專利名稱：：基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量船舶橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)的方法。
背景技術(shù)：
：船舶中應(yīng)用的慣性測(cè)量系統(tǒng)由陀螺儀、加速度計(jì)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成，它能夠提供船舶的姿態(tài)、速度以及位移信息。船舶的位移量按頻率域分解可以分為由船舶機(jī)動(dòng)引入的低頻分量(船舶的機(jī)動(dòng)較為平緩)，以及由浪涌引起的具有三個(gè)自由度的高頻分量。在傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航測(cè)量技術(shù)中，慣性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于位移信息測(cè)量中高頻分量的測(cè)量較為準(zhǔn)確，而對(duì)于低頻分量測(cè)量誤差較大(由于系統(tǒng)的低頻分量中存在84.4分鐘的舒拉周期誤差)。位移信息測(cè)量中高頻分量由浪涌引起，包括描述船舶運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度高頻位移信息，分別是橫蕩(橫移)、縱蕩(縱移)、垂蕩(升沉)。其中橫蕩(橫移)為沿著船舶的右舷方向的軸向平動(dòng)信息量，縱蕩(縱移)為沿著船舶的艏向方向的軸向平動(dòng)信息量。隨著慣性測(cè)量系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其對(duì)于船舶三個(gè)姿態(tài)信息(橫搖、縱搖、艏搖)的測(cè)量已經(jīng)達(dá)到了較高的精度，但對(duì)于三個(gè)自由度上的高頻位移信息一直不能提供。這是由于慣性測(cè)量系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)速度測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量船舶總的位移信息量(總的位移信息量包含84.4分鐘的舒拉周期誤差)，不能準(zhǔn)確分離出橫蕩、縱蕩和垂蕩高頻位移信息量。隨著慣性測(cè)量系統(tǒng)的廣泛使用與快速發(fā)展，慣性測(cè)量系統(tǒng)不能夠測(cè)量三個(gè)自由度上的高頻位移信息，尤其是無(wú)法測(cè)量橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息的問題越發(fā)凸顯。例如因其實(shí)用性強(qiáng)而成為研究熱點(diǎn)的系泊環(huán)境中自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，其對(duì)于橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息需要即時(shí)測(cè)量；船舶進(jìn)入港口靠岸時(shí)橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息對(duì)于船舶駕駛者有著重要的參考作用。海上船舶補(bǔ)給物資時(shí)被補(bǔ)給船舶與補(bǔ)給船舶需要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步，測(cè)量出橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息對(duì)保證補(bǔ)給系統(tǒng)在兩艘船舶之間正常且有效地工作意義重大。因此，橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息作為船舶重要的狀態(tài)信息，它們的測(cè)量技術(shù)對(duì)于實(shí)際工程具有重要的實(shí)用價(jià)值，橫蕩、縱蕩平動(dòng)信息測(cè)量技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)推動(dòng)慣性測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供復(fù)雜海況條件下測(cè)量艦船橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)的基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法，其特征是(1)對(duì)船用光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱，并實(shí)時(shí)采集光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)；(2)利用光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，包括縱搖角α、橫搖角β、艏搖角Y，再由姿態(tài)信息構(gòu)成載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣其中C11=cosβcosγ-sinβsinαsinγC12=-cosαsinγC13=sinβcosγ+cosβsinαsinγC21=cosβsinγ+sinβsinαcosγC22=cosαcosγ；C23=sinβsinγ-cosβsinαcosγC31=-sinβcosαC32=sinαCoo=cosβcosα(3)由船舶航行操控時(shí)設(shè)定的船舶航跡向與地理北向的夾角，即船舶的主航向角φ，得到地理坐標(biāo)系t與半固定坐標(biāo)系d的關(guān)系矩陣cosφsinρ0-sin^cosφO001進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系b與半固定坐標(biāo)系d之間的轉(zhuǎn)換矩陣C/；(4)利用陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到地理坐標(biāo)系t上第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)船舶實(shí)時(shí)速度信息，包括地理坐標(biāo)系X軸上的速度<[n)，地理坐標(biāo)系y軸上速度·<[n)，地理坐標(biāo)系ζ軸上速度(5)利用矩陣C/，將地理坐標(biāo)系t上船舶實(shí)時(shí)速度信息通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系X軸上第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息和半固定坐標(biāo)系y軸上第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息<()(6)將半固定坐標(biāo)系d下χ軸上的速度信息<(Π)和y軸上的速度信息進(jìn)行一次積分，得到半固定坐標(biāo)系d下第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)總的位移量，即半固定坐標(biāo)系d下y軸上總的位移量<()，以及半固定坐標(biāo)系d下χ軸上總的位移量<…)其中k=1，2，...11，<(巧表示半固定坐標(biāo)系d下χ軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度f(wàn)i息，ν;⑷表示半固定坐標(biāo)系d下y軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，<的與<⑷可以在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)由步驟1到步驟5的過程測(cè)量得到并加以保存，h為光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的采樣周期；(7)對(duì)步驟(6)中得到的半固定坐標(biāo)系d下總的位移量<()與<()進(jìn)行濾波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即時(shí)高頻位移量，即船舶的縱蕩信息盡(《)和橫蕩信息乞㈨，選用高通數(shù)字FIR濾波器，選取凱塞窗為其中函數(shù)定義為并且有其中fs為采樣頻率，f為通帶邊緣頻率。