一种惯导系统航向测量精度的动态评估方法

傅中泽，徐 凯，关 劲，陶冠时，高 薪，孙 洋

（1.天津航海仪器研究所，天津 300131；2.海军工程大学，武汉 430033）

一种惯导系统航向测量精度的动态评估方法

傅中泽1，徐 凯1，关 劲1，陶冠时1，高 薪2，孙 洋1

（1.天津航海仪器研究所，天津 300131；2.海军工程大学，武汉 430033）

随着舰载武器系统的发展，对惯性导航系统姿态测量精度要求不断提高，因此对惯导系统姿态测量精度的评估与验证成为惯性测试技术中的关键问题之一，特别是针对动态条件下的评定。对此提出了一种惯导系统姿态信息测量精度的动态评估方法，该方法是由差分GPS测量系统、甲板经纬仪、综合测量靶标等设备组成的外测系统来实现。该外测系统通过外测定位数据、速度数据、航向数据与惯导系统相关数据进行比对达到惯导系统精度评估的目的。经过实船验证，该动态评估方法实测结果优于20〞，满足性能指标的要求。该方法的提出有效提高了惯导系统姿态信息的动态评估的效率，具有很好的实际应用价值。

惯导动态评估；差分GPS测量系统；甲板经纬仪；综合测量靶标

随着舰载武器系统的不断发展，为保证舰载火炮、导弹、雷达等武器系统正常工作，要求船用惯性导航系统除满足定位功能外，还要提供具有一定精度的航向与水平姿态信息。此外，舰载导弹和飞机在发射前，也需要上述参数使其配备的惯性设备快速正确的完成初始对准与初始参数装订功能。由于对惯性导航系统姿态测量精度要求的不断提高，因此对惯导系统姿态测取精度的评估与验证成为惯性测试技术中的关键问题之一，特别是针对动态条件下的评定。

惯导系统姿态信息测量精度的动态评估是其测量精度评估的重点与难点，一方面由于惯性姿态测量法自身精度相对较高，较难在动态情况下找到适合的仪器进行评定；另一方面，由于在海上动态条件下载体运动情况较为复杂，且受舰吨位、运动机动性、船体变形、海况等级等诸多因素影响，获取惯导系统所处位置姿态运动信息的真值较为困难。

现在精度较高的惯导系统动态评估方法主要有天文导航和GPS姿态测量：

a） 天文导航

天文导航是以已知准确空间位置、不可毁灭的自然天体为基准，并通过光电和射电方式被动探测天体位置，经解算确定测量点所在平台的经度、纬度、航向和姿态等信息。目前舰舰装备的天文导航系统多是基于“高度差法”天文导航原理，其导航定位过程依赖于惯导平台提供的水平基准，通过惯导系统获得载体的初始位置、姿态，以便实施对星体的搜索、捕获和跟踪。天文导航系统在已知水平姿态的条件下，可确定载体的地理位置和真北航向；在已知地理位置的条件下，可以确定载体的水平姿态和真北航向。

天文导航系统的导航定位精度主要取决于水平基准精度、测角传感器及其线路检测精度、轴系制造装调与标校精度、CCD光电测星精度、蒙气差与视差的修正精度、时间精度、导航星视位置精度。其中，水平基准对其导航定位精度影响最大，而其它误差项通过建立综合标定的误差模型可以控制在较小范围内。因此，在已知地理位置的条件下，忽略除水平基准误差外的其它误差项，可以利用天文导航系统解算出载体的水平姿态和真北航向，对惯性导航系统的姿态测量精度进行评估或验证。

天文测量法已得到一定程度应用，但该方法是以忽略诸多误差项为基础的，且其测量精度与高精度惯导系统的姿态测量精度相当。

b）GPS姿态测量

GPS不仅可以实时、全天候的提供载体的位置、速度和1pps秒脉冲信号，而且利用相位干涉原理，采用天线布阵技术，可以实现载体的航行及水平姿态的测量。通过适当的布局安装在同一平面上且不在同一线上的多个GPS天线，采用载波相位差分测量，天线之间构成的基线向量能够被精确地测定，因此由基线所确定的平面的姿态也同时被确定。从目前国外相关产品资料看，其姿态角测量精度能够达到 0.03°至0.5°，实际精度指标还取决于GPS天线的配置和多路径影响。

