CN117288188A - 一种波浪升沉测量补偿计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶系统技术、电子信息系统及导航系统中组合导航技术领域，尤其涉及一种适用于深海波浪升沉测量补偿计算方法，包括导航解算环节：S2：升沉滤波环节：S3：傅里叶级数求升沉周期：S4：根据升沉周期补偿幅值；S5：根据升沉周期补偿相位。针对海上作业平台在海上进行补给、探测、救助和作业时，需要补偿船舶的升沉，以满足船舶的工作条件。用于海浪下船舶升沉运动的位移估计。它不仅可以消除传感器加速度测量值积分处理带来的噪声误差，还可以减小滤波器本身带来的幅值和相位误差。数字高通滤波器的截止频率根据船舶升沉运动周期来判断，建立高精度波浪补偿的基础，同时该方法易于实现，在工程应用中，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于船舶系统技术、电子信息系统及导航系统中组合导航技术领域，尤其涉及一种适用于深海波浪升沉测量补偿计算方法。
背景技术
惯性升沉测量是通过惯性传感器来监测和测量船舶升降运动的技术，主要用于海洋工程领域，尤其是在浮标、浮式平台或深海特种作业平台等设备中，准确追踪它们在水中的垂直位移，满足海上高精度特种平台作业的需求。
传统海浪升沉位移实时估计补偿过程，存在升沉位移估计过程中相位和幅值误差较大、受振动干扰适应性较差的问题，故目前亟须一种海浪升沉位移补偿方法，达到高精度海浪升沉测量的目的。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明采用高通滤波器分段式补偿处理方式抑制振动干扰，并根据升沉周期的判断，自动补偿海浪升沉的相位和幅值，达到高精度海浪升沉测量的目的。
一种波浪升沉测量补偿计算方法，包括以下步骤：
S1：导航解算环节：
利用三个MEMS陀螺敏感载体在惯性空间的三维角运动以建立载体坐标系相对地理坐标系的姿态变换阵，再利用三个MEMS加速度计敏感载体的三维线运动并分解到地理坐标系上，得出运动载体在导航地理坐标系上的运动信息；
S2：升沉滤波环节：
将S1步骤运动信息的垂直分量进行积分，得到垂直速度，经过第一升沉滤波器，得到垂直速度滤波值，再经过一次积分，得到垂直向量，经过第二升沉滤波器得到升沉位移，再经过第二升沉滤波器得到升沉位移滤波值；
S3：傅里叶级数求升沉周期：
从S2步骤中采样5分钟的升沉测量值，根据快速傅里叶变化求解得到升沉周期Period；
S4：根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿幅值；
S5：根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿相位。
进一步的，导航解算环节包括以下步骤：
S21：MEMS陀螺测量（GxGyGz）陀螺坐标系相对惯性坐标系的角速度在陀螺坐标系的分量/>，利用已知陀螺漂移进行补偿并经陀螺坐标系到载体坐标系的坐标变换/>得到其在载体坐标系的相应分量；
S22: MEMS加速度计（AxAyAz）测量加速度计坐标系中的比力分量，经变换/>得到其在载体坐标系的分量/>，并由载体坐标系到地理坐标系姿态变换阵/>将其变为地理坐标系的分量/>；
S23: 地理坐标系中的机械编排方程将按水平指北系编排进行哥氏加速度修正、速度位置解算，并给出地理坐标系相对惯性坐标系的角速度在地理坐标系中的分量，并由姿态阵变换成载体坐标系中的分量/>；
S24: 将S21步骤中的与S23步骤中的/>求差得到载体相对地理坐标系的角速度/>在载体坐标系中的分量/>，变换成角增量/>，/>表示时间步长，通过四元数更新算法，求得姿态阵/>，并算得姿态角航向角、横摇角及纵摇角。
进一步的，步骤S21中变换阵包含了安装误差引起的中间变换。
进一步的，步骤S22中变换阵包含了安装误差引起的中间变换。
进一步的，在S2步骤中：
；
其中s表示传递函数中的积分，sys1表示第一升沉滤波器传递函数，sys2表示第二升沉滤波器传递函数，T为滤波器参数，根据升沉周期进行调整。
进一步的，在S3步骤中滤波参数选择为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0。
进一步的，S4步骤中幅值补偿方法为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period；
得到补偿后的幅值为：
；
为补偿后升沉位移值，/>为升沉位移滤波值；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period；
得到补偿后的幅值为：
。
进一步的，S5步骤中相位补偿方法为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period；
在输出时，将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period；