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于在不需要外界參考信息的情況下，無(wú)需增加新的傳感器，利用已有的艦船安裝的光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)上的陀螺和加速度計(jì)輸出，結(jié)合數(shù)字濾波技術(shù)，實(shí)時(shí)地提供艦船橫蕩、縱蕩信息，不僅增加了原有慣性測(cè)量系統(tǒng)功能，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)測(cè)量精度。圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為實(shí)施方式1未濾波時(shí)的水平軸向位移測(cè)量相關(guān)值；圖3為實(shí)施方式1采用經(jīng)過本發(fā)明方法測(cè)得的橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)信息。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)地描述結(jié)合圖1，本發(fā)明基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法分以下步驟(1)對(duì)船用光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱，并實(shí)時(shí)采集光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)；(2)利用光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，包括縱搖角α、橫搖角β、艏搖角Y，再由姿態(tài)信息構(gòu)成載體坐標(biāo)系b與地理坐標(biāo)系t的關(guān)系矩陣其中(3)由船舶航行操控時(shí)設(shè)定的船舶航跡向與地理北向的夾角，即船舶的主航向角φ，得到地理坐標(biāo)系t與半固定坐標(biāo)系d的關(guān)系矩陣進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系b與半固定坐標(biāo)系d之間的轉(zhuǎn)換矩陣C/=00；(4)利用陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到地理坐標(biāo)系t上第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)船舶實(shí)時(shí)速度信息，包括地理坐標(biāo)系χ軸上的速度<(η)，地理坐標(biāo)系y軸上速度<(…，地理坐標(biāo)系ζ軸上速度(5)利用矩陣C/，將地理坐標(biāo)系t上船舶實(shí)時(shí)速度信息通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系X軸上第Π個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息和半固定坐標(biāo)系y軸上第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息(6)將半固定坐標(biāo)系d下χ軸上的速度信息<…)和y軸上的速度信息<(^)進(jìn)行一次積分，得到半固定坐標(biāo)系d下第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)總的位移量，即半固定坐標(biāo)系d下y軸上總的位移量<(…，以及半固定坐標(biāo)系d下χ軸上總的位移量其中k=1，2，...n，<(O表示半固定坐標(biāo)系d下χ軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，表示半固定坐標(biāo)系d下y軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，<&)與<㈨可以在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)由步驟1到步驟5的過程測(cè)量得到并加以保存，h為光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的采樣周期；(7)對(duì)步驟(6)中得到的半固定坐標(biāo)系d下總的位移量<()與<()進(jìn)行濾波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即時(shí)高頻位移量，即船舶的縱蕩信息冬(《)和橫蕩信息夂(《),sy(n)=sdy(n)-a(n)9sx(n)=sdx(η)·ω(η)選用高通數(shù)字FIR濾波器，選取凱塞窗為rη4南-們其中函數(shù)定義為/oW=I+Di^]2'J='J!并且有"=5.2,，其中fs為采樣頻率，f為通帶邊緣頻率，通帶邊緣頻率f由不同海況和船舶特性決定，一般有貨船(萬(wàn)噸級(jí))1/8l/13Hz，客船(千噸萬(wàn)噸級(jí))1/9l/15Hz。實(shí)施方式1利用六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)(可模擬橫蕩、縱蕩、升沉、橫搖、縱搖、艏搖運(yùn)動(dòng))模擬船舶周期性橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)。選取高精度光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)，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.OOOlgo將其安裝與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，模擬船舶運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行橫蕩幅值為1米、振蕩周期7秒，縱蕩幅值為2米、振蕩周期7秒的橫蕩、縱蕩測(cè)量。如圖2、圖3所示，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%，測(cè)量結(jié)果誤差表示為I實(shí)測(cè)值-真實(shí)值I/真實(shí)值既是實(shí)測(cè)值與真實(shí)值的差值除以真實(shí)值。測(cè)量值在3分鐘后趨于穩(wěn)定(也就是說本方法需要在測(cè)量前預(yù)留3分鐘調(diào)整時(shí)間)，測(cè)量的延遲時(shí)間較短，可以忽略不計(jì)。權(quán)利要求基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法，其特征是(1)對(duì)船用光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)充分預(yù)熱，并實(shí)時(shí)采集光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)；(2)利用光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，包括縱搖角α、橫搖角β、艏搖角γ，再由姿態(tài)信息構(gòu)成載體坐標(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><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>其中C11＝cosβcosγ-sinβsinαsinγC12＝-cosαsinγC13＝sinβcosγ+cosβsinαsinγC21＝cosβsinγ+sinβsinαcosγC22＝cosαcosγ；C23＝sinβsinγ-cosβsinαcosγC31＝-sinβcosαC32＝sinαC33＝cosβcosα(3)由船舶航行操控時(shí)設(shè)定的船舶航跡向與地理北向的夾角，即船舶的主航向角得到地理坐標(biāo)系t與半固定坐標(biāo)系d的關(guān)系矩陣進(jìn)而得到載體坐標(biāo)系b與半固定坐標(biāo)系d之間的轉(zhuǎn)換矩陣(4)利用陀螺和加速度計(jì)的輸出，得到地理坐標(biāo)系t上第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