CN101694390A - 基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法。实时采集光纤陀螺捷联惯性系统的输出数据；得到载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵；得到载体坐标系与半固定坐标系之间的关系矩阵；得到半固定坐标系下垂直轴方向的平动加速度；得到该坐标系下第N个采样点的速度量；对速度量进行滤波处理；得到半固定坐标系下垂直轴方向平动位移值。本发明利用现有的惯性测量系统，通过一定的量测方法，提供舰船升沉运动信息，从而提高舰船的可操纵性、完善导航信息内容。

Description

基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量舰船升沉运动的方法，具体地说是在没有外界信息帮助下，利用系统的姿态信息与加速度计输出信息，自主测量舰船的升沉运动的即时位移地方法。

(二)背景技术

应用于舰船的惯性测量系统是由惯性测量组件和导航计算机组成，它实时地测量舰船的位置信息以及舰船的姿态信息。由于其在测量过程中不需要任何外部信息，也不向外辐射能量，自主性强，隐蔽性好，测量精度高且具有实时性，所以它被广泛地应用各类舰船的导航系统中，并发挥着重要作用，在国防建设中具有重要意义和巨大的经济效益。

惯性测量技术是一项发展较为成熟、精度较高、稳定性优良的自主导航技术，在军用和民用领域都发挥着越来越重要的作用。原有的惯性测量系统可以测得舰船的位置、速度、姿态信息，但并不能测出升沉运动的距离量。由于海况复杂，这种由海浪引起的运动已经成为舰船运动中重要的一部分，在船舶多种海上作业中均会产生影响。舰船升沉运动信息可用于舰载机的起落、武器发射、船舶靠港入岸等领域，还可以增强舰船的操纵性。在以往的方法中，为舰船操纵者提供舰船升沉运动信息多是通过海浪监测、船舶运动建模等手段完成。这种方法中，由于模型复杂，运算量大，其间不可避免的简化过程会带来较大的误差，并不能真实有效的反应舰船六自由度(横摇、纵摇、艏摇、升沉、纵荡、横荡)运动信息。如果惯性测量系统在提供舰船三个姿态信息基础上，还能够提供三个轴向平动(横荡、纵荡及升沉)中对舰船影响最大的升沉运动信息，那么就可以规避建模复杂问题，实现对舰船任意时刻的四自由度(同样方法可推广得到六自由度)信息同步、真实的测量，为操纵者提供准确及时地参考量。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高舰船的可操纵性、完善导航信息内容的基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法。

本发明的目的是这样实现的：主要包括如下实施步骤：

步骤1、实时采集光纤陀螺捷联惯性系统充分预热后的光纤陀螺和各轴加速度计的输出数据；

步骤2、利用导航计算机中的已有方法，经过初始对准后，得到较为精确的舰船实时姿态信息(横摇角α，纵摇角β，俯仰角γ)，进一步得到载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵

$C_b^t=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right];$

步骤3、根据舰船行使操控时设定的航向，得到舰船的主航向角

，得到半固定坐标系D与地理坐标系t的关系矩阵C_t ^D，进而得到载体坐标系与半固定坐标系之间的关系矩阵

步骤4、结合步骤3中的关系矩阵C_b ^D，将由传感器测的载体坐标系下三个轴向的加速度通过坐标转化，得到半固定坐标系下垂直轴方向的平动加速度a_i ^D；

步骤5、将半固定坐标系下的垂直轴方向平动加速度进行一次积分，采样时间间隔为h，得到该坐标系下第N个采样点的速度量：

$v^D\left(N\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^D*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N);$

步骤6、选用高通滤波器

$H\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)={\left(\frac{j{\mathrm{\ω}}_c}{1+j{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^3$

根据海浪情况的不同设置截止频率，截止频率ω_c要大于海浪频率的5倍，对速度量v^D进行滤波处理，得到速度量

v＝v^D*H(jω_c)

进而得到每个时刻的半固定坐标系下的垂直轴方向平动即升沉的速度v_i；

步骤7、将半固定坐标系垂直轴方向平动速度值进行积分，得到半固定坐标系下垂直轴方向平动位移值：

$s_i\left(N\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N)$

即舰船操作者需要的舰船的升沉位移值。

本发明技术具有以下优点：在不增加新的传感器，不需要外部信息的情况下，利用舰船中安装的中高精度光纤惯性系统输出的姿态信息和加速度信息，实时的真实的提供舰船升沉运动信息，增强原有惯性测量系统功能。

对本发明的有益效果通过如下多种动态条件下利用高精度光纤陀螺惯性系统针对垂直轴平动信息即升沉运动的测量试验结果加以验证。

试验条件：

(1)光纤陀螺捷联惯性系统器件精度陀螺常值漂移为0.01度/小时，加速度计的随机常值偏置为0.0001g。

(2)平台可以模拟规则海浪周期运动以及瞬时运动。

试验结果：单次试验时间视不同的运动模式而定。利用四自由度转台(可模拟升沉、横摇、纵摇、艏摇运动)系统模拟舰船升沉周期运动，以及瞬时平动。选取高精度光纤陀螺捷联惯性系统，将其安装与转台台面上，模拟舰船运动。分别进行振荡幅值为0.2米、振荡周期1.5秒的升沉测量，振荡幅值为0.6米、振荡周期15秒的升沉测量，以及瞬时0.2米平动的实验。实验所得结果证明对于周期运动的测量结果误差低于2％(|实测值-真实值|/真实值)，瞬时运动的误差在5％以下。测量值的延迟时间较短，可以忽略不计。

