CN112611382A - 一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，首先对天向加速度计实时测量的信号先进行快速傅里叶变换获取对应海浪的运动频率完成升沉频率估计，然后对测量信号实现升沉滤波，再对升沉滤波器引起的相位超前误差进行补偿实现精确的实时升沉信息输出。本发明相对于现有技术考虑了升沉高通滤波器引起的相位超前误差以及实际应用中动态海况条件，有效解决了现有技术中升沉测量误差大和实时性差的缺点。

Description

一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法

技术领域

本发明涉及一种捷联惯导系统升沉测量方法，特别是一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，属于捷联惯性导航系统舰船升沉测量领域。

背景技术

捷联惯性导航系统最大特点就是自主性，它可以不接收外界任何信息，利用自身的加速度计和陀螺仪敏感到运载体的线速度和角速度信息，从而提供速度、位置及姿态等多种导航信息。

舰船的升沉运动是用来描述舰船在海浪作用或其他特定情况下，沿半固定坐标系的天向轴作具有一定周期性的往复运动的现象。舰船的升沉运动不仅会对舰载武器的发射、舰载直升机的起降等产生影响，也是工程船海上作业、海底多波束声呐成像等重要技术参考指标，因此舰船升沉信息的实时精确测量与控制对于发挥舰载武器性能及工程实践应用均至关重要。因此研究一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法是必要的。

现有技术中，如在《导航定位学报》第4卷第2期的严恭敏、苏幸君、温浚、秦永元的一篇《基于惯导和无时延滤波器的舰船升沉测量》中提出了一种利用设计低通滤波器的方法进行滤波处理避免了高通滤波器导致的相位超前方法，测量精度有了较大提高但是升沉测量实时性方面不是很理想。

还有黄卫权、李智超、卢漫漫在《系统工程与电子技术》上发表的《基于BMFLC算法的舰船升沉测量方法》文章提出了一种基于带限傅里叶线性组合器方法对升沉测量误差进行实时补偿，但是由于其需要对特定频率段内的点实时运算与拟合，其拟合精度与频段划分数量M有关，M越大拟合精度越高计算量也越大功耗也越大且所得频谱具有一定滞后性。

以上发表的文章都对舰船升沉测量做了叙述与探究，但是没有同时达到实时性好，精度高与计算量小的工程实践要求，因此研究一种计算量小，精度高且实时性好的升沉测量方法具有创新性和实际工程价值。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，计算量小，精度高且实时性好。

为解决上述技术问题，本发明的一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，包括以下步骤：

步骤1、利用捷联惯导系统东向、北向和天向陀螺仪输出得到载体纵摇角θ、横摇角γ和航向摇摆角η；

步骤2、利用步骤1得到的角度计算得到载体坐标系到半固定坐标系的坐标变换矩阵

其中b代表载体系，d代表半固定坐标系；

步骤3、将载体系下加速度计测量输出量经坐标变换矩阵

转为半固定坐标系下加速度，即：

其中

为加速度计载体系下输出的三维加速度矢量，

为半固定坐标系下的三维加速度矢量；

步骤4、取步骤3时域内得到的半固定坐标系下加速度的天向分量

进行N点快速傅里叶变换得到频率域下加速度

步骤5、海浪运动周期范围为1～25s，其对应频率为0.04～1Hz，在该范围内对步骤4得到的频谱值

进行大小比较取最大值对应的频率即为海浪主导频率记为ω₀；

步骤6、确定升沉滤波器的传递函数：

其中，ω_c为升沉滤波器截止频率，ω_c与海浪主导频率有关取ω_c＝Aω₀，0.2＜A≤0.37；

步骤7、确定升沉滤波器引起的升沉信号超前相位：

其中ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率；

步骤8、对步骤6设计的升沉滤波器通过双线性变换法转为离散域形式，其变换公式为：

其中ξ为给定的阻尼系数；T为采样周期；

步骤9、由步骤7确定一阶全通滤波器z域传递函数：

其中

为升沉滤波器引起的超前相位；ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率；T为采样周期；

步骤10、根据步骤8、步骤9补偿相位后升沉滤波器的传递函数为：

本发明的一种优选方案，步骤3中N取值为32768；步骤6中A取值为0.37；步骤8中阻尼系数ξ取值为0.707；采样周期T取值为0.01s。

本发明的有益效果：本发明提供一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，能够实时测量输出舰船精确的升沉信息，计算量小，精度高且实时性好。本发明相对于现有技术考虑了升沉高通滤波器引起的相位超前误差以及实际应用中动态海况条件，有效解决了现有技术中升沉测量误差大和实时性差的缺点。

为了验证所述方法的有益效果，本发明进行仿真实验验证，其中模拟真实升沉幅度为1m，分别设计海浪运动周期为5～25s情况下本文方法测量升沉结果与误差如下表所示：

海浪频率(s)	5	10	15	20	25
						升沉幅值(m)	0.9811	0.9811	0.9811	0.9818	0.982
误差(m)	0.0189	0.0189	0.0189	0.0182	0.018

