專(zhuān)利名稱(chēng)：：基于光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量艦船升沉運(yùn)動(dòng)的方法，具體地說(shuō)是在沒(méi)有外界信息幫助下，利用系統(tǒng)的姿態(tài)信息與加速度計(jì)輸出信息，自主測(cè)量艦船的升沉運(yùn)動(dòng)的即時(shí)位移地方法。
背景技術(shù)：
：應(yīng)用于艦船的慣性測(cè)量系統(tǒng)是由慣性測(cè)量組件和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成，它實(shí)時(shí)地測(cè)量艦船的位置信息以及艦船的姿態(tài)信息。由于其在測(cè)量過(guò)程中不需要任何外部信息，也不向外輻射能量，自主性強(qiáng)，隱蔽性好，測(cè)量精度高且具有實(shí)時(shí)性，所以它被廣泛地應(yīng)用各類(lèi)艦船的導(dǎo)航系統(tǒng)中，并發(fā)揮著重要作用，在國(guó)防建設(shè)中具有重要意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。慣性測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展較為成熟、精度較高、穩(wěn)定性優(yōu)良的自主導(dǎo)航技術(shù)，在軍用和民用領(lǐng)域都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。原有的慣性測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)得艦船的位置、速度、姿態(tài)信息，但并不能測(cè)出升沉運(yùn)動(dòng)的距離量。由于海況復(fù)雜，這種由海浪引起的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為艦船運(yùn)動(dòng)中重要的一部分，在船舶多種海上作業(yè)中均會(huì)產(chǎn)生影響。艦船升沉運(yùn)動(dòng)信息可用于艦載機(jī)的起落、武器發(fā)射、船舶靠港入岸等領(lǐng)域，還可以增強(qiáng)艦船的操縱性。在以往的方法中，為艦船操縱者提供艦船升沉運(yùn)動(dòng)信息多是通過(guò)海浪監(jiān)測(cè)、船舶運(yùn)動(dòng)建模等手段完成。這種方法中，由于模型復(fù)雜，運(yùn)算量大，其間不可避免的簡(jiǎn)化過(guò)程會(huì)帶來(lái)較大的誤差，并不能真實(shí)有效的反應(yīng)艦船六自由度(橫搖、縱搖、艏搖、升沉、縱蕩、橫蕩)運(yùn)動(dòng)信息。如果慣性測(cè)量系統(tǒng)在提供艦船三個(gè)姿態(tài)信息基礎(chǔ)上，還能夠提供三個(gè)軸向平動(dòng)(橫蕩、縱蕩及升沉)中對(duì)艦船影響最大的升沉運(yùn)動(dòng)信息，那么就可以規(guī)避建模復(fù)雜問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船任意時(shí)刻的四自由度(同樣方法可推廣得到六自由度)信息同步、真實(shí)的測(cè)量，為操縱者提供準(zhǔn)確及時(shí)地參考量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高艦船的可操縱性、完善導(dǎo)航信息內(nèi)容的基于光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的主要包括如下實(shí)施步驟步驟1、實(shí)時(shí)采集光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱后的光纖陀螺和各軸加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)；步驟2、利用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的已有方法，經(jīng)過(guò)初始對(duì)準(zhǔn)后，得到較為精確的艦船實(shí)時(shí)姿態(tài)信息(橫搖角a，縱搖角P，俯仰角Y)，進(jìn)一步得到載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣cos^cosy-sin"sin郎iny-cosasinysin^cosy+cos/7sincrsinyCj=cos-siny+sii^0sincrcosy咖oxosysinj3siny-咖-sinacosy—sin/7coscrsinacos/7cosor步驟3、根據(jù)艦船行使操控時(shí)設(shè)定的航向，得到艦船的主航向角P，得到半固定坐3標(biāo)系D與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣(^，進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系與半固定坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣O;步驟4、結(jié)合步驟3中的關(guān)系矩陣CbD，將由傳感器測(cè)的載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向的加速度通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向的平動(dòng)加速度a/;步驟5、將半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)加速度進(jìn)行一次積分，采樣時(shí)間間隔為h，得到該坐標(biāo)系下第N個(gè)采樣點(diǎn)的速度量根據(jù)海浪情況的不同設(shè)置截止頻率，截止頻率"。要大于海浪頻率的5倍，對(duì)速度量/進(jìn)行濾波處理，得到速度量v=vD*H(jwc)進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)刻的半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)即升沉的速度Vi;步驟7、將半固定坐標(biāo)系垂直軸方向平動(dòng)速度值進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向平動(dòng)位移值即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。