【摘要】慣性/天文組合導(dǎo)航是目前研究最多的完全自主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，為了說明分立式結(jié)構(gòu)對該組合導(dǎo)航位置精度的影響，設(shè)計了10h的車載動態(tài)試驗。試驗結(jié)果說明，在慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備精度確定的情況下，分立式結(jié)構(gòu)很難提高慣性/天文組合導(dǎo)航的定位精度。

　　【關(guān)鍵詞】分立式結(jié)構(gòu);安裝誤差

　　1引言

　　遠程、長航時飛行載體的高精度導(dǎo)航，很難通過某一種單一的導(dǎo)航手段實現(xiàn)。作為機載主導(dǎo)航系統(tǒng)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于誤差積累的缺點，常與其他系統(tǒng)進行組合，共同完成導(dǎo)航任務(wù)。天文導(dǎo)航系統(tǒng)，較之衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)等具有可靠性高、抗電磁干擾能力強、隱蔽、精度較高的特點和優(yōu)勢，有可能成為適合復(fù)雜軍事環(huán)境下飛行器的輔助慣性導(dǎo)航的優(yōu)選系統(tǒng)[1]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和天文導(dǎo)航系統(tǒng)一樣都屬于自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，兩者可以構(gòu)成完全自主的組合導(dǎo)航方案，利用天文導(dǎo)航所得到的不隨時間漂移的姿態(tài)測量來校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差和傳感器誤差，這樣一來便可大大地提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度并滿足長航時導(dǎo)航要求，這種完全自主的組合系統(tǒng)完全可以在衛(wèi)星導(dǎo)航不可用時作為替代導(dǎo)航手段滿足導(dǎo)航需求。本文僅從結(jié)構(gòu)上是分立式的慣性/天文組合導(dǎo)航的動態(tài)試驗結(jié)果來分析該結(jié)構(gòu)對定位精度的影響。

　　推薦期刊：《天文學(xué)報》雜志創(chuàng)刊于1953年，由中國天文學(xué)會主辦，中國科學(xué)院紫金山天文臺承辦。《天文學(xué)報》是新中國建立后我國創(chuàng)辦最早的天文學(xué)術(shù)期刊。專門發(fā)表天體物理、天體力學(xué)、天體測量等天文各大分支學(xué)科以及天文儀器、天文學(xué)史和天文觀測新發(fā)現(xiàn)等方面的科研成果，供國內(nèi)外天文科研工作者、大學(xué)天文教學(xué)工作者、天文學(xué)研究生等有關(guān)人員參考，并進行國際交流。

　　2慣性/天文組合導(dǎo)航動態(tài)試驗

　　由于慣性/天文組合導(dǎo)航主要應(yīng)用于遠程、長航時飛行載體，本文的動態(tài)試驗時間為10h。在地面車載動態(tài)試驗中，慣性/天文組合導(dǎo)航高度通道的修正是通過氣壓高度計實現(xiàn)的，因此高度誤差僅受氣壓高度計精度的影響，與水平通道誤差相比為小量誤差可忽略。試驗結(jié)果中以水平通道的位置誤差作為考核系統(tǒng)定位精度的指標(biāo)。

　　在已有捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)上，慣性/天文組合導(dǎo)航需要進行算法設(shè)計及組合安裝結(jié)構(gòu)的考慮，這種結(jié)構(gòu)屬于分立式組合導(dǎo)航結(jié)構(gòu)。我們使用的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備單獨測試定位精度為500m(CEP)/h，天文導(dǎo)航設(shè)備提供給捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備的精度較高，算法相同的情況下，下面給出簡單安裝及優(yōu)化設(shè)計后安裝的慣性/天文組合導(dǎo)航動態(tài)試驗結(jié)果。

　　2.1慣性/天文組合導(dǎo)航簡單安裝結(jié)構(gòu)動態(tài)試驗

　　慣性導(dǎo)航設(shè)備與天文導(dǎo)航設(shè)備簡單安裝是通過剛性較強的安裝過渡板進行過渡連接，如圖1所示。慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法中需要考慮捷聯(lián)慣導(dǎo)坐標(biāo)系與天文導(dǎo)航坐標(biāo)系的關(guān)系，安裝完成后，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備相對安裝關(guān)系確定，兩個坐標(biāo)系的關(guān)系應(yīng)該是固定不變的，且兩個坐標(biāo)系的關(guān)系理論上可以通過標(biāo)定試驗確定，該標(biāo)定試驗稱為安裝誤差的標(biāo)定。

