基于光纤陀螺惯性测量系统的舰船横纵荡信息测量方法

摘要

本发明提供的是一种基于光纤陀螺惯性测量系统的舰船横纵荡信息测量方法。将船用光纤捷联惯性测量系统安装在舰船中心位置，测量舰船横荡、纵荡运动。利用现有的惯性测量系统，利用数字滤波技术对总的位移信息进行处理，提供舰船的横荡、纵荡平动信息。本发明技术具有以下优点：在不需要外界参考信息的情况下，无需增加新的传感器，利用已有的舰船安装的光纤陀螺惯性测量系统上的陀螺和加速度计输出，结合数字滤波技术，实时地提供舰船横荡、纵荡信息，不仅增加了原有惯性测量系统功能，同时可以提高系统的导航参数测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种信息测量方法，具体地说是一种复杂海况条件下，基于光纤陀螺捷联惯性测量系统测量舰船横荡、纵荡运动的方法。

背景技术

舰船中应用的惯性测量系统由陀螺仪、加速度计和导航计算机组成，它能够提供舰船的姿态、速度以及位移信息。舰船的位移量按频率域分解可以分为由舰船机动引入的低频分量(舰船的机动较为平缓)，以及由浪涌引起的具有三个自由度的高频分量。在传统惯性导航测量技术中，惯性测量系统对于位移信息测量中高频分量的测量较为准确，而对于低频分量测量误差较大(由于系统的低频分量中存在84.4分钟的舒拉周期误差)。

位移信息测量中高频分量由浪涌引起，包括描述舰船运动的三个自由度高频位移信息，分别是横荡(横移)、纵荡(纵移)、垂荡(升沉)。其中横荡(横移)为沿着舰船的右舷方向的轴向平动信息量，纵荡(纵移)为沿着舰船的艏向方向的轴向平动信息量。随着惯性测量系统的迅速发展，其对于舰船三个姿态信息(横摇、纵摇、艏摇)的测量已经达到了较高的精度，但对于三个自由度上的高频位移信息一直不能提供。这是由于惯性测量系统使用的传统速度测量技术只能测量舰船总的位移信息量(总的位移信息量包含84.4分钟的舒拉周期误差)，不能准确分离出横荡、纵荡和垂荡高频位移信息量。

随着惯性测量系统的广泛使用与快速发展，惯性测量系统不能够测量三个自由度上的高频位移信息，尤其是无法测量横荡、纵荡平动信息的问题越发凸显。例如：因其实用性强而成为研究热点的系泊环境中自对准技术，其对于横荡、纵荡平动信息需要即时测量；舰船上武器系统的发射时初始状态的装订需要横荡、纵荡平动信息；舰船进入港口靠岸时横荡、纵荡平动信息对于舰船驾驶者有着重要的参考作用。海上舰船补给物资时被补给舰船与补给舰船需要运动状态同步，测量出横荡、纵荡平动信息对保证补给系统在两艘舰船之间正常且有效地工作意义重大。因此，横荡、纵荡平动信息作为舰船重要的状态信息，它们的测量技术对于实际工程具有重要的实用价值，横荡、纵荡平动信息测量技术的发展必然会推动惯性测量系统技术的进步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无须外界信息引入，利用捷联惯性系统的光纤陀螺和加速度计输出测量舰船沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即舰船的纵荡和横荡信息的基于光纤陀螺惯性测量系统的舰船横纵荡信息测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

将船用光纤捷联惯性测量系统安装在舰船中心位置，测量舰船横荡、纵荡运动的具体实施步骤如下：

步骤1、对船用光纤陀螺捷联惯性系统充分预热，并实时采集三个轴上光纤陀螺和加速度计的输出信号；

步骤2、利用陀螺和加速度计的输出，测量舰船实时姿态信息，所述实时姿态信息包括纵摇角α、横摇角β、艏摇角γ，再由姿态信息构成载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵

其中

C₁₁＝cosβcosγ-sinβsinαsinγ

C₁₂＝-cosαsinγ

C₁₃＝sinβcosγ+cosβsinαsinγ

C₂₁＝cosβsinγ+sinβsinαcosγ

C₂₂＝cosαcosγ；

C₂₃＝sinβsinγ-cosβsinαcosγ

C₃₁＝-sinβcosα

C₃₂＝sinα

C₃₃＝cosβcosα

步骤3、由舰船航行操控时设定的舰船航迹向与地理北向的夹角，即舰船的主航向角得到地理坐标系t与半固定坐标系d的关系矩阵

进而得到载体坐标系b与半固定坐标系d之间的转换矩阵

$>C_b^d=C_t^d{C}_b^t;$>

步骤4、船用光纤捷联惯性测量系统利用陀螺和加速度计的输出，测量得到地理坐标系t上，第n个采样点时，舰船实时速度信息，所述实时速度信息包括地理坐标系x轴上的速度v_x^t(n)、地理坐标系y轴上速度v_y^t(n)、地理坐标系z轴上速度v_z^t(n))；

