基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法

2023-06-08 16:24:01 2

專利名稱：：基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種信息測量方法，具體地說是一種複雜海況條件下，基於光纖陀螺捷聯慣性測量系統測量艦船橫蕩、縱蕩運動的方法。
背景技術：
：艦船中應用的慣性測量系統由陀螺儀、加速度計和導航計算機組成，它能夠提供艦船的姿態、速度以及位移信息。艦船的位移量按頻率域分解可以分為由艦船機動引入的低頻分量(艦船的機動較為平緩)，以及由浪湧引起的具有三個自由度的高頻分量。在傳統慣性導航測量技術中，慣性測量系統對於位移信息測量中高頻分量的測量較為準確，而對於低頻分量測量誤差較大(由於系統的低頻分量中存在84.4分鐘的舒拉周期誤差)。位移信息測量中高頻分量由浪湧引起，包括描述艦船運動的三個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)為沿著艦船的右舷方向的軸向平動信息量，縱蕩(縱移)為沿著艦船的艏向方向的軸向平動信息量。隨著慣性測量系統的迅速發展，其對於艦船三個姿態信息(橫搖、縱搖、艏搖)的測量已經達到了較高的精度，但對於三個自由度上的高頻位移信息一直不能提供。這是由於慣性測量系統使用的傳統速度測量技術只能測量艦船總的位移信息量(總的位移信息量包含84.4分鐘的舒拉周期誤差)，不能準確分離出橫蕩、縱蕩和垂蕩高頻位移信息量。隨著慣性測量系統的廣泛使用與快速發展，慣性測量系統不能夠測量三個自由度上的高頻位移信息，尤其是無法測量橫蕩、縱蕩平動信息的問題越發凸顯。例如因其實用性強而成為研究熱點的系泊環境中自對準技術，其對於橫蕩、縱蕩平動信息需要即時測量；艦船上武器系統的發射時初始狀態的裝訂需要橫蕩、縱蕩平動信息；艦船進入港口靠岸時橫蕩、縱蕩平動信息對於艦船駕駛者有著重要的參考作用。海上艦船補給物資時被補給艦船與補給艦船需要運動狀態同步，測量出橫蕩、縱蕩平動信息對保證補給系統在兩艘艦船之間正常且有效地工作意義重大。因此，橫蕩、縱蕩平動信息作為艦船重要的狀態信息，它們的測量技術對於實際工程具有重要的實用價值，橫蕩、縱蕩平動信息測量技術的發展必然會推動慣性測量系統技術的進步。
發明內容本發明的目的在於提供一種無須外界信息引入，利用捷聯慣性系統的光纖陀螺和加速度計輸出測量艦船沿艏向和右舷方向的即時高頻位移量，即艦船的縱蕩和橫蕩信息的基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法。本發明的目的是這樣實現的將船用光纖捷聯慣性測量系統安裝在艦船中心位置，測量艦船橫蕩、縱蕩運動的具體實施步驟如下步驟1、對船用光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱，並實時採集三個軸上光纖陀螺和加速度計的輸出信號；4步驟2、利用陀螺和加速度計的輸出，測量艦船實時姿態信息，所述實時姿態信息包括縱搖角a、橫搖角P、艏搖角Y，再由姿態信息構成載體坐標系b與地理坐標系t的關係矩陣c12C13^22c31*^32<^33—射Cu=cosPcosY—sinPsinasinYCl2——cosasinYCl3—sinPcosY+cosPsinasinYC^l—cosPsinY+sinPsinacosYC22—cosacosY;C23—sinPsiny—cosPsinacosYc3i——sinPcosaC32—sinaC33—cos0cosa步驟3、由艦船航行操控時設定的艦舟角p，得到地理坐標系t與半固定坐標系d的關係矩陣cos(3smp00進而得到載體坐標系b與半固定坐標系d之間的轉換矩陣=;步驟4、船用光纖捷聯慣性測量系統利用陀螺和加速度計的輸出