一種多源試驗(yàn)條件下慣導(dǎo)誤差系數(shù)融合的新方法

一種多源試驗(yàn)條件下慣導(dǎo)誤差系數(shù)融合的新方法

平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)是戰(zhàn)略彈頭武器系統(tǒng)的芯部，其精度對(duì)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(tái)工作方式以減小平臺(tái)誤差外,通過提高誤差模型系數(shù)的辨識(shí)效果,對(duì)平臺(tái)誤差進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償也是在現(xiàn)有條件下提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的一種經(jīng)濟(jì)而有效的手段。慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差系數(shù)的辨識(shí)主要通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與外場(chǎng)試驗(yàn)來進(jìn)行。有的研究利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的重力場(chǎng)、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)等試驗(yàn)進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定,有的則利用外場(chǎng)的車載、機(jī)載,火箭橇試驗(yàn)及彈載試驗(yàn)對(duì)慣導(dǎo)誤差系數(shù)進(jìn)行分離上述試驗(yàn)除了彈載試驗(yàn)外,其它的都是可重復(fù)性試驗(yàn)。通常慣導(dǎo)系統(tǒng)從研制到應(yīng)用過程中會(huì)積累大量的可重復(fù)性試驗(yàn)信息。但由于不同的試驗(yàn)條件對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差系數(shù)的激勵(lì)作用不同,很難將不同試驗(yàn)的信息直接融合起來對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行研究。所以,目前的研究大都在特定試驗(yàn)條件下進(jìn)行慣導(dǎo)系統(tǒng)的建模與補(bǔ)償。如果能將多源試驗(yàn)條件下得到的信息進(jìn)行融合估計(jì),從而提高慣導(dǎo)系統(tǒng)模型精度,將是一項(xiàng)很有意義的工作。一些科研人員也進(jìn)行了相關(guān)的研究。如王紀(jì)南等本文提出一種多源試驗(yàn)條件下慣導(dǎo)誤差系數(shù)融合估計(jì)的新方法。依據(jù)在各種試驗(yàn)條件下得到的試驗(yàn)信息,在進(jìn)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(duì)不同試驗(yàn)條件下分離得到的誤差系數(shù)進(jìn)行融合估計(jì)。1試驗(yàn)結(jié)果分析目前,慣導(dǎo)系統(tǒng)的可重復(fù)性試驗(yàn)除了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定外,還常采用車載、機(jī)載及火箭撬試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)可以針對(duì)同一套慣導(dǎo)多次重復(fù)進(jìn)行,得到較多的試驗(yàn)結(jié)果。但是這些試驗(yàn)中沒有任何一種能單獨(dú)模擬慣導(dǎo)系統(tǒng)的真實(shí)彈上工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定一般都在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行,通常只能反映慣導(dǎo)平臺(tái)系統(tǒng)的靜態(tài)性能;車載試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)方式靈活、可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,試驗(yàn)成本很低,經(jīng)常作為外場(chǎng)試驗(yàn)采用,但車載試驗(yàn)中加速度通常僅為1~2g,無法模擬慣性平臺(tái)工作過程中的高過載環(huán)境。機(jī)載試驗(yàn)中通過飛機(jī)進(jìn)行縱剖面俯沖-拉起動(dòng)作通常可以產(chǎn)生5~8g的加速度,可用于檢驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)在中等動(dòng)態(tài)環(huán)境下的導(dǎo)航精度,驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)與過載有關(guān)的各項(xiàng)誤差系數(shù)的準(zhǔn)確性?；鸺猎囼?yàn)可以短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生10g以上的加速度,能夠較真實(shí)地模擬高過載環(huán)境下的慣性平臺(tái)的工作條件,能充分激勵(lì)出加速度計(jì)與g實(shí)驗(yàn)室測(cè)試精度較高,對(duì)可以標(biāo)定的參數(shù)測(cè)量比較準(zhǔn)確,通?？梢宰鳛榫确治龅幕A(chǔ)。而車載、機(jī)載及火箭撬試驗(yàn)?zāi)軌蚋鼮檎鎸?shí)地模擬慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作環(huán)境,故相應(yīng)環(huán)境下慣性平臺(tái)的誤差系數(shù)可以得到充分的激勵(lì)。將多種試驗(yàn)結(jié)合起來能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)從低動(dòng)態(tài)到高動(dòng)態(tài)工作環(huán)境的模擬,從而可以更全面的了解慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型,提高“天地一致性”。由于目前對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)在這些系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)條件下的認(rèn)識(shí)還并不充分,因此,本文根據(jù)實(shí)際情況,針對(duì)研究問題的需要,對(duì)有關(guān)前提作如下設(shè)定:1)所研究的慣導(dǎo)平臺(tái)在有效期內(nèi)穩(wěn)定性較好,多次試驗(yàn)中慣導(dǎo)系統(tǒng)特性未發(fā)生明顯變化;2)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試精度較高,能夠標(biāo)定出的誤差系數(shù)結(jié)果較為理想;3)在各種外場(chǎng)試驗(yàn)中,外測(cè)(GPS、遮光板時(shí)空位置測(cè)試4)各試驗(yàn)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(tái)系統(tǒng)的誤差模型主要考慮加速度計(jì)誤差、陀螺儀漂移及平臺(tái)靜態(tài)誤差三部分。