(四)附图说明

图1基于光纤捷联惯性测量系统的舰船升沉运动测量技术流程图。

图2平台振荡幅值为0.2米、振荡周期1.5秒的升沉运动时本方法的测量结果。

图3平台振荡幅值为0.6米、振荡周期15秒的升沉运动时本方法的测量结果。

图4平台平动距离为0.2米，瞬时下降时本方法的测量结果。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本实施方式中，将舰船捷联惯性系统安装在舰船中心位置，选取精度较高的光纤陀螺作为其主要元器件。结合图1，舰船升沉运动测量的具体实施步骤如下：

步骤1、将光纤陀螺捷联惯性系统充分预热后，实时采集其光纤陀螺和各轴加速度计输出数据。预热时间根据具体系统设定。

步骤2、利用导航计算机中的已有方法，经过初始对准后，得到较为精确的舰船实时姿态信息(俯仰角α、横滚角β、艏摇角γ，均为小角度)，进一步得到，载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵

$C_b^t=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]$

步骤3、根据舰船行使操控时设定的航向，确定舰船的主航向角

(该角有别于航向角，是由舰船操纵者提供)。得到半固定坐标系D与地理坐标系t的关系矩阵C_t ^D。进而得到载体坐标系与半固定坐标系之间的关系矩阵

步骤4、结合步骤3中的方向余弦矩阵C_b ^D，将由传感器测的载体坐标系下三个轴向的加速度通过坐标转化，得到半固定坐标系下垂直轴方向的平动加速度a_i ^D。

步骤5、将半固定坐标系下的垂直轴方向平动加速度进行一次积分，采样时间间隔为h，得到该坐标系下第N个采样点的速度量：

$v^D\left(N\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^D*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N)$

步骤6、选用高通滤波器

$H\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)={\left(\frac{j{\mathrm{\ω}}_c}{1+j{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^3$

根据海浪情况的不同设置截止频率，截止频率ω_c要大于海浪频率的5倍，对速度量v^D进行滤波处理，得到速度量

v＝v^D*H(jω_c)

进而得到每个时刻的半固定坐标系下的垂直轴方向平动(升沉)的速度v_i。

步骤7、将半固定坐标系垂直轴方向平动速度值进行积分，得到半固定坐标系下垂直轴方向平动位移值：

$s_i\left(N\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N)$

即舰船操作者需要的舰船的升沉位移值。

本发明还可以包括如下特征：

1)所得到的舰船升沉信息(垂直轴向平动信息)与光纤捷联惯性系统传感器精度相关性较大，也就是说需要的系统精度尤其是其传感器达到中等精度以上水平。

2)如果要得到精确的舰船升沉运动测量值，需要在引入高通滤波器之后稳定5分钟左右。

3)如果舰船以周期振荡形式进行升沉往复运动，该测量系统会得准确的呈周期性的量测值。如果舰船沿半固定坐标系的垂直轴方向进行短距离平移运动，该测量系统会输出以起始o点为基准的瞬时升沉值，然后逐渐归零(如图4)。归零时间与选取的滤波器的截止频率ω_c有关。

Claims (2)

1.一种基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法，其特征是包括如下实施步骤：

步骤1、实时采集光纤陀螺捷联惯性系统充分预热后的光纤陀螺和各轴加速度计的输出数据；

步骤2、利用导航计算机中的已有方法，经过初始对准后，得到较为精确的舰船实时姿态信息即横摇角α、纵摇角β、俯仰角γ，进一步得到载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵

$C_b^t=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right];$

步骤3、根据舰船行使操控时设定的航向，得到舰船的主航向角

得到半固定坐标系D与地理坐标系t的关系矩阵C_t ^D，进而得到载体坐标系与半固定坐标系之间的关系矩阵

步骤4、结合步骤3中的关系矩阵，将由传感器测的载体坐标系下三个轴向的加速度通过坐标转化，得到半固定坐标系下垂直轴方向的平动加速度a_i ^D；

步骤5、将半固定坐标系下的垂直轴方向平动加速度进行一次积分，采样时间间隔为h，得到该坐标系下第N个采样点的速度量：

$v^D\left(N\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^D*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N);$

步骤6、选用高通滤波器

$H\left({\mathrm{j\ω}}_c\right)={\left(\frac{{\mathrm{j\ω}}_c}{1+{\mathrm{j\ω}}_c}\right)}^3$

根据海浪情况的不同设置截止频率ω_c，对速度量v^D进行滤波处理，得到速度量

v＝v^D*H(jω_c)

进而得到每个时刻的半固定坐标系下的垂直轴方向平动即升沉的速度v_i；

步骤7、将半固定坐标系垂直轴方向平动速度值进行积分，得到半固定坐标系下垂直轴方向平动位移值：

$s_i\left(N\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i*h(i=\mathrm{1,2,3},...,N)$

即舰船操作者需要的舰船的升沉位移值。

2.根据权利要求1所述的基于光纤惯性测量系统的舰船升沉运动测量方法，其特征是所述根据海浪情况的不同设置截止频率是：截止频率ω_c大于海浪频率的5倍。

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