，測量得到地理坐標系t上，第n個採樣點時，艦船實時速度信息，所述實時速度信息包括地理坐標系x軸上的速度<(n)、地理坐標系y軸上速度vyt(n)、地理坐標系z軸上速度<(n));步驟5、利用步驟3中的方向餘弦矩陣Ctd，將地理坐標系t上艦船實時速度信息通過坐標轉化，得到半固定坐標系x軸上，第n個採樣點時的速度信息vxd(n)，和半固定坐標系y軸上，第n個採樣點時的速度信息Vyd(n)，步驟6、將半固定坐標系d下x軸上的速度信息vxd(n)和y軸上的速度信息vyd(n)進行一次積分，得到半固定坐標系d下，第n個採樣點時總的位移量，即半固定坐標系d下y軸上總的位移量syd(n)，以及半固定坐標系d下x軸上總的位移量sxd(n)，《(")"S州formulaseeoriginaldocumentpage6其中k二l，2，…n，vxd(k)表示半固定坐標系d下x軸上，第k個採樣點時的速度信息；v/(k)表示半固定坐標系d下y軸上，第k個採樣點時的速度信息；vxd(k)與v/(k)在第k個採樣點時由步驟1到步驟5的過程測量得到並加以保存；h為光纖陀螺慣性測量系統的採樣周期；步驟7、對步驟6中得到的半固定坐標系d下總的位移量Syd(n)與sxd(n)進行濾波，得到艦船沿艏向和右舷方向的即時高頻位移量，即艦船的縱蕩信息&(")和橫蕩信息，s;(")=))°本發明還具有以下特徵1、步驟7中所述的濾波選用高通數字FIR濾波器，選取凱塞窗為formulaseeoriginaldocumentpage6其中函數定義為/。M=1+|;[，]2並且有W=5.2,其中fs為採樣頻率，f為通帶邊緣頻率。2、在引入高通濾波器之後穩定3分鐘。本發明針對傳統的光纖陀螺捷聯慣性測量系統只能提供三個轉動自由度信息(縱搖、橫搖與航向)，而橫蕩、縱蕩這兩個平動信息無法測量的問題，利用現有的慣性測量系統，利用數字濾波技術對總的位移信息進行處理，提供艦船的橫蕩、縱蕩平動信息。本發明技術具有以下優點在不需要外界參考信息的情況下，無需增加新的傳感器，利用已有的艦船安裝的光纖陀螺慣性測量系統上的陀螺和加速度計輸出，結合數字濾波技術，實時地提供艦船橫蕩、縱蕩信息，不僅增加了原有慣性測量系統功能，同時可以提高系統的導航參數測量精度。對本發明的有益效果說明還包括多種動態條件下利用高精度光纖陀螺慣性測量系統針對橫蕩、縱蕩運動信息測量的試驗結果。試驗條件(1)光纖陀螺捷聯慣性系統器件精度陀螺常值漂移為0.01度/小時，加速度計的隨機常值偏置為0.0001g。(2)六自由度平臺可以模擬艦船在規則海浪周期作用下的橫蕩、縱蕩。試驗結果單次試驗時間視不同的運動模式而定。利用六自由度轉臺(可模擬橫蕩、縱蕩、升沉、橫搖、縱搖、艏搖運動)模擬艦船周期性橫蕩、縱蕩運動。選取高精度光纖陀螺慣性測量系統，將其安裝與轉臺檯面上，模擬艦船運動。進行橫蕩幅值為l米、振蕩周期7秒，縱蕩幅值為2米、振蕩周期7秒的橫蕩、縱蕩測量。實驗所得結果證明對於周期運動的測量結果誤差低於2%，測量結果誤差表示為|實測值-真實值|/真實值既是實測值與真實值的差值除以真實值。測量值在3分鐘後趨於穩定(也就是說本方法需要在測量前預留3分鐘調整時間)，測量的延遲時間較短，可以忽略不計。圖1基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫蕩、縱蕩運動測量技術流程圖。圖2進行橫蕩幅值為1米、振蕩周期7秒，縱蕩幅值為2米、振蕩周期7秒的橫蕩、縱蕩運動時，得到的未濾波時的水平軸向位移測量相關值(呈顯著發散狀)。圖3進行橫蕩幅值為1米、振蕩周期7秒，縱蕩幅值為2米、振蕩周期7秒的橫蕩、縱蕩運動時，經過本方法測得的橫蕩、縱蕩運動信息。具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述將船用光纖捷聯慣性測量系統安裝在艦船中心位置。