CN104713571A - 一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于潜艇长航时高精度惯性导航技术领域，涉及一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法。本发明包括以下步骤：1.1）潜艇得到一初始位置信息，并将此信息送入惯性导航系统；1.2）根据艇上罗经给惯性导航系统送入一初始姿态、航向信息；1.3）惯性导航系统以此初始位置信息及初始航向、姿态信息进行导航解算；同时，惯性导航系统进入水平阻尼状态；1.4）（12n+6）小时之后，惯性导航系统再次得到一位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行校正，其中，n为不小于0的整数；1.5）重复步骤1.4）N次，N为不小于0的整数。本发明操作简单，能保证潜艇应急导航精度要求。

Description

一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法

技术领域

本发明属于潜艇长航时高精度惯性导航技术领域，涉及一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法。 

背景技术

惯性导航系统最大特点就是自主性，它可以不接收外界任何信息，而靠自身的基准就可进行连续自主导航，在军事上占有非常重要的地位。随着技术发展，惯导系统已经成为各类舰船、潜艇、先进飞机必不可少的关键设备之一，尤其对于水下远航航行的潜艇，考虑到其执行任务的隐蔽性，在执行任务过程中仅能依靠惯性导航系统提供高精度的自主导航信息。惯性导航系统对核潜艇更是具有重要意义，其作用是为长期在水下潜航的潜艇连续提供安全航行和发射导弹所需的导航参数和潜艇的运动参数，核潜艇使用惯性导航系统可以大大增强隐蔽性，亦可提高导弹发射的命中概率。理论和实践都可以说明，没有惯性导航系统，潜艇就不能充分发挥其战斗力。 

惯性导航系统因其自身工作机理，并不像卫星等导航手段启动后立即就可以提供高精度导航信息，而是启动后首先为导航解算建立精确的基准坐标系（即惯性导航系统的初始对准），基准坐标系建立的精度直接影响其导航精度。在码头系泊情况下，潜艇惯性导航系统正常启动初始对准只需已知的初始经纬度即可根据速度误差、位置误差完成对航向误差、水平姿态偏角的估计补偿，即完成初始对准。 

假设潜艇惯性导航系统在远航使用过程中出现偶发故障（重启系统正常）、艇上供电意外而关机或误操作而导致关机，则面临的问题就是惯性导航系统再次启动后在海上航行状态下如何完成初始对准并保证系统导航精度。而潜艇惯性导航系统要在海上完成航行对准，传统方法必须借助外界连续的精确参考位置速度信息，才能完成系统初始对准。而在潜艇实际战场环境下，连续精确的外界位置速度参考信息很难满足，传统海上航行初始对准方法无法满足潜艇惯性导航系统要求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法，保证在无连续外界参考信息条件下，完成系统应急启动且保证导航精度要求。 

本发明的技术方法是：一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法，其特征为所述方法包括以下步骤： 

1.1）潜艇处于海上航行状态，惯性导航系统在此情况下开机；潜艇得到一初始位置信息，并将此信息送入惯性导航系统； 

1.2）根据艇上罗经给惯性导航系统送入一初始姿态、航向信息； 

1.3）惯性导航系统以此初始位置信息及初始航向、姿态信息进行导航解算；同时，惯性导航系统进入水平阻尼状态； 

1.4）（12n+6）小时之后，惯性导航系统再次得到一位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行校正，其中，n为不小于0的整数； 

1.5）重复步骤1.4）N次，N为不小于0的整数。 

本发明的有益效果是：本发明潜艇惯导系统航行应急启动方法操作简单，能保证潜艇应急导航精度要求，其最大的优点是可最大程度保证潜艇战场环境隐蔽性需求（一般只需提供2至3次精度外界参考信息），且对潜艇航行状态及航线无特别限制要求，对保证潜艇惯性导航系统实际战场环境下的使用具有重要意义。 