在输出时，将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明针对海上作业平台在海上进行补给、探测、救助和作业时，需要补偿船舶的升沉，以满足船舶的工作条件。用于海浪下船舶升沉运动的位移估计。它不仅可以消除传感器加速度测量值积分处理带来的噪声误差，还可以减小滤波器本身带来的幅值和相位误差。数字高通滤波器的截止频率根据船舶升沉运动周期来判断，建立高精度波浪补偿的基础，同时该方法易于实现，在工程应用中，抗干扰能力强。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 本发明提供的运动测量单元的组成框图。
图2 本发明提供的升沉测量的工作原理图。
图3 本发明提供的升沉滤波器设计原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明的实施例提供一种适用于海上甲板机械波浪补偿的实现方法，通过对海浪升沉周期的识别，完成升沉幅值和相位的补偿。从而达到海上作业平台海上补给、探测、救助、打捞的作业目的。
具体实施方法包括以下步骤：
设备自检环节；
导航解算环节；
升沉滤波环节；
升沉周期求解环节；
幅值系数补偿环节；
相位系数补偿环节；
下文对具体操作步骤进行详细说明。
设备自检环节：
运动测量单元的升沉测量的自检部分信息反映在测量设备信号显示灯中，其自检内容主要包括：
确认电源信号，如果电源接通则设备信号显示灯出现红色的常亮指示；如果设备有电源接入，但惯性元件没有检测到电压，则设备信号灯出现1秒闪烁的红色，提示需要检查；
确认惯性元件信号正常，在上位机界面打开串口后，当上位机接收到惯性元件信号正常时，信号灯出现绿色并保持常亮提示进入准备状态；
当设备工作时，绿色信号灯持续1秒闪烁，提示进入工作状态，输出的升沉信息有效；
如图1所示，运动测量单元由微惯性测量单元（以下简称MIMU）、信号采集单元、升沉解算单元和电源等部分组成。
导航解算环节：
系统是基于捷联惯性导航技术，利用三个MEMS陀螺敏感载体在惯性空间的三维角运动以建立载体坐标系相对地理坐标系的姿态变换阵，再利用三个MEMS加速度计敏感载体的三维线运动并分解到地理坐标系上，经一次积分推算载体运动速度，经二次积分得载体位移，由此可以得出运动载体在导航地理坐标系上的所有角运动、线运动信息，实现导航的目的。
解算更新具体过程如下：
1）MEMS陀螺测量（GxGyGz）陀螺坐标系相对惯性坐标系的角速度在陀螺坐标系的分量/>，利用已知陀螺漂移进行补偿并经陀螺坐标系到载体坐标系的坐标变换/>得到其在载体坐标系的相应分量，其中变换阵/>包含了各种安装误差引起的中间变换；
2）MEMS加速度计（AxAyAz）测量加速度计坐标系中的比力分量，经变换/>得到其在载体坐标系的分量/>，其中变换阵/>同样包含了各种安装误差引起的中间变换，并由载体坐标系到地理坐标系姿态变换阵/>将其变为地理坐标系的分量/>；
3）地理坐标系中的机械编排方程将按水平指北系编排进行哥氏加速度修正、速度位置解算，并给出地理坐标系相对惯性坐标系的角速度在地理坐标系中的分量，并由姿态阵变换成载体坐标系中的分量/>；
将1）步骤中的与3）步骤中的/>求差得到载体相对地理坐标系的角速度在载体坐标系中的分量/>，变换成角增量/>，/>表示时间步长，通过四元数更新算法，求得姿态阵/>，并算得姿态角航向角、横摇角及纵摇角/>。升沉测量具体的工作原理如图2所示。
升沉滤波环节：
升沉滤波器设计如图3所示。将载体坐标系的分量的垂直分量进行积分，得到垂直速度，经过第一升沉滤波器，得到垂直速度滤波值，再经过一次积分，得到垂直向量，经过第二升沉滤波器得到升沉位移，再经过第二升沉滤波器得到升沉位移滤波值。
升沉测量从两个方面考虑，一是滤波器选择，二是滤波参数选择。
其中滤波器设计中的传递函数：
；
其中s表示传递函数中的积分，sys1表示第一升沉滤波器传递函数，sys2表示第二升沉滤波器传递函数，T为滤波器参数，将根据升沉周期进行调整。
傅里叶级数求升沉周期：
从升沉滤波环节中采样5分钟的升沉测量值，根据快速傅里叶变化求解得到升沉周期Period。
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0。
根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿幅值
由于通过高通滤波器后，升沉的幅值受到衰减，在滤波后幅值进行输出补偿，补偿系数为A。
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period。
得到补偿后的幅值为：
。
为补偿后升沉位移值，/>为升沉位移滤波值。
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period。
得到补偿后的幅值为：
。
根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿相位：
由于通过高通滤波器后，升沉的相位产生相移，在滤波后相移进行补偿，补偿相移为Ph。
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period。
在输出时，需将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移。
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period。