本發(fā)明技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)在不增加新的傳感器，不需要外部信息的情況下，利用艦船中安裝的中高精度光纖慣性系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息和加速度信息，實(shí)時(shí)的真實(shí)的提供艦船升沉運(yùn)動(dòng)信息，增強(qiáng)原有慣性測(cè)量系統(tǒng)功能。對(duì)本發(fā)明的有益效果通過(guò)如下多種動(dòng)態(tài)條件下利用高精度光纖陀螺慣性系統(tǒng)針對(duì)垂直軸平動(dòng)信息即升沉運(yùn)動(dòng)的測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證。試驗(yàn)條件(1)光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)器件精度陀螺常值漂移為0.01度/小時(shí)，加速度計(jì)的隨機(jī)常值偏置為0.OOOlg。(2)平臺(tái)可以模擬規(guī)則海浪周期運(yùn)動(dòng)以及瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果單次試驗(yàn)時(shí)間視不同的運(yùn)動(dòng)模式而定。利用四自由度轉(zhuǎn)臺(tái)(可模擬升沉、橫搖、縱搖、艏搖運(yùn)動(dòng))系統(tǒng)模擬艦船升沉周期運(yùn)動(dòng)，以及瞬時(shí)平動(dòng)。選取高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)，將其安裝與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，模擬艦船運(yùn)動(dòng)。分別進(jìn)行振蕩幅值為0.2米、振蕩周期1.5秒的升沉測(cè)量，振蕩幅值為0.6米、振蕩周期15秒的升沉測(cè)量，以及瞬時(shí)0.2米平動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果證明對(duì)于周期運(yùn)動(dòng)的測(cè)量結(jié)果誤差低于2%(I實(shí)測(cè)值-真實(shí)值/真實(shí)值)，瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的誤差在5%以下。測(cè)量值的延遲時(shí)間較短，可以忽略不計(jì)。圖1基于光纖捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)流程圖。圖2平臺(tái)振蕩幅值為0.2米、振蕩周期1.5秒的升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)本方法的測(cè)量結(jié)果。,(W)=》"W=1,2,3,...,A0;步驟6、選用高通濾波器s,(W)=》，*/('.=l，2,3，.."A04圖3平臺(tái)振蕩幅值為0.6米、振蕩周期15秒的升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)本方法的測(cè)量結(jié)果。圖4平臺(tái)平動(dòng)距離為0.2米，瞬時(shí)下降時(shí)本方法的測(cè)量結(jié)果。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述本實(shí)施方式中，將艦船捷聯(lián)慣性系統(tǒng)安裝在艦船中心位置，選取精度較高的光纖陀螺作為其主要元器件。結(jié)合圖l，艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量的具體實(shí)施步驟如下步驟1、將光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱后，實(shí)時(shí)采集其光纖陀螺和各軸加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)。預(yù)熱時(shí)間根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)定。步驟2、利用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的已有方法，經(jīng)過(guò)初始對(duì)準(zhǔn)后，得到較為精確的艦船實(shí)時(shí)姿態(tài)信息(俯仰角a、橫滾角P、艏搖角Y，均為小角度)，進(jìn)一步得到，載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣步驟3、根據(jù)艦船行使操控時(shí)設(shè)定的航向，確定艦船的主航向角p(該角有別于航向角，是由艦船操縱者提供)。得到半固定坐標(biāo)系D與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣CtD。進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系與半固定坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣Cf=CfC:。步驟4、結(jié)合步驟3中的方向余弦矩陣CbD，將由傳感器測(cè)的載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向的加速度通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向的平動(dòng)加速度a/。步驟5、將半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)加速度進(jìn)行一次積分，采樣時(shí)間間隔為h，得到該坐標(biāo)系下第N個(gè)采樣點(diǎn)的速度量根據(jù)海浪情況的不同設(shè)置截止頻率，截止頻率"。要大于海浪頻率的5倍，對(duì)速度量/進(jìn)行濾波處理，得到速度量v=vD*H(jwc)進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)刻的半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)(升沉)的速度Vi。步驟7、將半固定坐標(biāo)系垂直軸方向平動(dòng)速度值進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向平動(dòng)位移值即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。