測量艦船橫蕩、縱蕩運動的具體實施步驟如下步驟1、對船用光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱，預熱時間根據具體系統設定，並實時採集三個軸上光纖陀螺和加速度計的輸出信號。步驟2、利用陀螺和加速度計的輸出，並利用已有的捷聯慣性姿態測量技術，得到艦船實時姿態信息(包括縱搖角a、橫搖角P、艏搖角Y)，再由姿態信息構成載體坐標系b與地理坐標系t的關係矩陣formulaseeoriginaldocumentpage7其中Cu=cosPcosY-sinPsinasinYC12=-cosasinYC13=sinPcosY+cosPsinasinYC21=cosPsinY+sinPsinacosYC22=cosacosYC23=sinPsinY-cosPsinacosYC31=_sinPcosaC32=sinaC33=cosPcosa步驟3、由艦船航行操控時設定的艦船航跡向與地理北向的夾角，即艦船的主航向角P(該角有別於艏搖角，由艦船操縱者提供)。得到地理坐標系t與半固定坐標系d的關係矩陣cospsinp0C,=一sinpcosp0001_進而得到載體坐標系b與半固定坐標系d之間的轉換矩陣《=C,rfC:步驟4、系統利用陀螺和加速度計的輸出，並利用已有的捷聯慣性速度測量技術，得到地理坐標系t上，第n個採樣點時，艦船實時速度信息(包括地理坐標系x軸上的速度<(n)，地理坐標系y軸上速度vyt(n)，地理坐標系z軸上速度<(n))。步驟5、利用步驟3中的方向餘弦矩陣Ctd，將地理坐標系t上艦船實時速度信息通過坐標轉化，得到半固定坐標系x軸上，第n個採樣點時的速度信息vxd(n)，和半固定坐標系y軸上，第n個採樣點時的速度信息Vyd(n)。《(").步驟6、將半固定坐標系d下x軸上的速度信息vxd(n)和y軸上的速度信息vyd(n)進行一次積分，得到半固定坐標系d下，第n個採樣點時總的位移量，即半固定坐標系d下y軸上總的位移量syd(n)，以及半固定坐標系d下x軸上總的位移量sxd(n)。其中k二1，2，…n，v/(k)表示半固定坐標系d下x軸上，第k個採樣點時的速度信息；v/(k)表示半固定坐標系d下y軸上，第k個採樣點時的速度信息。vxd(k)與v/(k)可以在第k個採樣點時由步驟1到步驟5的過程測量得到並加以保存。h為光纖陀螺慣性測量系統的採樣周期。步驟7、對步驟6中得到的半固定坐標系d下總的位移量s/(n)與sxd(n)進行濾波，得到艦船沿艏向和右舷方向的即時高頻位移量，即艦船的縱蕩信息s;(")和橫蕩信息。^=&=本發明還具有以下特徵1、步驟7中選用高通數字FIR濾波器(參數可調)，選取凱塞窗為、W—170其中函數定義為8並且有W=5.2,其中fs為採樣頻率，f為通帶邊緣頻率。在選用高通濾波器的時應注意，通帶邊緣頻率f應由不同海況和艦船特性決定，根據經驗有貨船(萬噸級)1/8l/13Hz客船(千噸萬噸級)1/9l/15Hz驅逐艦1/81/lOHz護衛艦與巡邏艇1/6l/8Hz2、如果要得到精確的艦船橫蕩、縱蕩運動測量值，需要在引入高通濾波器之後穩定3分鐘左右。9權利要求一種基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法，其特徵是將船用光纖捷聯慣性測量系統安裝在艦船中心位置，測量艦船橫蕩、縱蕩運動的具體實施步驟如下步驟1、對船用光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱，並實時採集三個軸上光纖陀螺和加速度計的輸出信號；步驟2、利用陀螺和加速度計的輸出，測量艦船實時姿態信息，所述實時姿態信息包括縱搖角α、橫搖角β、艏搖角γ，再由姿態信息構成載體坐標系b與地理坐標系t的關係矩陣Cbt=C11C12C13C21C22C23C31C32C33其