陀螺加速度計(jì)的誤差模型(以x向?yàn)槔?可寫為:式中,K陀螺儀的漂移誤差(以x向?yàn)槔?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(gè)方向上的視加速度測(cè)量誤差則為:平臺(tái)靜態(tài)誤差模型(以x向?yàn)槔?可寫為:式中,K與式(4)類似,可轉(zhuǎn)換為三個(gè)方向上視加速度測(cè)量誤差為:將式(1)、(4)和(6)結(jié)合起來,通過獲得試驗(yàn)過程中的遙外測(cè)差,按照分離慣導(dǎo)工具誤差的方法2.2試驗(yàn)條件的確定平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),誤差模型系數(shù)可以達(dá)到130多項(xiàng),常用誤差模型中也超過40項(xiàng)本研究以各誤差系數(shù)對(duì)試驗(yàn)軌跡的影響顯著程度來選擇可用于該試驗(yàn)分離的誤差模型。計(jì)算獲得此試驗(yàn)條件下各項(xiàng)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(yàn)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(shí),認(rèn)為該誤差系數(shù)在此試驗(yàn)條件下可分離,否則因其在總誤差中貢獻(xiàn)較小,無法可靠分離。3最優(yōu)融合估計(jì)方法的確定設(shè)慣導(dǎo)系統(tǒng)分別進(jìn)行了n次試驗(yàn)(包括車載試驗(yàn)、機(jī)載試驗(yàn)、火箭橇試驗(yàn)等),各類試驗(yàn)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(yàn)得到的誤差系數(shù)分為獨(dú)立系數(shù)(即僅在單一試驗(yàn)中分離出的誤差系數(shù))和公共系數(shù)(即在兩種以上試驗(yàn)中均分離出的誤差系數(shù))兩個(gè)部分,分別進(jìn)行融合處理。融合總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由于獨(dú)立系數(shù)在其它試驗(yàn)的分離結(jié)果中沒有對(duì)應(yīng)項(xiàng),則該系數(shù)在可分離試驗(yàn)中的權(quán)重為1,其它未分離出的試驗(yàn)中其權(quán)重為0,即在總體融合估計(jì)中以分離得到的值作為信任值予以保留。針對(duì)公共系數(shù)的融合問題,采用一種最優(yōu)融合估計(jì)方法。為簡(jiǎn)單又不失一般性,在此以兩組誤差系數(shù)θ在θ對(duì)式(10)應(yīng)用反演公式,并與式(9)左右同乘,可得兩個(gè)獨(dú)立估計(jì)量的最優(yōu)融合方程為:將P對(duì)應(yīng)的估計(jì)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(jì)量更一般性情形,對(duì)于有n種試驗(yàn),誤差系數(shù)θ而估計(jì)的最優(yōu)性由ω決定,ω依據(jù)4試驗(yàn)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(tái)慣導(dǎo)在多次車載試驗(yàn)、機(jī)載試驗(yàn)和火箭橇試驗(yàn)中分離得到的誤差系數(shù),并以其地面標(biāo)定數(shù)據(jù)作為參照,對(duì)其誤差系數(shù)進(jìn)行融合估計(jì)。在采用隨機(jī)搜索對(duì)權(quán)系數(shù)表1給出了車載試驗(yàn)與機(jī)載試驗(yàn)中均可分離出的公共誤差系數(shù)的融合估計(jì)結(jié)果。對(duì)車載、機(jī)載和火箭橇試驗(yàn)中均可分離出的公共誤差系數(shù)進(jìn)行融合估計(jì)的結(jié)果見表2。各類試驗(yàn)分離出的誤差系數(shù)并不完全相同。在本文的研究中,從機(jī)載試驗(yàn)中分離出的誤差系數(shù)中有8個(gè),火箭橇試驗(yàn)中分離出的誤差系數(shù)中有4個(gè)為其它試驗(yàn)無法分離出的。將這些誤差系數(shù)作為獨(dú)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(dǎo)系統(tǒng)誤差系數(shù)的融合結(jié)果。在從所有試驗(yàn)分離出來系數(shù)中,大多數(shù)誤差系數(shù)都在該慣導(dǎo)系統(tǒng)給出的指標(biāo)(2.7σ)范圍內(nèi),其中有4項(xiàng)誤差系數(shù)超出了指標(biāo)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(xiàng)誤差系數(shù)中,第1項(xiàng)和第3項(xiàng)是由車載試驗(yàn)和機(jī)載試驗(yàn)分離出的。這兩項(xiàng)誤差系數(shù)可以由地面測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定,雖然超出指標(biāo),但與標(biāo)定數(shù)據(jù)比較接近,仍然認(rèn)為融合結(jié)果是合理的。第4項(xiàng)系數(shù)的融合結(jié)果超差較大,然而地面標(biāo)定數(shù)據(jù)顯示也不在指標(biāo)內(nèi),應(yīng)當(dāng)考慮是否為系統(tǒng)本身此項(xiàng)性能與指標(biāo)不相符的原因造成的。第2項(xiàng)是由機(jī)載試驗(yàn)分離出的,然而相關(guān)的研究表明該項(xiàng)系數(shù)激勵(lì)作用較好是火箭橇試驗(yàn)。由于本試驗(yàn)中考慮的火箭橇試驗(yàn)信息僅來源于一個(gè)方向上的試驗(yàn),因此火箭橇試驗(yàn)中未能分離出該系數(shù)。從這一結(jié)果也可以看出,試驗(yàn)方式和試驗(yàn)次數(shù)對(duì)融合估計(jì)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(yàn)信息對(duì)分離得到的慣導(dǎo)模型誤差系數(shù)進(jìn)行融合估計(jì),為提高慣導(dǎo)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(yàn)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的激勵(lì)作用不同,能夠分離出的誤差系數(shù)也不盡相同,針對(duì)具體試驗(yàn)要進(jìn)行模型選擇,才能保證誤差系數(shù)的準(zhǔn)確性;2)試驗(yàn)種類的多樣性與試驗(yàn)次數(shù)的豐富性對(duì)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(jì)應(yīng)在盡可能多的試驗(yàn)信息上進(jìn)行;3)以多源信息融合理論以基礎(chǔ)的融合方法可操