本發(fā)明還可以包括如下特征1)所得到的艦船升沉信息(垂直軸向平動(dòng)信息)與光纖捷聯(lián)慣性系統(tǒng)傳感器精度相關(guān)性較大，也就是說(shuō)需要的系統(tǒng)精度尤其是其傳感器達(dá)到中等精度以上水平。(豐2X，-1,2,3，…,步驟6、選用高通濾波器A(A0=^>,*W=U,3,.."W)2)如果要得到精確的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量值，需要在引入高通濾波器之后穩(wěn)定5分鐘左右。3)如果艦船以周期振蕩形式進(jìn)行升沉往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該測(cè)量系統(tǒng)會(huì)得準(zhǔn)確的呈周期性的量測(cè)值。如果艦船沿半固定坐標(biāo)系的垂直軸方向進(jìn)行短距離平移運(yùn)動(dòng)，該測(cè)量系統(tǒng)會(huì)輸出以起始o(jì)點(diǎn)為基準(zhǔn)的瞬時(shí)升沉值，然后逐漸歸零(如圖4)。歸零時(shí)間與選取的濾波器的截止頻率"。有關(guān)。權(quán)利要求一種基于光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法，其特征是包括如下實(shí)施步驟步驟1、實(shí)時(shí)采集光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱后的光纖陀螺和各軸加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)；步驟2、利用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的已有方法，經(jīng)過(guò)初始對(duì)準(zhǔn)后，得到較為精確的艦船實(shí)時(shí)姿態(tài)信息即橫搖角α、縱搖角β、俯仰角γ，進(jìn)一步得到載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi>α</mi></mtd><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>;</mo></mrow>步驟3、根據(jù)艦船行使操控時(shí)設(shè)定的航向，得到艦船的主航向角得到半固定坐標(biāo)系D與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣CtD，進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系與半固定坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣步驟4、結(jié)合步驟3中的關(guān)系矩陣，將由傳感器測(cè)的載體坐標(biāo)系下三個(gè)軸向的加速度通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向的平動(dòng)加速度aiD；步驟5、將半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)加速度進(jìn)行一次積分，采樣時(shí)間間隔為h，得到該坐標(biāo)系下第N個(gè)采樣點(diǎn)的速度量<mrow><msup><mi>v</mi><mi>D</mi></msup><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msubsup><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>D</mi></msubsup><mo>*</mo><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>步驟6、選用高通濾波器<mrow><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mrow>根據(jù)海浪情況的不同設(shè)置截止頻率ωc，對(duì)速度量vD進(jìn)行濾波處理，得到速度量v＝vD*H(jωc)進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)刻的半固定坐標(biāo)系下的垂直軸方向平動(dòng)即升沉的速度vi；步驟7、將半固定坐標(biāo)系垂直軸方向平動(dòng)速度值進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向平動(dòng)位移值<mrow><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>v</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法，其特征是所述根據(jù)海浪情況的不同設(shè)置截止頻率是截止頻率O。大于海浪頻率的5倍。全文摘要本發(fā)明提供的是一種基于光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)的艦船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法。實(shí)時(shí)采集光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)；得到載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣；得到載體坐標(biāo)系與半固定坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣；得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向的平動(dòng)加速度；得到該坐標(biāo)系下第N個(gè)采樣點(diǎn)的速度量；對(duì)速度量進(jìn)行濾波處理；得到半固定坐標(biāo)系下垂直軸方向平動(dòng)位移值。本發(fā)明利用現(xiàn)有的慣性測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)一定的量測(cè)方法，提供艦船升沉運(yùn)動(dòng)信息，從而提高艦船的可操縱性、完善導(dǎo)航信息內(nèi)容。文檔編號(hào)G01C21/18GK101694390SQ20091007307公開(kāi)日2010年4月14日申請(qǐng)日期2009年10月20日優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日發(fā)明者周廣濤,奔粵陽(yáng),張義,張?chǎng)?徐博,曹冰,李仔冰,柴永利,郝燕玲,龔晶申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué);