CN112815963B - 一种主动攻击水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所述的水雷惯导与磁罗盘误差角标定及补偿方法，根据两个空间坐标系之间状态余弦矩阵的唯一性原理，将第一种状态下测量后的计算结果用于第二种状态下的测量结果计算，使保持水雷Y轴向上与Z轴向上两种状态之间没有了绕X轴旋转90度的限制条件，简化了对标定设备和操作的要求，易于实现；针对每条水雷得到的标定结果写入弹道控制计算机中，通过补偿实现目标探测系统与弹道控制系统的方位和姿态基准的同一化，有效消除设备安装带来的系统误差，保证主动攻击水雷对目标实施制导攻击的精度，已经得到某型号方案阶段湖上和海上试验的验证。

Description

一种主动攻击水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法
技术领域
本发明属于水雷弹道控制技术领域，具体涉及一种主动攻击水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法。
背景技术
目前我国的主动攻击水雷主要是系留平台+战斗载荷的大范围火箭上浮锚雷，要对战斗载荷的水下弹道施以控制，提高对目标的打击精度，就必须在其制导回路中引入目标位置和速度等信息。目标信息来源于目标探测系统，其方位和姿态基准通过磁罗盘建立；弹道控制系统的方位和姿态基准通过惯导建立。只有将目标探测系统的方位和姿态基准与弹道控制系统的基准统一起来，才能在弹道控制系统中有效利用目标信息。
目标探测系统安装于系留平台的头盖内，弹道控制系统安装在战斗载荷的几何中心附近。由于这两个系统安装在不同的平台上，因此，既不能采用光学仪器进行瞄准测量的方式得到两者之间的安装误差角，也不能采用工艺控制和误差传递计算的方式获取两者之间的安装误差角。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种主动攻击水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，简化了对标定设备和操作的要求，易于实现；
一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，在水雷雷体安装磁罗盘的位置安装可测量三轴加速度的工装，并按照磁罗盘安装基准进行安装；定义水雷雷体的坐标系为OXYZ坐标系，工装体坐标系为O1X1Y1Z1，惯导体坐标系为O2X2Y2Z2；
将水雷雷体的Y轴向上且X轴和Z轴位于水平面内；假设O0X0Y0Z0为方位未知的当地水平坐标系，O1X1Y1Z1系由O0X0Y0Z0系经过三次旋转得来，三次旋转的角度分别为航向角ψ1、俯仰角θ1、横滚角
Figure BDA0002859573440000011
由O0X0Y0Z0系至O1X1Y1Z1系转换的方向余弦矩阵为：
Figure BDA0002859573440000012
Figure BDA0002859573440000021
雷体的Y轴向上并保持静止时，有：
Figure BDA0002859573440000022
其中:
Figure BDA0002859573440000023
表示工装测得的目标加速度在O1X1Y1Z1坐标系各轴的重力加速度分量；A0为当地水平坐标系各轴的重力加速度分量，A0＝[0,g,0]，将[A0],[A1],
Figure BDA0002859573440000024
代入(2)式得：
Figure BDA0002859573440000025
最后得到工装表征的俯仰、横滚两个姿态角：
Figure BDA0002859573440000026
Figure BDA0002859573440000027
同理，得到惯导表征的俯仰、横滚两个姿态角θ2、
Figure BDA0002859573440000028
Figure BDA0002859573440000029
和
Figure BDA00028595734400000210
分别为惯导测量的三轴重力加速度分量；
那么两者的俯仰角误差、横滚角误差分别为：
Δθ＝θ2-θ1 (6)
Figure BDA00028595734400000211
将雷体绕其X轴左倾90度，使得雷体Z轴向上，得到新的工装体坐标系O1′X1′Y1′Z1′和惯导体坐标系为O′2X′2Y′2Z′2；