中C11＝cosβcosγ-sinβsinαsinγC12＝-cosαsinγC13＝sinβcosγ+cosβsinαsinγC21＝cosβsinγ+sinβsinαcosγC22＝cosαcosγ；C23＝sinβsinγ-cosβsinαcosγC31＝-sinβcosαC32＝sinαC33＝cosβcosα步驟3、由艦船航行操控時設定的艦船航跡向與地理北向的夾角，即艦船的主航向角，得到地理坐標系t與半固定坐標系d的關係矩陣進而得到載體坐標系b與半固定坐標系d之間的轉換矩陣Cbd=CtdCbt;步驟4、船用光纖捷聯慣性測量系統利用陀螺和加速度計的輸出，測量得到地理坐標系t上，第n個採樣點時，艦船實時速度信息，所述實時速度信息包括地理坐標系x軸上的速度vxt(n)、地理坐標系y軸上速度vyt(n)、地理坐標系z軸上速度vzt(n))；步驟5、利用步驟3中的方向餘弦矩陣Ctd，將地理坐標系t上艦船實時速度信息通過坐標轉化，得到半固定坐標系x軸上，第n個採樣點時的速度信息vxd(n)，和半固定坐標系y軸上，第n個採樣點時的速度信息vyd(n)，步驟6、將半固定坐標系d下x軸上的速度信息vxd(n)和y軸上的速度信息vyd(n)進行一次積分，得到半固定坐標系d下，第n個採樣點時總的位移量，即半固定坐標系d下y軸上總的位移量syd(n)，以及半固定坐標系d下x軸上總的位移量sxd(n)，syd(n)=hk=1nvyd(k)sxd(n)=hk=1nvxd(k)其中k＝1，2，...n，vxd(k)表示半固定坐標系d下x軸上，第k個採樣點時的速度信息；vyd(k)表示半固定坐標系d下y軸上，第k個採樣點時的速度信息；vxd(k)與vyd(k)在第k個採樣點時由步驟1到步驟5的過程測量得到並加以保存；h為光纖陀螺慣性測量系統的採樣周期；步驟7、對步驟6中得到的半固定坐標系d下總的位移量syd(n)與sxd(n)進行濾波，得到艦船沿艏向和右舷方向的即時高頻位移量，即艦船的縱蕩信息和橫蕩信息s^y(n)=syd(n)(n)s^x(n)=sxd(n)(n).F2010100324144C00012.tif,F2010100324144C00013.tif,F2010100324144C00021.tif,F2010100324144C00024.tif,F2010100324144C00025.tif2.根據權利要求1所述的基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法，其特徵是步驟7中所述的濾波選用高通數字FIR濾波器，選取凱塞窗為formulaseeoriginaldocumentpage3其中函數定義為並且有formulaseeoriginaldocumentpage3其中fs為採樣頻率，f為通帶邊緣頻率。3.根據權利要求2所述的基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法，其特徵是在引入高通濾波器之後穩定3分鐘。全文摘要本發明提供的是一種基於光纖陀螺慣性測量系統的艦船橫縱蕩信息測量方法。將船用光纖捷聯慣性測量系統安裝在艦船中心位置，測量艦船橫蕩、縱蕩運動。利用現有的慣性測量系統，利用數字濾波技術對總的位移信息進行處理，提供艦船的橫蕩、縱蕩平動信息。本發明技術具有以下優點在不需要外界參考信息的情況下，無需增加新的傳感器，利用已有的艦船安裝的光纖陀螺慣性測量系統上的陀螺和加速度計輸出，結合數字濾波技術，實時地提供艦船橫蕩、縱蕩信息，不僅增加了原有慣性測量系統功能，同時可以提高系統的導航參數測量精度。文檔編號G01C21/16GK101793521SQ20101003241公開日2010年8月4日申請日期2010年1月6日優先權日2010年1月6日發明者於飛,奔粵陽,孫楓,李倩,高偉申請人:哈爾濱工程大學