CN112629525B - 一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，首先用升沉测量开始时的一段信号数据作为历史数据，根据历史数据由零相位滤波器计算得到升沉位移值，将升沉位移值作为参考信号；然后以高通数字滤波器解算得到的升沉位移值作为被度量信号，计算所述参考信号和被度量信号之间的时延；最后根据计算得到的时延对经高通数字滤波器滤波的后续滤波信号进行时延补偿。本发明提高了舰船升沉测量的精度。
Description
技术领域
本发明属于舰船监测数据技术领域，具体涉及一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法。
背景技术
舰船升沉测量具有重要的应用价值。目前舰船升沉测量主要依靠捷联惯导系统和高通滤波的方法。舰船主动航行时，周期在30s以上，可以视为低频运动；海浪导致的舰船摇荡运动是被动运动，周期在10s左右，可以视为高频运动。通常通过高通数字滤波器滤除低频运动信息，保留高频运动信息，进而实现舰船升沉的测量。但由于高通数字滤波器会使滤波后的信号相位超前，这样便会对升沉测量带来误差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，提高了舰船升沉测量的精度。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，所述方法步骤如下：
步骤一，用升沉测量开始时的一段信号数据作为历史数据，根据历史数据由零相位滤波器计算得到升沉位移值，将所述升沉位移值作为参考信号；
步骤二，以高通数字滤波器解算得到的升沉位移值作为被度量信号，计算所述参考信号和被度量信号之间的时延；
步骤三，根据计算得到的时延对经高通数字滤波器滤波的后续滤波信号进行时延补偿。
进一步地，所述步骤一中零相位滤波器计算方法为：先将输入信号反转后通过高通数字滤波器，然后将所得结果逆转后再次通过高通数字滤波器，输出零相位失真的参考信号。
进一步地，所述时延根据对参考信号和被度量信号做互相关得到。
进一步地，所述步骤二中升沉位移值的解算过程为：
将舰船加速度通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉加速度，将所述升沉加速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉速度，将所述升沉速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉位移值。
进一步地，所述高通数字滤波器采用IIR高通数字滤波器。
进一步地，所述步骤三中时延补偿的计算公式为：
式中，τ为时延，
为被度量信号，y′(n)为时延补偿后的被度量信号，n代表第n个采样点。
有益效果：
本发明用零相位滤波器计算得到的升沉值作为参考基准，用一段时长的信号数据作为历史数据计算得到升沉位移值，将该升沉位移值作为参考信号和被度量信号进行互相关计算，得到超前相位所对应的时延，在随后的解算中利用该时延进行补偿，提高了舰船升沉测量的精度。
附图说明
图1为传统滤波方法的舰船升沉解算过程；
图2为仿真信号；
图3为历史数据不同方法滤波升沉曲线图；
图4为不同方法的升沉结果曲线图；
图5为历史数据不同方法滤波升沉曲线图；
图6为不同方法的升沉结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
针对IIR高通数字滤波器导致的滤波信号相位超前问题，本发明提供了一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，用零相位滤波器计算得到的升沉值作为参考基准，用升沉测量开始时的一段数据作为历史数据，对两段信号做互相关，可以求出时延。
假设有模拟信号xa(t)，以采样间隔T对它采样，可以得到时域离散信号x(n)，其采样公式如下：
x(n)＝xa(t)|t＝nT＝xa(nT) n＝…,0,1,2,3,…(1)
式中，n取整数，n代表第n个采样点。用这样的方法，可以得到两个信号x(n)和y(n)。对两个信号求互相关。互相关公式如下：
互相关是两个信号相似度的度量，参数l称为时延，表明一对信号之间的时移。l可正可负。l为正时，说明信号y(n)相对于参考信号x(n)右移了l个样本；l为负时，说明信号y(n)相对于参考信号x(n)左移了l个样本。rxy(l)最大时所对应的l称为两个信号之间的时延τ。
零相位滤波器是先将输入信号反转后通过高通数字滤波器，然后将所得结果逆转后再次通过高通数字滤波器，输出零相位失真的参考信号。该方法不能用于时时处理，只能事后使用。在本实施例中，用升沉测量开始时的一段信号数据作为历史数据，根据历史数据由零相位滤波器计算得到升沉位移值，将升沉位移值作为参考信号，用x(n)表示。
以高通数字滤波器解算得到的升沉位移值作为被度量信号，以
表示。具体过程如下：
舰船上安装有捷联惯导系统，通过加速度计可以测量载体坐标系下的比力信息，然后利用比力方程可以解算求出垂荡方向的加速度。比力方程如下：
式中，
为舰船的加速度，
为利用捷联惯导系统获得的舰船姿态阵对舰船比力矢量进行坐标转换后的天向比力。
为哥式补偿项。
为地球自转角速度。