步骤5、利用步骤3中的方向余弦矩阵C_t^d，将地理坐标系t上舰船实时速度信息通过坐标转化，得到半固定坐标系x轴上，第n个采样点时的速度信息v_x^d(n)，和半固定坐标系y轴上，第n个采样点时的速度信息v_y^d(n)，

步骤6、将半固定坐标系d下x轴上的速度信息v_x^d(n)和y轴上的速度信息v_y^d(n)进行一次积分，得到半固定坐标系d下，第n个采样点时总的位移量，即半固定坐标系d下y轴上总的位移量s_y^d(n)，以及半固定坐标系d下x轴上总的位移量s_x^d(n)，

$>s_y^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_y^d\left(k\right)$>

$>s_x^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_x^d\left(k\right)$>

其中k＝1，2，…n，v_x^d(k)表示半固定坐标系d下x轴上，第k个采样点时的速度信息；v_y^d(k)表示半固定坐标系d下y轴上，第k个采样点时的速度信息；v_x^d(k)与v_y^d(k)在第k个采样点时由步骤1到步骤5的过程测量得到并加以保存；h为光纤陀螺惯性测量系统的采样周期；

步骤7、对步骤6中得到的半固定坐标系d下总的位移量s_y^d(n)与s_x^d(n)进行滤波，得到舰船沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即舰船的纵荡信息和横荡信息

$>{\hat{s}}_y\left(n\right)=s_y^d\left(n\right)·\omega \left(n\right)$>

$>{\hat{s}}_x\left(n\right)=s_x^d\left(n\right)·\omega \left(n\right).$>

本发明还具有以下特征：

1、步骤7中所述的滤波选用高通数字FIR滤波器，选取凯塞窗为

$>\omega \left[n\right]=\frac{I_0\left[6\sqrt{1-{(\frac{2n}{N-1}-1)}^2}\right]}{70}$>

其中函数定义为：

$>I_0\left[x\right]=1+\underset{j=1}{\overset{20}{\Sigma }}{\left[\frac{{(x/2)}^j}{j!}\right]}^2$>

并且有

$>N=5.2\frac{f_s}{f}$>

其中f_s为采样频率，f为通带边缘频率。

2、在引入高通滤波器之后稳定3分钟。

本发明针对传统的光纤陀螺捷联惯性测量系统只能提供三个转动自由度信息(纵摇、横摇与航向)，而横荡、纵荡这两个平动信息无法测量的问题，利用现有的惯性测量系统，利用数字滤波技术对总的位移信息进行处理，提供舰船的横荡、纵荡平动信息。

本发明技术具有以下优点：在不需要外界参考信息的情况下，无需增加新的传感器，利用已有的舰船安装的光纤陀螺惯性测量系统上的陀螺和加速度计输出，结合数字滤波技术，实时地提供舰船横荡、纵荡信息，不仅增加了原有惯性测量系统功能，同时可以提高系统的导航参数测量精度。

对本发明的有益效果说明还包括：多种动态条件下利用高精度光纤陀螺惯性测量系统针对横荡、纵荡运动信息测量的试验结果。

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)六自由度平台可以模拟舰船在规则海浪周期作用下的横荡、纵荡。

试验结果：单次试验时间视不同的运动模式而定。利用六自由度转台(可模拟横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇、艏摇运动)模拟舰船周期性横荡、纵荡运动。选取高精度光纤陀螺惯性测量系统，将其安装与转台台面上，模拟舰船运动。进行横荡幅值为1米、振荡周期7秒，纵荡幅值为2米、振荡周期7秒的横荡、纵荡测量。实验所得结果证明对于周期运动的测量结果误差低于2％，测量结果误差表示为

