一種多源試驗條件下慣導誤差系數(shù)融合的新方法

一種多源試驗條件下慣導誤差系數(shù)融合的新方法

平臺慣導系統(tǒng)是戰(zhàn)略彈頭武器系統(tǒng)的芯部，其精度對發(fā)射精度有重要影響。除了依靠提高慣性器件自身及其安裝精度,改變平臺工作方式以減小平臺誤差外,通過提高誤差模型系數(shù)的辨識效果,對平臺誤差進行準確補償也是在現(xiàn)有條件下提高慣導系統(tǒng)精度的一種經(jīng)濟而有效的手段。慣導系統(tǒng)誤差系數(shù)的辨識主要通過實驗室標定與外場試驗來進行。有的研究利用實驗室內(nèi)進行的重力場、振動臺、離心機等試驗進行系數(shù)標定,有的則利用外場的車載、機載,火箭橇試驗及彈載試驗對慣導誤差系數(shù)進行分離上述試驗除了彈載試驗外,其它的都是可重復性試驗。通常慣導系統(tǒng)從研制到應(yīng)用過程中會積累大量的可重復性試驗信息。但由于不同的試驗條件對慣導系統(tǒng)誤差系數(shù)的激勵作用不同,很難將不同試驗的信息直接融合起來對慣導系統(tǒng)進行研究。所以,目前的研究大都在特定試驗條件下進行慣導系統(tǒng)的建模與補償。如果能將多源試驗條件下得到的信息進行融合估計,從而提高慣導系統(tǒng)模型精度,將是一項很有意義的工作。一些科研人員也進行了相關(guān)的研究。如王紀南等本文提出一種多源試驗條件下慣導誤差系數(shù)融合估計的新方法。依據(jù)在各種試驗條件下得到的試驗信息,在進行誤差系數(shù)有效分離的基礎(chǔ)上,采用加權(quán)融合算法,對不同試驗條件下分離得到的誤差系數(shù)進行融合估計。1試驗結(jié)果分析目前,慣導系統(tǒng)的可重復性試驗除了實驗室標定外,還常采用車載、機載及火箭撬試驗等。這些試驗可以針對同一套慣導多次重復進行,得到較多的試驗結(jié)果。但是這些試驗中沒有任何一種能單獨模擬慣導系統(tǒng)的真實彈上工作環(huán)境。實驗室標定一般都在靜態(tài)環(huán)境下進行,通常只能反映慣導平臺系統(tǒng)的靜態(tài)性能;車載試驗的運動軌跡和運動方式靈活、可長時間運行,試驗成本很低,經(jīng)常作為外場試驗采用,但車載試驗中加速度通常僅為1~2g,無法模擬慣性平臺工作過程中的高過載環(huán)境。機載試驗中通過飛機進行縱剖面俯沖-拉起動作通?？梢援a(chǎn)生5~8g的加速度,可用于檢驗平臺系統(tǒng)在中等動態(tài)環(huán)境下的導航精度,驗證平臺系統(tǒng)與過載有關(guān)的各項誤差系數(shù)的準確性?；鸺猎囼灴梢远虝r間內(nèi)產(chǎn)生10g以上的加速度,能夠較真實地模擬高過載環(huán)境下的慣性平臺的工作條件,能充分激勵出加速度計與g實驗室測試精度較高,對可以標定的參數(shù)測量比較準確,通?？梢宰鳛榫确治龅幕A(chǔ)。而車載、機載及火箭撬試驗能夠更為真實地模擬慣導系統(tǒng)的工作環(huán)境,故相應(yīng)環(huán)境下慣性平臺的誤差系數(shù)可以得到充分的激勵。將多種試驗結(jié)合起來能夠?qū)崿F(xiàn)對慣導系統(tǒng)從低動態(tài)到高動態(tài)工作環(huán)境的模擬,從而可以更全面的了解慣導系統(tǒng)誤差模型,提高“天地一致性”。由于目前對慣導系統(tǒng)在這些系統(tǒng)級試驗條件下的認識還并不充分,因此,本文根據(jù)實際情況,針對研究問題的需要,對有關(guān)前提作如下設(shè)定:1)所研究的慣導平臺在有效期內(nèi)穩(wěn)定性較好,多次試驗中慣導系統(tǒng)特性未發(fā)生明顯變化;2)在實驗室測試精度較高,能夠標定出的誤差系數(shù)結(jié)果較為理想;3)在各種外場試驗中,外測(GPS、遮光板時空位置測試4)各試驗條件下經(jīng)過分離得到的各誤差系數(shù)間不具有互相關(guān)性。2誤差模型2.1誤差分離方法慣性平臺系統(tǒng)的誤差模型主要考慮加速度計誤差、陀螺儀漂移及平臺靜態(tài)誤差三部分。陀螺加速度計的誤差模型(以x向為例)可寫為:式中,K陀螺儀的漂移誤差(以x向為例)可寫為:式中,K陀螺儀引起的角加速度誤差積分得到角度誤差:轉(zhuǎn)換為三個方向上的視加速度測量誤差則為:平臺靜態(tài)誤差模型(以x向為例)可寫為:式中,K與式(4)類似,可轉(zhuǎn)換為三個方向上視加速度測量誤差為:將式(1)、(4)和(6)結(jié)合起來,通過獲得試驗過程中的遙外測差,按照分離慣導工具誤差的方法2.2試驗條件的確定平臺慣導系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng),誤差模型系數(shù)可以達到130多項,常用誤差模型中也超過40項本研究以各誤差系數(shù)對試驗軌跡的影響顯著程度來選擇可用于該試驗分離的誤差模型。