同理，根据新的坐标系可得到工装和惯导表征的雷体航向角：
Figure BDA00028595734400000212
Figure BDA00028595734400000213
其中，
Figure BDA00028595734400000214
表示工装测得的重力加速度在X′1轴的分量；
Figure BDA00028595734400000215
表示惯导测得的重力加速度在X′2轴的分量；
此时新坐标系下的航向角误差ψ′2-ψ′1即可以等效为原坐标系下的航向角误差，即
Δψ＝ψ′2-ψ′1 (10)
将工装替换为原来的磁罗盘，则磁罗盘体坐标系为O1X1Y1Z1、惯导体坐标系为O2X2Y2Z2，由O1X1Y1Z1至O2X2Y2Z2的三次旋转，则O1X1Y1Z1系变换至O2X2Y2Z2系的方向余弦矩阵
Figure BDA0002859573440000031
如下式：
Figure BDA0002859573440000032
惯导接收到目标探测系统磁罗盘t0时刻测量得到的方位角、俯仰角、横滚角以及目标位置和速度信息，由t0时刻方位角、俯仰角、横滚角得到目标探测系统参考坐标系向磁罗盘体坐标系O1X1Y1Z1变换的方向余弦矩阵，记为
Figure BDA0002859573440000033
t0时刻目标在标探测系统参考坐标系中的坐标位置，记为[xn0 yn0 zn0]t；
t0时刻的惯导的捷联矩阵记为
Figure BDA0002859573440000034
得到t0时刻目标在惯导导航坐标系中的补偿后坐标位置：
Figure BDA0002859573440000035
较佳的，在安装工装时，在平台头盖的磁罗盘安装基座上加工一个与磁罗盘相同的安装接口。
较佳的，在安装工装时，用安装磁罗盘的接口安装工装。
较佳的，将标定出的误差角装订至弹道控制计算机用作补偿计算。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述的水雷惯导与磁罗盘误差角标定及补偿方法，根据两个空间坐标系之间状态余弦矩阵的唯一性原理，将第一种状态下测量后的计算结果用于第二种状态下的测量结果计算，使保持水雷Y轴向上与Z轴向上两种状态之间没有了绕X轴旋转90度的限制条件，简化了对标定设备和操作的要求，易于实现；针对每条水雷得到的标定结果写入弹道控制计算机中，通过补偿实现目标探测系统与弹道控制系统的方位和姿态基准的同一化，有效消除设备安装带来的系统误差，保证主动攻击水雷对目标实施制导攻击的精度，已经得到某型号方案阶段湖上和海上试验的验证。
附图说明
图1为工装和惯导在水雷雷体中安装示意图。
图2为O0X0Y0Z0系至O1X1Y1Z1系的三次旋转示意图。
其中，1-水雷雷体，2-工装，3-惯导。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出了一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，在平台头盖的磁罗盘安装基座上加工一个与磁罗盘相同的安装接口(如果磁罗盘易于拆卸安装，可直接利用磁罗盘的安装接口)，加工一套能测量正交三轴加速度的装置作为工装，工装的安装接口与磁罗盘的安装接口及测量轴向保持一致，工装的体积和结构适应通过平台头盖操作孔进行安装。采用工控计算机+专用电缆或者专用保障设备作为标定设备。水雷、惯导以及磁罗盘三者的坐标系的三个坐标轴要求均对应平行，但由于安装误差，实际上存在误差角度。定义水雷雷体坐标系为OXYZ坐标系，分别在水雷X轴水平、Y轴向上以及X轴水平、Z轴向上两种状态下完成测量，再通过计算标定出惯导与磁罗盘误差角。然后将标定出的误差角装订至弹道控制计算机用作补偿计算。
(1)误差角标定
主动攻击水雷完成系留平台总体装配后，用标定工装沿着目标探测系统磁罗盘的安装基准(或者加工的基准)安装，惯导沿着自身的安装基准安装，雷体水平放置，X轴指向前，Y轴向上，Z轴向右。如图1，安装后工装体坐标系为O1X1Y1Z1，惯导体坐标系为O2X2Y2Z2。
在雷体的Y轴向上且X轴和Z轴位于水平面内时，假设O0X0Y0Z0为方位未知的当地水平坐标系，O1X1Y1Z1系由O0X0Y0Z0系经过三次旋转得来，三次旋转的角度分别为航向角ψ1、俯仰角θ1、横滚角
Figure BDA0002859573440000041
如图2。由O0X0Y0Z0系至O1X1Y1Z1系转换的方向余弦矩阵为：