为舰船速度，gn为重力加速度。由于惯性导航系统存在系统误差，通过对误差方程的分析可以知道该系统有三种不同周期的震荡，分别是周期为84.4min的舒勒震荡，周期为24h的地球震荡，周期为2π/(ωiesinL)的傅科震荡，这里ωie为地球自转角速度，L为纬度。地球震荡和傅科震荡周期远大于舰船升沉测量周期，所以舒勒震荡会对升沉测量产生极大干扰。如果简单地对垂向加速度进行一次和二次积分，得到的速度和位移是发散的。所以需要经过高通滤波器滤除低频成分，保留高频成分后再积分解算，如图1所示。将舰船加速度通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉加速度，将所述升沉加速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉速度，将所述升沉速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉位移值。
高通数字滤波器的选择可以有两类，一类是FIR滤波器，一类是IIR滤波器。升沉测量中，FIR滤波器的阶数会过高，所以一般选择IIR滤波器。滤波器的设计可以借助MATLAB来实现。
利用公式(4)计算参考信号x(n)和被度量信号
之间的时延τ。
式中，y′(n)为时延补偿后的被度量信号。
下面进行模拟数据验证。
根据舒勒周期和升沉周期的特点，仿真信号模型中，设置高频运动周期为10s，幅值为1m，低频运动周期为5064s(84.4min)，幅值为1m。采样频率设为100Hz，采样时长为500s。高频分量和低频分量叠加得到的仿真信号如图2所示。可以明显看到舒勒震荡对升沉信号有发散作用。
本方法中采用巴特沃斯高通滤波器，采样频率为100Hz，通带截止频为0.02Hz，阻带截止频率为0.002Hz，通带衰减不大于1dB，阻带衰减不小于30dB。零相位滤波直接调用MATLAB的filtfilt函数。
首先对仿真信号前60s的数据进行零相位滤波和传统方法滤波。之后对两种滤波结果进行互相关求时延τ。摘取30s～60s的曲线图如图3所示。由图可知，仿真信号通过滤波器后，低频成分被滤掉，仅仅保留了高频成分。并且零相位滤波方法得到的升沉值和理想值几乎重合，所以可以用零相位滤波解算的结果作为参考值。而传统方法滤波得到的结果相位超前，图像表现为偏左。由于零相位滤波器会在首尾有失真情况存在，这里用30s～60s的数据进行互相关计算，得到时延为0.25s。
接下来对60s后的数据依据公式(2)-(4)进行时延补偿。图4展示了不同方法的升沉结果曲线图。可以看到经过时延补偿后的升沉值和模拟的理想值几乎重合，证明了本方法可行。
其次，利用捷联惯导系统在海上进行了实测验证，得到了3000s的数据。与模拟数据验证相比，海上实测验证没有了理想值作为参考基准。但通过上文的分析，用零相位滤波器来代替。滤波器参数不变。
首先根据比力方程，利用传统滤波方法和零相位滤波方法计算前250s的升沉值，然后利用70s～130s的数据计算两者之间的时延τ。曲线图如图5所示。时延计算结果为0.45s。
之后对250s以后的滤波数据进行时延补偿，下图给出了870s到910s三种方法的升沉位移曲线，如图6所示。
同时以零相位滤波方法求得的升沉值作为参考基准，计算传统滤波方法和本发明方法的误差极大值和均方根误差。计算结果如表1所示。由表中数据可以知道，本发明方法的误差极大值为传统方法的41.9％，均方根误差为传统方法的50.1％，极大地降低了升沉计算的误差，证明了本方法测量舰船升沉具有时延低，精度高的特点。
表1不同滤波方法误差统计值
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤一，用升沉测量开始时的一段信号数据作为历史数据，根据历史数据由零相位滤波器计算得到升沉位移值，将所述升沉位移值作为参考信号；
步骤二，以高通数字滤波器解算得到的升沉位移值作为被度量信号，计算所述参考信号和被度量信号之间的时延，所述时延根据对参考信号和被度量信号做互相关得到；
步骤三，根据计算得到的时延对经高通数字滤波器滤波的后续滤波信号进行时延补偿。
2.如权利要求1所述的基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，其特征在于，所述步骤一中零相位滤波器计算方法为：先将输入信号反转后通过高通数字滤波器，然后将所得结果逆转后再次通过高通数字滤波器，输出零相位失真的参考信号。
3.如权利要求1所述的基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，其特征在于，所述步骤二中升沉位移值的解算过程为：
将舰船加速度通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉加速度，将所述升沉加速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉速度，将所述升沉速度进行积分处理后通过高通数字滤波器进行滤波处理得到升沉位移值。
4.如权利要求3所述的基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，其特征在于，所述高通数字滤波器采用IIR高通数字滤波器。
5.如权利要求1所述的基于历史数据互相关进行舰船升沉相位补偿的方法，其特征在于，所述步骤三中时延补偿的计算公式为：
式中，τ为时延，
为被度量信号，y′(n)为时延补偿后的被度量信号，n代表第n个采样点。
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