GPS姿态测量除依赖硬件设备条件外，算法研究与软件实现及基阵布阵方法也是其关键技术，直接其影响姿态测量精度。

本文所述一种惯导系统航向测量精度的动态评估方法依靠由差分GPS测量系统、甲板经纬仪、综合测量靶标等设备组成的外测系统来实现。该系统通过外测定位数据、速度数据、航向数据与导航系统相关数据进行比对以达到惯导姿态精度动态评估的目的。

1 外测系统

1.1 功能

该外测系统利用甲板经纬仪实时跟踪配合船上的靶标，并结合有关差分定位数据等解算出舰实时航向，将该航向与导航系统输出的航向进行比较可以获得各采样时刻点的航向差，从而达到导航系统定向精度检查的目的。

1.2 系统构成

外测系统由动态差分GPS测量系统Ⅰ、差分GPS测量系统Ⅱ、影像跟踪仪、综合测量靶标、测控微机、数据采集仪及后处理软件等组成。其中差分GPS测量系统Ⅰ、影像跟踪仪、测控微机等架设在试验舰上，差分GPS测量系统Ⅱ、综合测量靶标、数据采集仪等架设于试验配合船上。如图1所示。

图1 外测系统Fig.1 Outside measurement system

1.2.1 差分GPS测量系统

差分GPS测量系统由安装于试验舰的差分GPS测量系统Ⅰ和差分GPS测量系统Ⅱ、数据链电台及基站组成。主机对接收机采集的码相位和载波相位观测数据进行处理，同时通过数据链接收电台实时接收从差分基准站发送的差分信息，按RTK模式工作，提供实时的高精度位置和速度信息。

基站沿试验航道岸边建立，每个基站包括1台40通道双频RTK GPS接收机、1个零相位双频GPS天线、1台基准站数据链电台及天线、线缆、安装附件等。

导航精度试验中用到两套差分GPS测量系统，一套安装在试验舰上，用于测量影像跟踪仪的精确定位数据和试验舰的定位数据；一套安装在试验配合船上，用于测量综合测量靶标的精确定位数据。

沿试验航路岸边建立3至4个差分基准站，基准站利用岸标设置。

1.2.2 影像跟踪仪

影像跟踪仪是利用高稳频氦氖激光技术实现对特定点进行高精度定位测量的。精度试验中所使用的影像跟踪仪上集成安装了数码影像跟踪系统。其最显著的特点是不但可以对特定的靶目标进行空间定位（5×10-6），还可对有特定光学特性的灯目标进行形位跟踪，测定出目标灯形位中心的方位角和高度角。

利用影像跟踪仪的上述特性，在精度试验中就能对综合靶标进行自动形位跟踪，测量出综合靶标对甲板坐标系的方位角和高度角。同时在不进行靶标跟踪时，还能对有关部位进行变形监测。当影像跟踪仪在甲板坐标系中对准时，统一称其为甲板经纬仪。

1.2.3 测控微机及数据采集仪

系统测控微机和数据采集仪选用加固便携式计算机，能够适应舰上恶劣试验环境。测控微机主要完成试验舰上所有外测设备及导航设备的系统接口、同步测量以及数据采集、存储，部分数据实时显示等任务。数据采集仪在配合船上完成差分GPS测量系统Ⅱ的数据采集任务。

1.2.4 综合测量靶标

综合测量靶标上安装了跟踪灯、GPS定位天线、多路径抑制器、专用双频放大器等。要求通过刚度设计，GPS定位天线与跟踪灯的位置保持相对稳定。在数据后处理时通过天线与跟踪灯的位置关系可计算出跟踪灯的精确位置信息。