Figure BDA0002859573440000042
雷体的Y轴向上并保持静止时，有：
Figure BDA0002859573440000051
其中:
Figure BDA0002859573440000052
—O1X1Y1Z1系各轴的重力加速度分量，由工装实测得到。A0为水平坐标系各轴的重力加速度分量，A0＝[0,g,0]，将[A0],[A1],
Figure BDA0002859573440000053
代入(2)式得：
Figure BDA0002859573440000054
最后得到工装表征的俯仰、横滚两个姿态角：
Figure BDA0002859573440000055
Figure BDA0002859573440000056
同理，由于惯导也同时测得三轴重力加速度分量，则可以得到惯导表征的俯仰、横滚两个姿态角θ2、
Figure BDA0002859573440000057
其形式与公式(4)和(5)一致：
Figure BDA0002859573440000058
Figure BDA0002859573440000059
Figure BDA00028595734400000510
和
Figure BDA00028595734400000511
分别为惯导测量的三轴重力加速度分量；
两者的俯仰角误差、横滚角误差分别为：
Δθ＝θ2-θ1 (6)
Figure BDA00028595734400000512
将雷体绕其X轴左倾90度左右，使得雷体Z轴向上，X轴指向前，Y轴指向左，得到新的工装体坐标系O′1X′1Y′1Z′1和惯导体坐标系为O′2X′2Y′2Z′2；
同理，根据新的坐标系得到工装和惯导表征的雷体航向角：
Figure BDA00028595734400000513
Figure BDA00028595734400000514
其中，
Figure BDA00028595734400000515
表示工装测得的重力加速度在X′1轴的分量；
Figure BDA00028595734400000516
表示惯导测得的重力加速度在X′2轴的分量；
此时新坐标系下的航向角误差ψ′2-ψ′1即可以等效为原坐标系下的航向角误差。即
Δψ＝ψ′2-ψ′1 (10)
由式(6)、(7)、(10)可以求出，在雷体上安装后工装与惯导三个方向的误差角Δψ、Δθ、
Figure BDA0002859573440000061
(2)安装误差补偿
将工装的体坐标系等同于目标探测系统磁罗盘的体坐标系，则标定所得的工装与惯导三个方向的姿态角误差亦可等同于磁罗盘与惯导的姿态角误差，并且可得到磁罗盘与惯导体坐标系之间的坐标转换关系。
令磁罗盘体坐标系为O1X1Y1Z1、惯导体坐标系为O2X2Y2Z2，由O1X1Y1Z1至O2X2Y2Z2的三次旋转与图1保持一致，则O1X1Y1Z1系变换至O2X2Y2Z2系的方向余弦矩阵
Figure BDA0002859573440000062
如下式：
Figure BDA0002859573440000063
根据制导控制系统方案，制导指令的形成与目标攻击点在导航坐标系中的坐标位置以及惯导的体坐标系原点在导航坐标系中的坐标位置有关，因此需要将目标探测系统参考坐标系中的目标信息变换到导航坐标系中。
惯导接收到目标探测系统磁罗盘t0时刻测量得到的方位角、俯仰角、横滚角以及目标位置和速度信息，由t0时刻这三个角度值可得到目标探测系统参考坐标系向磁罗盘体坐标系O1X1Y1Z1变换的方向余弦矩阵，记为
Figure BDA0002859573440000064
t0时刻目标在标探测系统参考坐标系中的坐标位置，记为[xn0 yn0 zn0]t。
t0时刻的惯导的捷联矩阵记为
Figure BDA0002859573440000065
用以上标定的误差角进行补偿，得到t0时刻目标在惯导导航坐标系中的坐标位置：
Figure BDA0002859573440000066
通过补偿，消除了惯导和目标探测系统磁罗盘之间的安装误差。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，其特征在于，在水雷雷体安装磁罗盘的位置安装可测量三轴加速度的工装，并按照磁罗盘安装基准进行安装；定义水雷雷体的坐标系为OXYZ坐标系，工装体坐标系为O1X1Y1Z1，惯导体坐标系为O2X2Y2Z2；
