隨機(jī)誤差源造成的隨機(jī)失準(zhǔn)角兩部分，粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后得到的捷聯(lián)矩陣還不精確，還必須進(jìn)一步完成精對(duì)準(zhǔn)。精對(duì)準(zhǔn)階段，可設(shè)計(jì)采用艦艇綜合導(dǎo)航設(shè)備提供的信息（如位置或速度）作為觀測(cè)信息，通過(guò)卡爾曼濾波法濾除各種有害干擾，同時(shí)對(duì)陀螺隨機(jī)漂移和加速度計(jì)隨機(jī)零偏進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，進(jìn)一步估計(jì)出計(jì)算導(dǎo)航坐標(biāo)系和真實(shí)導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的失準(zhǔn)角，獲得兩坐標(biāo)系之間的變換矩陣，再利用此矩陣校準(zhǔn)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)解算過(guò)程中獲得的捷聯(lián)矩陣，最終得到更為精確的從載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，完成全部對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。由此，通過(guò)粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)快速、高精度初始對(duì)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

誘餌捷聯(lián)慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)有著自己的特點(diǎn)，為確保誘餌戰(zhàn)術(shù)使用性能，實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)急發(fā)射，要求誘餌初始對(duì)準(zhǔn)必須時(shí)間短、精度高，但裝載艦艇隨時(shí)處于航行狀態(tài)，并隨浪涌一起做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而誘餌慣性敏感元件又直接安裝于基座，使得陀螺和加速度計(jì)信號(hào)干擾嚴(yán)重，造成誘餌進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)難度非常大。本文提出誘餌捷聯(lián)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)方案，先進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，再進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)。粗對(duì)準(zhǔn)采用傳遞對(duì)準(zhǔn)法、方位裝定自主解析調(diào)平法或者解析粗對(duì)準(zhǔn)法先使數(shù)學(xué)平臺(tái)大致對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)航坐標(biāo)系，再采用艦艇位置或速度作為觀測(cè)信息，應(yīng)用基于現(xiàn)代控制理論的卡爾曼濾波法進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)，去除敏感元件各種干擾，補(bǔ)償陀螺隨機(jī)漂移和加速度計(jì)隨機(jī)零偏，最終實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成高精度對(duì)準(zhǔn)。