|实测值-真实值|/真实值

既是实测值与真实值的差值除以真实值。测量值在3分钟后趋于稳定(也就是说本方法需要在测量前预留3分钟调整时间)，测量的延迟时间较短，可以忽略不计。

附图说明

图1基于光纤陀螺惯性测量系统的舰船横荡、纵荡运动测量技术流程图。

图2进行横荡幅值为1米、振荡周期7秒，纵荡幅值为2米、振荡周期7秒的横荡、纵荡运动时，得到的未滤波时的水平轴向位移测量相关值(呈显著发散状)。

图3进行横荡幅值为1米、振荡周期7秒，纵荡幅值为2米、振荡周期7秒的横荡、纵荡运动时，经过本方法测得的横荡、纵荡运动信息。

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：

将船用光纤捷联惯性测量系统安装在舰船中心位置。测量舰船横荡、纵荡运动的具体实施步骤如下：

步骤1、对船用光纤陀螺捷联惯性系统充分预热，预热时间根据具体系统设定，并实时采集三个轴上光纤陀螺和加速度计的输出信号。

步骤2、利用陀螺和加速度计的输出，并利用已有的捷联惯性姿态测量技术，得到舰船实时姿态信息(包括纵摇角α、横摇角β、艏摇角γ)，再由姿态信息构成载体坐标系b与地理坐标系t的关系矩阵

其中

C₁₁＝cosβcosγ-sinβsinαsinγ

C₁₂＝-cosαsinγ

C₁₃＝sinβcosγ+cosβsinαsinγ

C₂₁＝cosβsinγ+sinβsinαcosγ

C₂₂＝cosαcosγ

C₂₃＝sinβsinγ-cosβsinαcosγ

C₃₁＝-sinβcosα

C₃₂＝sinα

C₃₃＝cosβcosα

步骤3、由舰船航行操控时设定的舰船航迹向与地理北向的夹角，即舰船的主航向角(该角有别于艏摇角，由舰船操纵者提供)。得到地理坐标系t与半固定坐标系d的关系矩阵

进而得到载体坐标系b与半固定坐标系d之间的转换矩阵

$>C_b^d=C_t^d{C}_b^t$>

步骤4、系统利用陀螺和加速度计的输出，并利用已有的捷联惯性速度测量技术，得到地理坐标系t上，第n个采样点时，舰船实时速度信息(包括地理坐标系x轴上的速度v_x^t(n)，地理坐标系y轴上速度v_y^t(n)，地理坐标系z轴上速度v_z^t(n))。

步骤5、利用步骤3中的方向余弦矩阵C_t^d，将地理坐标系t上舰船实时速度信息通过坐标转化，得到半固定坐标系x轴上，第n个采样点时的速度信息v_x^d(n)，和半固定坐标系y轴上，第n个采样点时的速度信息v_y^d(n)。

步骤6、将半固定坐标系d下x轴上的速度信息v_x^d(n)和y轴上的速度信息v_y^d(n)进行一次积分，得到半固定坐标系d下，第n个采样点时总的位移量，即半固定坐标系d下y轴上总的位移量s_y^d(n)，以及半固定坐标系d下x轴上总的位移量s_x^d(n)。

$>s_y^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_y^d\left(k\right)$>

$>s_x^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_x^d\left(k\right)$>

其中k＝1，2，…n，v_x^d(k)表示半固定坐标系d下x轴上，第k个采样点时的速度信息；v_y^d(k)表示半固定坐标系d下y轴上，第k个采样点时的速度信息。v_x^d(k)与v_y^d(k)可以在第k个采样点时由步骤1到步骤5的过程测量得到并加以保存。h为光纤陀螺惯性测量系统的采样周期。

步骤7、对步骤6中得到的半固定坐标系d下总的位移量s_y^d(n)与s_x^d(n)进行滤波，得到舰船沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即舰船的纵荡信息和横荡信息

$>{\hat{s}}_y\left(n\right)=s_y^d\left(n\right)·\omega \left(n\right)$>

$>{\hat{s}}_x\left(n\right)=s_x^d\left(n\right)·\omega \left(n\right)$>

本发明还具有以下特征：

1、步骤7中选用高通数字FIR滤波器(参数可调)，选取凯塞窗为

$>\omega \left[n\right]=\frac{I_0\left[6\sqrt{1-{(\frac{2n}{N-1}-1)}^2}\right]}{70}$>

其中函数定义为：

$>I_0\left[x\right]=1+\underset{j=1}{\overset{20}{\Sigma }}{\left[\frac{{(x/2)}^j}{j!}\right]}^2$>

并且有

$>N=5.2\frac{f_s}{f}$>

其中f_s为采样频率，f为通带边缘频率。在选用高通滤波器的时应注意，通带边缘频率f应由不同海况和舰船特性决定，根据经验有：

货船(万吨级)          1/8～1/13Hz

客船(千吨～万吨级)    1/9～1/15Hz

驱逐舰                1/8～1/10Hz

护卫舰与巡逻艇        1/6～1/8Hz

2、如果要得到精确的舰船横荡、纵荡运动测量值，需要在引入高通滤波器之后稳定3分钟左右。