)船舶實(shí)時(shí)速度信息，包括地理坐標(biāo)系x軸上的速度地理坐標(biāo)系y軸上速度地理坐標(biāo)系z(mì)軸上速度(5)利用矩陣將地理坐標(biāo)系t上船舶實(shí)時(shí)速度信息通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到半固定坐標(biāo)系x軸上第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息和半固定坐標(biāo)系y軸上第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息(6)將半固定坐標(biāo)系d下x軸上的速度信息和y軸上的速度信息進(jìn)行一次積分，得到半固定坐標(biāo)系d下第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)總的位移量，即半固定坐標(biāo)系d下y軸上總的位移量以及半固定坐標(biāo)系d下x軸上總的位移量<mrow><msubsup><mi>s</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msubsup><mi>v</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow><mrow><msubsup><mi>s</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msubsup><mi>v</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>其中k＝1，2，...n，表示半固定坐標(biāo)系d下x軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，表示半固定坐標(biāo)系d下y軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，與可以在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)由步驟1到步驟5的過程測(cè)量得到并加以保存，h為光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的采樣周期；(7)對(duì)步驟(6)中得到的半固定坐標(biāo)系d下總的位移量與進(jìn)行濾波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即時(shí)高頻位移量，即船舶的縱蕩信息和橫蕩信息<mrow><msub><mover><mi>s</mi><mo>^</mo></mover><mi>y</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>s</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow><mrow><msub><mover><mi>s</mi><mo>^</mo></mover><mi>x</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>s</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>選用高通數(shù)字FIR濾波器，選取凱塞窗為<mrow><mi>ω</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>[</mo><mn>6</mn><msqrt><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>]</mo></mrow><mn>70</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>其中函數(shù)定義為<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>20</mn></munderover><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><mi>j</mi></msup><mrow><mi>j</mi><mo>!</mo></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo></mrow>并且有<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>5.2</mn><mfrac><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub><mi>f</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>其中fs為采樣頻率，f為通帶邊緣頻率。FSA00000177100300012.tif,FSA00000177100300013.tif,FSA00000177100300014.tif,FSA00000177100300015.tif,FSA00000177100300016.tif,FSA00000177100300017.tif,FSA00000177100300018.tif,FSA00000177100300021.tif,FSA00000177100300022.tif,FSA00000177100300023.tif,FSA00000177100300024.tif,FSA00000177100300025.tif,FSA00000177100300026.tif,FSA00000177100300027.tif,FSA000001771003000210.tif,FSA000001771003000211.tif,FSA000001771003000212.tif,FSA000001771003000213.tif,FSA000001771003000214.tif,FSA000001771003000215.tif,FSA000001771003000216.tif,FSA000001771003000217.tif全文摘要本發(fā)明的目的在于提供基于光纖陀螺慣性測(cè)量系統(tǒng)的船舶橫縱蕩信息測(cè)量方法。實(shí)時(shí)采集光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)，得到船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，從而構(gòu)成載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的關(guān)系矩陣，由船舶的主航向角得到載體坐標(biāo)系與半固定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，利用輸出信號(hào)得到地理坐標(biāo)系上第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)船舶實(shí)時(shí)速度信息，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化得到半固定坐標(biāo)系x軸和y軸上第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的速度信息，將上述速度信息進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下第n個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)總的位移量以及半固定坐標(biāo)系下x軸上總的位移量，對(duì)上述位移量進(jìn)行濾波，得到船舶的縱蕩信息和橫蕩信息。本發(fā)明不僅增加了原有慣性測(cè)量系統(tǒng)功能，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)測(cè)量精度。文檔編號(hào)G01C21/10GK101881620SQ201010209309公開日2010年11月10日申請(qǐng)日期2010年6月25日優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日發(fā)明者于飛,奔粵陽(yáng),李倩,高偉,龔晶申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)