附图说明

图1为航向误差与纬度误差相位关系； 

图2为本发明潜艇航行应急启动方法半物理仿真结果：位置误差曲线； 

图3为本发明潜艇航行应急启动方法半物理仿真结果：速度误差曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。 

根据惯性导航系统误差特性，惯性导航系统水平速度误差与水平偏角、航向误差与纬度误差相位相差90度互为“因果关系”，成“此起彼伏”的关系。只考虑初始航向误差时，航向误差与纬度误差曲线相位相差90度服从周期为24小时的正弦震荡 进行误差传播。从24×n小时（n=0，1，2，3…，即n为不小于0的整数，以下同）到（24n+6）小时航向误差从正向最大（20角分）减小到0，伴随纬度误差从0增加到负向最大；从（24n+6）小时至（24n+12）小时，纬度误差从负向最大到0，伴随航向误差从0变到负向最大；从（24n+12）小时至（24n+18）小时，航向误差从负向最大到0，伴随纬度误差从0变到正向最大；从（24n+18）小时至（24n+24）小时，纬度误差从正向最大变到0，伴随航向误差从0变到正向最大；两者按此符合正弦规律传播。 

根据惯性导航系统误差特性分析其深层次原因，纬度误差与航向误差按照初始误差互为因果进行传播，如没有外界干扰，两者传播的幅值及相位关系不会发生改变，但如果在任意时刻如果其中一方发生变化，则两者原来的平衡即被打破，然后建立新的互为因果的平衡继续随时间传播。设想在此情形：航向误差为0，纬度误差为正向或负向最大，如果在此时有外界精确位置，通过外界精确位置可将纬度误差清0，则结果必然是航向误差与纬度误差两者都为0，后续误差传播中如果不考虑其他因素，两者必然都为0。而上述的情况也不难寻找，由图可知，此时间点为（12n+6）小时。 

本发明特征：依据航向误差与纬度误差的以上关系，在（12n+6）小时进行位置误差校正，达到对航向误差的修正，从而达到惯性导航系统初始对准的目的。同样惯性导航系统水平偏角与水平速度误差也存在此种关系，通过这种关系来校正水平速度误差也可使水平偏角得到校正，不同的是因为速度误差与水平偏角服从84.4分钟的舒拉周期震荡，所以速度误差最佳校正时刻约为21.1×(2n+1)分钟。 

但需要注意的是由于在实际中潜艇速度较慢且可能存在侧滑的情形，所以潜艇绝对速度测量未必准确，再者分解到惯导东向、北向后可能不准确。而且速度误差校正周期较短，也不利于潜艇隐蔽性要求，所以东向、北向速度误差修正要根据时间情况考虑，一般不单独进行度速度误差校正，而是在校正位置误差时顺便对速度误差进行校正。速度误差的抑制也可通过水平内阻尼的方法对其进行阻尼，因潜艇速度较慢机动也较小，所以一般进入内阻尼状态后经过2到3小时也可对系统水平偏角阻尼到理想的精度。 

假设潜艇处于海上航行状态，惯性导航系统在此情况下开机，本发明的具体实施方式如下： 

1）潜艇由卫星定位或其他手段得到一个精确的位置信息，并送入惯性导航系统； 

2）根据艇上罗经给系统送入一粗略的姿态、航向信息（精度可能差几度，尽量精确即可，如果初始送入信息精度越差，后续所需的校正次数越多，校正时间也越长）；如果在没有罗经或其他航向姿态参考手段情况下，可由艇员自行估计后送入惯导系统，其中水平姿态较易估计（在海况较好情况下一般在几度范围内），航向可能较难精确人为估计；极端情况下，如果确无法给出粗略的航向信息（东南西北都分不清楚的情况下），也可通过惯性导航系统进行10至20分钟传统初始对准，从而得到粗略的航向、姿态，试验和仿真表明，由于潜艇速度机动较小，10至20分钟传统初始对准后航向、姿态精度达到几度的水平是非常容易的； 