計算獲得此試驗條件下各項系數(shù)的總綜合誤差值。以各誤差系數(shù)引起的誤差在此試驗條件下占總綜合誤差值的比值為依據(jù),若比值大于特定閾值時,認為該誤差系數(shù)在此試驗條件下可分離,否則因其在總誤差中貢獻較小,無法可靠分離。3最優(yōu)融合估計方法的確定設(shè)慣導系統(tǒng)分別進行了n次試驗(包括車載試驗、機載試驗、火箭橇試驗等),各類試驗分離出的誤差系數(shù)結(jié)果為θ根據(jù)誤差系數(shù)的選取和分離結(jié)果,首先將各試驗得到的誤差系數(shù)分為獨立系數(shù)(即僅在單一試驗中分離出的誤差系數(shù))和公共系數(shù)(即在兩種以上試驗中均分離出的誤差系數(shù))兩個部分,分別進行融合處理。融合總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由于獨立系數(shù)在其它試驗的分離結(jié)果中沒有對應(yīng)項,則該系數(shù)在可分離試驗中的權(quán)重為1,其它未分離出的試驗中其權(quán)重為0,即在總體融合估計中以分離得到的值作為信任值予以保留。針對公共系數(shù)的融合問題,采用一種最優(yōu)融合估計方法。為簡單又不失一般性,在此以兩組誤差系數(shù)θ在θ對式(10)應(yīng)用反演公式,并與式(9)左右同乘,可得兩個獨立估計量的最優(yōu)融合方程為:將P對應(yīng)的估計向量更新方程為:可以證明,無論ω取什么值,上面確定的估計量更一般性情形,對于有n種試驗,誤差系數(shù)θ而估計的最優(yōu)性由ω決定,ω依據(jù)4試驗分離出的誤差系數(shù)根據(jù)前面介紹的方法,采用某型平臺慣導在多次車載試驗、機載試驗和火箭橇試驗中分離得到的誤差系數(shù),并以其地面標定數(shù)據(jù)作為參照,對其誤差系數(shù)進行融合估計。在采用隨機搜索對權(quán)系數(shù)表1給出了車載試驗與機載試驗中均可分離出的公共誤差系數(shù)的融合估計結(jié)果。對車載、機載和火箭橇試驗中均可分離出的公共誤差系數(shù)進行融合估計的結(jié)果見表2。各類試驗分離出的誤差系數(shù)并不完全相同。在本文的研究中,從機載試驗中分離出的誤差系數(shù)中有8個,火箭橇試驗中分離出的誤差系數(shù)中有4個為其它試驗無法分離出的。將這些誤差系數(shù)作為獨立系數(shù)處理,其結(jié)果如表3。表1、表2和表3給出了所研究的慣導系統(tǒng)誤差系數(shù)的融合結(jié)果。在從所有試驗分離出來系數(shù)中,大多數(shù)誤差系數(shù)都在該慣導系統(tǒng)給出的指標(2.7σ)范圍內(nèi),其中有4項誤差系數(shù)超出了指標范圍。表4給出了超出范圍的誤差系數(shù)融合結(jié)果。從表4中可以看出超差的這4項誤差系數(shù)中,第1項和第3項是由車載試驗和機載試驗分離出的。這兩項誤差系數(shù)可以由地面測試進行標定,雖然超出指標,但與標定數(shù)據(jù)比較接近,仍然認為融合結(jié)果是合理的。第4項系數(shù)的融合結(jié)果超差較大,然而地面標定數(shù)據(jù)顯示也不在指標內(nèi),應(yīng)當考慮是否為系統(tǒng)本身此項性能與指標不相符的原因造成的。第2項是由機載試驗分離出的,然而相關(guān)的研究表明該項系數(shù)激勵作用較好是火箭橇試驗。由于本試驗中考慮的火箭橇試驗信息僅來源于一個方向上的試驗,因此火箭橇試驗中未能分離出該系數(shù)。從這一結(jié)果也可以看出,試驗方式和試驗次數(shù)對融合估計的結(jié)果也有一定的影響。5多源信息融合模型確定與模型優(yōu)化本文利用多源試驗信息對分離得到的慣導模型誤差系數(shù)進行融合估計,為提高慣導系統(tǒng)誤差模型的“天地一致性”提供支持。得到的主要結(jié)論有:1)不同試驗對慣導系統(tǒng)的激勵作用不同,能夠分離出的誤差系數(shù)也不盡相同,針對具體試驗要進行模型選擇,才能保證誤差系數(shù)的準確性;2)試驗種類的多樣性與試驗次數(shù)的豐富性對誤差系統(tǒng)的融合結(jié)果有影響,在條件許可情況下,融合估計應(yīng)在盡可能多的試驗信息上進行;3)以多源信息融合理論以基礎(chǔ)的融合方法可操