将水雷雷体的Y轴向上且X轴和Z轴位于水平面内；假设O0X0Y0Z0为方位未知的当地水平坐标系，O1X1Y1Z1系由O0X0Y0Z0系经过三次旋转得来，三次旋转的角度分别为航向角ψ1、俯仰角θ1、横滚角
Figure FDA0002859573430000011
由O0X0Y0Z0系至O1X1Y1Z1系转换的方向余弦矩阵为：
Figure FDA0002859573430000012
雷体的Y轴向上并保持静止时，有：
Figure FDA0002859573430000013
其中:
Figure FDA0002859573430000014
表示工装测得的目标加速度在O1X1Y1Z1坐标系各轴的重力加速度分量；A0为当地水平坐标系各轴的重力加速度分量，A0＝[0,g,0]，将[A0],[A1],
Figure FDA0002859573430000015
代入(2)式得：
Figure FDA0002859573430000016
最后得到工装表征的俯仰、横滚两个姿态角：
Figure FDA0002859573430000017
Figure FDA0002859573430000018
同理，得到惯导表征的俯仰、横滚两个姿态角θ2、
Figure FDA0002859573430000019
Figure FDA00028595734300000110
和
Figure FDA00028595734300000111
分别为惯导测量的三轴重力加速度分量；
那么两者的俯仰角误差、横滚角误差分别为：
Δθ＝θ2-θ1 (6)
Figure FDA00028595734300000112
将雷体绕其X轴左倾90度，使得雷体Z轴向上，得到新的工装体坐标系O′1X′1Y′1Z′1和惯导体坐标系为O′2X′2Y′2Z′2；
同理，根据新的坐标系可得到工装和惯导表征的雷体航向角：
Figure FDA0002859573430000021
Figure FDA0002859573430000022
其中，
Figure FDA0002859573430000023
表示工装测得的重力加速度在X′1轴的分量；
Figure FDA0002859573430000024
表示惯导测得的重力加速度在X′2轴的分量；
此时新坐标系下的航向角误差ψ′2-ψ′1即可以等效为原坐标系下的航向角误差，即
Δψ＝ψ′2-ψ′1 (10)
将工装替换为原来的磁罗盘，则磁罗盘体坐标系为O1X1Y1Z1、惯导体坐标系为O2X2Y2Z2，由O1X1Y1Z1至O2X2Y2Z2的三次旋转，则O1X1Y1Z1系变换至O2X2Y2Z2系的方向余弦矩阵
Figure FDA0002859573430000025
如下式：
Figure FDA0002859573430000026
惯导接收到目标探测系统磁罗盘t0时刻测量得到的方位角、俯仰角、横滚角以及目标位置和速度信息，由t0时刻方位角、俯仰角、横滚角得到目标探测系统参考坐标系向磁罗盘体坐标系O1X1Y1Z1变换的方向余弦矩阵，记为
Figure FDA0002859573430000027
t0时刻目标在标探测系统参考坐标系中的坐标位置，记为[xn0 yn0 zn0]t；
t0时刻的惯导的捷联矩阵记为
Figure FDA0002859573430000028
得到t0时刻目标在惯导导航坐标系中的补偿后坐标位置：
Figure FDA0002859573430000029
2.如权利要求1所述的一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，其特征在于，在安装工装时，在平台头盖的磁罗盘安装基座上加工一个与磁罗盘相同的安装接口。
3.如权利要求1所述的一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，其特征在于，在安装工装时，用安装磁罗盘的接口安装工装。
4.如权利要求1所述的一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，其特征在于，将标定出的误差角装订至弹道控制计算机用作补偿计算。
5.如权利要求4所述的一种水雷惯导与磁罗盘误差角补偿方法，其特征在于，将标定出的误差角装订至弹道控制计算机的非易失存储芯片中。
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