3）惯性导航系统以此位置信息及粗略的航向、姿态信息进行导航解算（开始时精度极差），与传统惯性导航系统启动不同，此方法并不进行传统初始对准，而是直接根据初始粗略姿态、航行信息进行导航解算，主要是靠后续适时的校正达到航向、姿态误差的校正，因为在航行状态且无连续外界精确速度位置参考信息的情况下，传统初始对准不能达到理想的姿态、航向精度； 

4）6小时之后，系统再次得到一精确的速度、位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行精确校正，校正后系统导航精度达到一定精度（依初始送入信息精度而定）； 

需要说明的几点：一）如无法在6小时时得到精确信息进行校正，也可在5小时至7小时时适时选择校正，虽然没有6小时时校正精度高，但也可以达到一定的效果；二）如果在十几小时内均无法得到精确信息进行校正，则建议等到18小时时再进行适时校正，即如果错过了6小时校正时机，则建议等到18小时时再进行校正。 

5）如上6小时校正后再过6小时或18小时，系统可再次得到一精确的速度位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行再次精确校正，校正后系统导航精度较上次更优； 

6）如果初始送入的姿态航向误差较大，经过两次校正后可能还不满足精度需求，可经过6小时再次校正一次，其导航精度会进一步提高，当然此种方法并不是可以无限制的提高精度，仿真及试验发现，此种方法一般通过2至3次校正即可，一般航向误差能达到1角分的精度，水平偏角在水平内阻尼情况下可达到10角秒精度。 

另外，针对潜艇机动小的特点，系统导航解算开始后即可进入水平内阻尼，对系统水平速度误差及姿态偏角有较好的阻尼效果，且保证航向误差与纬度误差均有较好 的90度相位关系，从而保证系统航向校正精度；同时，进入水平内阻尼状态，可达到对系统水平姿态的对准。 

参见图1、图2、图3，如下为本发明航行应急启动方法的半物理仿真结果，仿真初始条件为：初始姿态航向信息送入精度为，航向误差10度，水平姿态误差2度，初始位置误差0（已知开机时精确位置），初始速度误差0。仿真过程加入水平内阻尼，有助于水平偏角及水平速度误差的阻尼。 

如下在开始后6小时前导航误差极大（位置误差450多海里），在6小时、12小时进行位置速度校正一次，校正前后导航误差如图2，第一次校正前后位置误差从450海里提高到约80海里，速度误差从约210米/秒提高到7米/秒，而第二次校正后位置误差从80多海里提高到约1海里，速度误差从约7米/秒提高到0.5米/秒，导航性能虽然有较大提高，达到航行应急启动的精度要求。 

Claims (3)

1.一种潜艇惯性导航系统航行应急启动方法，其特征为所述方法包括以下步骤：

1.1）潜艇处于海上航行状态，惯性导航系统在此情况下开机；潜艇得到一初始位置信息，并将此信息送入惯性导航系统；

1.2）根据艇上罗经给惯性导航系统送入一初始姿态、航向信息；

1.3）惯性导航系统以此初始位置信息及初始航向、姿态信息进行导航解算；同时，惯性导航系统进入水平阻尼状态；

1.4）（12n+6）小时之后，惯性导航系统再次得到一位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行校正，其中，n为不小于0的整数；

1.5）重复步骤1.4）N次，N为不小于0的整数。

2.根据权利要求1所述的潜艇惯性导航系统航行应急启动方法，其特征还在于其中：1.4）6小时或18小时之后，惯性导航系统再次得到一位置信息，利用此信息对系统位置、速度进行校正。

3.根据权利要求1或2所述的潜艇惯性导航系统航行应急启动方法，其特征还在于其中：1.5）（12n+6）小时之后，惯性导航系统第三次得到一位置信息，利用此信息再次对系统位置、速度进行校正，其中，n为自然数。