1.2.5 后处理软件

后处理软件包括两部分。第一部分是GPS定位数据原始观测量的后处理。从以前的试验情况看，受试验环境影响，差分信号有可能会受到干扰。为了提高数据成功率，确保参与精度考核的定位数据的连续性和有效性，在对试验中GPS的动态差分定位数据记录的同时对原始观测量进行记录，并对原始观测量进行事后处理得到高精度相对差分定位数据。

第二部分是对相关外测数据进行后处理以获得航向外测数据。精度试验中不能得到实时外测航向，只能记录大量航向解算原始历元。数据后处理软件要完成同一时刻点各参数（包括试验舰上的影像跟踪仪数据、差分GPS测量系统数据及配合船上的差分GPS测量系统数据等）的配置，保证每一组航向解算历元的时间统一。然后根据试验舰上和配合船上 GPS定位点解算出影像跟踪仪和综合测量靶标的精确定位数据从而解算出大地方位角，最后才能解算出各采样时刻点的外测航向。数据后处理软件还要完成外测定位数据、测速数据及外测航向数据的预处理，判断并剔除粗大误差，最后还要与导航系统相应数据进行匹配、比对。

2 评估方法

2.1 航向测量方案

利用外测系统中差分 GPS测量系统实现定位测量作为外测航向的解算因子，定位精度直接影响到外测航向的精度，因此需要对GPS定位数据采取动态差分以满足航向解算需要的精度要求。精度试验过程中差分信号有可能会受到干扰，为保证外测数据的连续性，试验中对试验舰和配合船上的GPS接收机的原始观测量进行记录，对它们进行后处理可以得到高精度的相对差分定位数据，满足外测航向解算要求。

外测系统航向数据是综合光学测量及 GPS定位测量等相关测量数据联合解算得到的，其测量原理如图2所示。试验过程中甲板经纬仪（影像跟踪仪）实时跟踪配合船上的综合测量靶标，t时刻点甲板经纬仪与靶标连线的大地方位角为K2，甲板经纬仪跟踪靶标的目标舷角转换到大地坐标系中的角度为K1，设t时刻舰的外测航向为K，则有：

图2 舰船精度试验测量原理Fig.2 Ship precision test measuring principle

式中：K为t时刻舰的外测航向，K1为甲板经纬仪跟踪靶标的目标舷角转换到大地坐标系中的角度；K2为t时刻点甲板经纬仪与靶标连线的大地方位角。

可见，进行航向外测时，需要：1）甲板经纬仪需在舰的甲板坐标系内进行准确安装；2）甲板经纬仪和综合测量靶标需进行精确定位。

2.2 甲板经纬仪的安装对准

精度试验中甲板经纬仪必须工作于舰统一甲板坐标系内，即方位回转轴线垂直于甲板坐标系水平基准面（即水平对准），零方位角时视轴线在水平基准面内与舰艏艉基准线平行（即方位对准）。利用影像跟踪仪的高精度的目标定位特性，通过两次坐标测量与转换实现方位对准的数学平台对准方案。该方案是基于影像跟踪仪高精度的形位测量特性进行的。

在舷间架设四个靶标，建立过渡基准坐标系，影像跟踪仪在导航室内在甲板坐标系中对准后对四个靶标进行测量，可以得到过渡基准坐标系相对甲板坐标系的失调角(α1,β1,γ1)。

在甲板上架设影像跟踪仪，影像跟踪仪对舷间四个靶标进行测量，可以得到影像跟踪仪坐标系相对过渡基准坐标系的失调角(α2,β2,γ2)。既而可以得到影像跟踪仪坐标系与甲板坐标系的失调角为：