　　這種條件下多次進行跑車試驗，選取較好的一次試驗結(jié)果如圖2所示，定位精度為1400m(CEP)/10h，從導(dǎo)航結(jié)果來看，定位精度較差。圖2中δλ指經(jīng)度誤差，δL指緯度誤差。

　　2.2優(yōu)化設(shè)計以及動態(tài)試驗

　　圖1的安裝方式不能保證捷聯(lián)慣導(dǎo)坐標(biāo)系與天文導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系不變，可能的原因有：①設(shè)備與安裝過渡板連接方式是通過螺栓安裝緊固的，由于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備的自重都很大，搬運過程中安裝過渡板的形變、跑車試驗過程中振動引起的安裝過渡板形變以及螺栓和安裝通孔之間的間隙都會導(dǎo)致兩個坐標(biāo)系關(guān)系變化;②溫度變換引起安裝過渡板形變。慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個子導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備之間的安裝誤差標(biāo)定不準(zhǔn)確將直接影響組合導(dǎo)航精度，所以需要對原有的組合導(dǎo)航系統(tǒng)連接方式進行優(yōu)化。

　　第一種優(yōu)化設(shè)計為減小螺栓和安裝通孔之間的間隙。

　　原安裝搬運調(diào)試等過程中，設(shè)備在微觀上可能會有微小的位移造成一個坐標(biāo)軸相對偏轉(zhuǎn)角，經(jīng)過計算，目前使用國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件來緊固捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備時，坐標(biāo)軸相對偏轉(zhuǎn)角理論上最大能達到0.2°，雖然在實際使用時螺栓產(chǎn)生的摩擦力會限制其相對轉(zhuǎn)動，但這個量級相對于慣性/天文組合導(dǎo)航的位置精度要求還是很大。優(yōu)化設(shè)計時，我們考慮盡可能的消除螺栓和安裝通孔之間的間隙，自制安裝螺栓并提高加工精度，自制的螺栓留出部分無螺紋的表面光滑的圓柱體用來填充安裝孔的間隙，從而將安裝孔和螺栓之間的間隙減到最小。螺栓需要車制而成，精密車床車制的零件精度大約0.02mm左右。

　　第二種優(yōu)化為安裝過渡板的改進。

　　從試驗的情況看來，固連捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備的安裝過渡板剛性還需要進一步加強，以抵抗搬運、使用等過程中產(chǎn)生的微小扭曲造成的安裝誤差變化。為了解決該問題，安裝過渡板由鋼板改進為硬質(zhì)合金鋁材，雖然材料剛性不如鋼材，但在相同的重量前提下可以大幅度提高厚度來抵消影響，使剛性更好;由于厚度很厚，銑削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力還未到安裝表面就已被消除，大大減小對慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

　　優(yōu)化設(shè)計后動態(tài)試驗結(jié)果如圖3所示，定位精度為1000m(CEP)/10h。

　　3結(jié)果

　　分析從測試結(jié)果看，結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計可以提高慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，此定位精度相對于目前機載長航時自主導(dǎo)航的精度要求仍然較低。主要原因：慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用分立式組合方案時，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備和天文導(dǎo)航設(shè)備之間安裝誤差大、不穩(wěn)定，標(biāo)定試驗無法消除，導(dǎo)致組合導(dǎo)航位置精度低。只有天文導(dǎo)航設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備從結(jié)構(gòu)上共軸的一體化設(shè)計才能解決這種問題。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航設(shè)備與天文設(shè)備采用共軸的設(shè)計方式可提高系統(tǒng)集成度，消除分立式組合導(dǎo)航系統(tǒng)不同設(shè)備坐標(biāo)系變化的缺點，合理設(shè)計還可利用這種結(jié)構(gòu)抑制慣性器件的常值誤差。

　　參考文獻

　　[1]王安國.現(xiàn)代天文導(dǎo)航及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電子學(xué)報，2007，35(12)：2347~2353.