在输出时，需将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移。
本发明针对海上作业平台在海上进行补给、探测、救助和作业时，需要补偿船舶的升沉，以满足船舶的工作条件。用于海浪下船舶升沉运动的位移估计。它不仅可以消除传感器加速度测量值积分处理带来的噪声误差，还可以减小滤波器本身带来的幅值和相位误差。数字高通滤波器的截止频率根据船舶升沉运动周期来判断，建立高精度波浪补偿的基础，同时该方法易于实现，在工程应用中，抗干扰能力强。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：导航解算环节：
利用三个MEMS陀螺敏感载体在惯性空间的三维角运动以建立载体坐标系相对地理坐标系的姿态变换阵，再利用三个MEMS加速度计敏感载体的三维线运动并分解到地理坐标系上，得出运动载体在导航地理坐标系上的运动信息；
S2：升沉滤波环节：
将S1步骤运动信息的垂直分量进行积分，得到垂直速度，经过第一升沉滤波器，得到垂直速度滤波值，再经过一次积分，得到垂直向量，经过第二升沉滤波器得到升沉位移，再经过第二升沉滤波器得到升沉位移滤波值；
S3：傅里叶级数求升沉周期：
从S2步骤中采样5分钟的升沉测量值，根据快速傅里叶变化求解得到升沉周期Period；
S4：根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿幅值；
S5：根据升沉周期Period对升沉位移滤波值补偿相位。
2.根据权利要求1所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，导航解算环节包括以下步骤：
S21：MEMS陀螺测量（GxGyGz）陀螺坐标系相对惯性坐标系的角速度在陀螺坐标系的分量/>，利用已知陀螺漂移进行补偿并经陀螺坐标系到载体坐标系的坐标变换/>得到其在载体坐标系的相应分量；
S22: MEMS加速度计（Ax AyAz）测量加速度计坐标系中的比力分量，经变换/>得到其在载体坐标系的分量/>，并由载体坐标系到地理坐标系姿态变换阵/>将其变为地理坐标系的分量/>；
S23: 地理坐标系中的机械编排方程将按水平指北系编排进行哥氏加速度修正、速度位置解算，并给出地理坐标系相对惯性坐标系的角速度在地理坐标系中的分量，并由姿态阵变换成载体坐标系中的分量/>；
S24: 将S21步骤中的与S23步骤中的/>求差得到载体相对地理坐标系的角速度在载体坐标系中的分量/>，变换成角增量/>，/>表示时间步长，通过四元数更新算法，求得姿态阵/>，并算得姿态角航向角、横摇角及纵摇角/>。
3.根据权利要求2所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，步骤S21中变换阵包含了安装误差引起的中间变换。
4.根据权利要求2所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，步骤S22中变换阵包含了安装误差引起的中间变换。
5.根据权利要求1所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，在S2步骤中：
；
其中s表示传递函数中的积分，sys1表示第一升沉滤波器传递函数，sys2表示第二升沉滤波器传递函数，T为滤波器参数，根据升沉周期进行调整。
6.根据权利要求5所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，在S3步骤中滤波参数选择为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0。
7.根据权利要求6所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，S4步骤中幅值补偿方法为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period；
得到补偿后的幅值为：
；
为补偿后升沉位移值，/>为升沉位移滤波值；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；幅值补偿系数A表示为：
；
其中为升沉周期Period；
得到补偿后的幅值为：
。
8.根据权利要求6所述的一种波浪升沉测量补偿计算方法，其特征在于，S5步骤中相位补偿方法为：
当Period≤15秒，滤波参数取T=3.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period；
在输出时，将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移；
当Period＞15秒，滤波参数取T=4.0时；补偿相移Ph表示为：
；
其中为升沉周期Period；
在输出时，将升沉位移滤波值的相位延迟后输出以补偿由高通滤波产生的相移。
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-
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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