通过式(2)的修正计算，影像跟踪仪就能实现在甲板坐标系中对准。

这种方法中甲板经纬仪的安装不需要与甲板坐标系进行传统的光学传递对准，只需在数据处理过程中进行数学甲板坐标系上的“软对准”，这一方法大大减轻了现场工作量。

2.3 靶标水平舷角K1的解算

甲板经纬仪跟踪测量靶标所测得的数据是在甲板坐标系内的甲板高度角eg和甲板舷角qg。而外测航向解算时要求解算数据都在大地水平坐标系中，因此必须对甲板坐标系下测量的甲高度角eg和甲板舷角qg进行坐标转换，以得到靶标的水平高度角和水平舷角K1。

2.4 坐标转换

舰甲板坐标系如图3所示，以舰的质心为原点，Xg指向舰艏，Yg轴在肋骨面内指向右舷，Zg轴按左手法则。只有当XgYg平面平行于当地水平面时，甲板坐标系才代表当地水平坐标系。外测系统的甲板经纬仪试验前已经与舰甲板坐标系安装对准，即甲板经纬仪竖轴平行于Zg，零方位角时横轴平行于Xg。由于舰的姿态变化，甲板坐标系与当地水平坐标系存在转换关系。如图4所示，设定舰体先产生横摇即首先绕Xp轴转R角，再产生纵摇即绕Yp轴转P角，且横摇时左高为正，纵摇时艏高为正，则有：

式中：B为倾斜矩阵。

图3 甲板坐标系Fig.3 Deck coordinate system

图4 舰甲板坐标系与大地水平坐标系转换Fig.4 Coordinate transformation

2.5 目标舷角的水平投影K1的解算

根据坐标转换公式即可解算出靶标的水平舷角投影为

计算艇真航向时需测得靶标P的水平舷角，但处于航行状态的潜艇是在不断运动的，甲板经纬仪T对配合船靶标P的测量线并不在当地水平面内，甲板经纬仪实时测得的是甲板舷角。从甲板舷角到水平舷角还一个变换过程。

甲板经纬仪对靶标P的甲板舷角：甲板高低角eg和甲板舷角qg，根据式(6)可计算甲板经纬仪对靶标水平舷角K1的值，

式中：P为纵摇角，R为横摇角。

2.6 大地方位角K2的解算

由式(1)可知，外测航向解算中需要解算出甲板经纬仪对测量靶标的大地方位角K2，根据t时刻点甲板经纬仪和综合测量靶标跟踪灯的精确定位(B1,L1,H1)和(B2,L2,H2)，根据高斯平均引数大地主题反算公式即可求出大地方位角：

式中：a为椭球长半轴，f为椭球扁率的倒数。

3 结 论

经过实船验证，本动态评估方法实测结果优于20〞，满足性能指标的要求。本方法的提出为惯导系统航向的动态评估提供了精度可靠、切实可行的方法，从而有效提高了惯导系统姿态信息的动态评估的效率。

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Dynamic evaluation method of INS course measurement precision

FU Zhong-ze1,XU Kai1,GUAN Jin1,TAO Guan-shi1,GAO Xin2,SUN Yang1
(1.Tianjin Navigation Instruments Research Institute,Tianjin 300131,China;2.Naval University of engineering,Wuhan 430033,China)

With the development of shipboard weapon system,the INS attitude measurement accuracy is required to be higher and higher.Thus the evaluation and verification of INS course precision become one of the key problems in inertial measurement technology,especially under dynamic conditions.In this paper,a dynamic evaluation method of INS course accuracy is put forward.The method consists of differential GPS measurement system,deck theodolite,and comprehensive target measurement devices such as external measurement system.THE evaluation of INS course accuracy is achieved by the comparison of external positioning data,speed,heading data with INS-related data.Test results show that the course dynamic evaluation accuracy is about 20〞,meeting the performance requirements.The method effectively improves the dynamic assessment efficiency of the INS attitude information.

INS dynamic evaluation;differential GPS measurement system;deck theodolite;comprehensive target measurement devices

U666.1

A

1005-6734(2014)03-0416-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.03.026

2014-01-14；

2014-04-25

海军武器装备预研项目（08330/1080）

傅中泽（1967—），男，高级工程师，主要研究方向惯性导航技术。E-mail：xk_707@sina.com