附图说明

图1为本发明提供的一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明包括如下步骤：(1)利用捷联惯导系统三轴陀螺仪输出得到载体纵摇角θ、横摇角γ和航向摇摆角η；(2)利用上述得到的角度获取载体坐标系到半固定坐标系的坐标变换矩阵

(3)经坐标变换矩阵

将载体系下测量的加速度

转化为半固定坐标系下加速度

(4)对半固定坐标系下的天向加速度

进行快速傅里叶变换得到频率域下一系列频谱

(5)在1～25s的海浪周期范围对应的频率段内对上述频谱幅值比较获取最大幅值对应的频率即为海浪主导频率ω₀；(6)依据海浪主导频率确定二阶升沉高通滤波器的截止频率ω_c＝0.37ω₀；(7)依据海浪主导频率ω₀和二阶升沉高通滤波器截止频率ω_c设计一阶全通滤波器补偿高通滤波器引起的相位超前获取实时精确升沉信息；本发明相对于现有技术考虑了升沉高通滤波器引起的相位超前误差以及实际应用中动态海况条件，有效解决了现有技术中升沉测量误差大和实时性差的缺点。

结合图1和具体参数，本发明的一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，包括以下步骤：

步骤1、利用捷联惯导系统东向、北向和天向陀螺仪输出得到载体纵摇角θ、横摇角γ和航向摇摆角η。

步骤2、利用步骤1得到的角度计算得到载体坐标系到半固定坐标系的坐标变换矩阵

即：

其中b代表载体系，d代表半固定坐标系。

步骤3、将载体系下加速度计测量输出量经坐标变换矩阵

转为半固定坐标系下加速度，即：

其中

为加速度计载体系下输出的三维加速度矢量，

为半固定坐标系下的三维加速度矢量。

步骤4、取步骤3时域内得到的半固定坐标系下加速度的天向分量

进行N＝32768点快速傅里叶变换得到频率域下加速度

步骤5、海浪运动周期范围为1～25s，其对应频率为0.04～1Hz，在该范围内对步骤4得到的频谱值

进行大小比较取最大值对应的频率即为海浪主导频率记为ω₀。

步骤6、确定升沉滤波器的传递函数：

其中，ω_c为升沉滤波器截止频率，ω_c与海浪主导频率有关取ω_c＝0.37ω₀。

步骤7、确定升沉滤波器引起的升沉信号超前相位：

其中ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率。

步骤8、对步骤6设计的升沉滤波器通过双线性变换法转为离散域形式，其变换公式为：

其中ξ为阻尼系数，取ξ＝0.707；T为采样周期，取T＝0.01s。

步骤9、由步骤7确定一阶全通滤波器z域传递函数：

其中

为升沉滤波器引起的超前相位；ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率；T为采样周期，取T＝0.01s。

步骤10、根据步骤8、步骤9补偿相位后升沉滤波器的传递函数为：

至此，对天向加速度计实时测量的信号由步骤4、5先进行快速傅里叶变换获取对应海浪的运动频率完成升沉频率估计，然后对测量信号经步骤6、8实现升沉滤波，再经步骤9对升沉滤波器引起的相位超前误差进行补偿实现精确的实时升沉信息输出。

Claims (2)

1.一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用捷联惯导系统东向、北向和天向陀螺仪输出得到载体纵摇角θ、横摇角γ和航向摇摆角η；

步骤2、利用步骤1得到的角度计算得到载体坐标系到半固定坐标系的坐标变换矩阵

其中b代表载体系，d代表半固定坐标系；

步骤3、将载体系下加速度计测量输出量经坐标变换矩阵

转为半固定坐标系下加速度，即：

其中

为加速度计载体系下输出的三维加速度矢量，

为半固定坐标系下的三维加速度矢量；

步骤4、取步骤3时域内得到的半固定坐标系下加速度的天向分量

进行N点快速傅里叶变换得到频率域下加速度

步骤5、海浪运动周期范围为1～25s，其对应频率为0.04～1Hz，在该范围内对步骤4得到的频谱值

进行大小比较取最大值对应的频率即为海浪主导频率记为ω₀；

步骤6、确定升沉滤波器的传递函数：

其中，ω_c为升沉滤波器截止频率，ω_c与海浪主导频率有关取ω_c＝Aω₀，0.2＜A≤0.37；

步骤7、确定升沉滤波器引起的升沉信号超前相位：

其中ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率；

步骤8、对步骤6设计的升沉滤波器通过双线性变换法转为离散域形式，其变换公式为：

其中ξ为给定的阻尼系数；T为采样周期；

步骤9、由步骤7确定一阶全通滤波器z域传递函数：

其中

为升沉滤波器引起的超前相位；ω₀为由步骤5估计出的海浪主导频率；T为采样周期；

步骤10、根据步骤8、步骤9补偿相位后升沉滤波器的传递函数为：

2.根据权利要求1所述的一种带有相位补偿的捷联惯导系统升沉测量方法，其特征在于：步骤3中所述N取值为32768；步骤6中所述A取值为0.37；步骤8所述阻尼系数ξ取值为0.707；采样周期T取值为0.01s。

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