專利名稱：：基于光纖慣性測量系統的艦船升沉運動測量方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種測量艦船升沉運動的方法，具體地說是在沒有外界信息幫助下，利用系統的姿態信息與加速度計輸出信息，自主測量艦船的升沉運動的即時位移地方法。
背景技術：
：應用于艦船的慣性測量系統是由慣性測量組件和導航計算機組成，它實時地測量艦船的位置信息以及艦船的姿態信息。由于其在測量過程中不需要任何外部信息，也不向外輻射能量，自主性強，隱蔽性好，測量精度高且具有實時性，所以它被廣泛地應用各類艦船的導航系統中，并發揮著重要作用，在國防建設中具有重要意義和巨大的經濟效益。慣性測量技術是一項發展較為成熟、精度較高、穩定性優良的自主導航技術，在軍用和民用領域都發揮著越來越重要的作用。原有的慣性測量系統可以測得艦船的位置、速度、姿態信息，但并不能測出升沉運動的距離量。由于海況復雜，這種由海浪引起的運動已經成為艦船運動中重要的一部分，在船舶多種海上作業中均會產生影響。艦船升沉運動信息可用于艦載機的起落、武器發射、船舶靠港入岸等領域，還可以增強艦船的操縱性。在以往的方法中，為艦船操縱者提供艦船升沉運動信息多是通過海浪監測、船舶運動建模等手段完成。這種方法中，由于模型復雜，運算量大，其間不可避免的簡化過程會帶來較大的誤差，并不能真實有效的反應艦船六自由度(橫搖、縱搖、艏搖、升沉、縱蕩、橫蕩)運動信息。如果慣性測量系統在提供艦船三個姿態信息基礎上，還能夠提供三個軸向平動(橫蕩、縱蕩及升沉)中對艦船影響最大的升沉運動信息，那么就可以規避建模復雜問題，實現對艦船任意時刻的四自由度(同樣方法可推廣得到六自由度)信息同步、真實的測量，為操縱者提供準確及時地參考量。
發明內容本發明的目的在于提供一種能夠提高艦船的可操縱性、完善導航信息內容的基于光纖慣性測量系統的艦船升沉運動測量方法。本發明的目的是這樣實現的主要包括如下實施步驟步驟1、實時采集光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱后的光纖陀螺和各軸加速度計的輸出數據；步驟2、利用導航計算機中的已有方法，經過初始對準后，得到較為精確的艦船實時姿態信息(橫搖角a，縱搖角P，俯仰角Y)，進一步得到載體坐標系b與地理坐標系t的關系矩陣cos^cosy-sin"sin郎iny-cosasinysin^cosy+cos/7sincrsinyCj=cos-siny+sii^0sincrcosy咖oxosysinj3siny-咖-sinacosy—sin/7coscrsinacos/7cosor步驟3、根據艦船行使操控時設定的航向，得到艦船的主航向角P，得到半固定坐3標系D與地理坐標系t的關系矩陣(^，進而得到載體坐標系與半固定坐標系之間的關系矩陣O;步驟4、結合步驟3中的關系矩陣CbD，將由傳感器測的載體坐標系下三個軸向的加速度通過坐標轉化，得到半固定坐標系下垂直軸方向的平動加速度a/;步驟5、將半固定坐標系下的垂直軸方向平動加速度進行一次積分，采樣時間間隔為h，得到該坐標系下第N個采樣點的速度量根據海浪情況的不同設置截止頻率，截止頻率"。要大于海浪頻率的5倍，對速度量/進行濾波處理，得到速度量v=vD*H(jwc)進而得到每個時刻的半固定坐標系下的垂直軸方向平動即升沉的速度Vi;步驟7、將半固定坐標系垂直軸方向平動速度值進行積分，得到半固定坐標系下垂直軸方向平動位移值即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。本發明技術具有以下優點在不增加新的傳感器，不需要外部信息的情況下，利用艦船中安裝的中高精度光纖慣性系統輸出的姿態信息和加速度信息，實時的真實的提供艦船升沉運動信息，增強原有慣性測量系統功能。對本發明的有益效果通過如下多種動態條件下利用高精度光纖陀螺慣性系統針對垂直軸平動信息即升沉運動的測量試驗結果加以驗證。試驗條件(1)光纖陀螺捷聯慣性系統器件精度陀螺常值漂移為0.01度/小時，加速度計的隨機常值偏置為0.OOOlg。(2)平臺可以模擬規則海浪周期運動以及瞬時運動。試驗結果單次試驗時間視不同的運動模式而定。利用四自由度轉臺(可模擬升沉、橫搖、縱搖、艏搖運動)系統模擬艦船升沉周期運動，以及瞬時平動。選取高精度光纖陀螺捷聯慣性系統，將其安裝與轉臺臺面上，模擬艦船運動。分別進行振蕩幅值為0.2米、振蕩周期1.5秒的升沉測量，振蕩幅值為0.6米、振蕩周期15秒的升沉測量，以及瞬時0.2米平動的實驗。實驗所得結果證明對于周期運動的測量結果誤差低于2%(I實測值-真實值/真實值)，瞬時運動的誤差在5%以下。測量值的延遲時間較短，可以忽略不計。圖1基于光纖捷聯慣性測量系統的艦船升沉運動測量技術流程圖。圖2平臺振蕩幅值為0.2米、振蕩周期1.5秒的升沉運動時本方法的測量結果。,(W)=》"W=1,2,3,...,A0;步驟6、選用高通濾波器s,(W)=》，*/('.=l，2,3，.."A04圖3平臺振蕩幅值為0.6米、振蕩周期15秒的升沉運動時本方法的測量結果。圖4平臺平動距離為0.2米，瞬時下降時本方法的測量結果。具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述本實施方式中，將艦船捷聯慣性系統安裝在艦船中心位置，選取精度較高的光纖陀螺作為其主要元器件。結合圖l，艦船升沉運動測量的具體實施步驟如下步驟1、將光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱后，實時采集其光纖陀螺和各軸加速度計輸出數據。預熱時間根據具體系統設定。步驟2、利用導航計算機中的已有方法，經過初始對準后，得到較為精確的艦船實時姿態信息(俯仰角a、橫滾角P、艏搖角Y，均為小角度)，進一步得到，載體坐標系b與地理坐標系t的關系矩陣步驟3、根據艦船行使操控時設定的航向，確定艦船的主航向角p(該角有別于航向角，是由艦船操縱者提供)。得到半固定坐標系D與地理坐標系t的關系矩陣CtD。進而得到載體坐標系與半固定坐標系之間的關系矩陣Cf=CfC:。步驟4、結合步驟3中的方向余弦矩陣CbD，將由傳感器測的載體坐標系下三個軸向的加速度通過坐標轉化，得到半固定坐標系下垂直軸方向的平動加速度a/。步驟5、將半固定坐標系下的垂直軸方向平動加速度進行一次積分，采樣時間間隔為h，得到該坐標系下第N個采樣點的速度量根據海浪情況的不同設置截止頻率，截止頻率"。要大于海浪頻率的5倍，對速度量/進行濾波處理，得到速度量v=vD*H(jwc)進而得到每個時刻的半固定坐標系下的垂直軸方向平動(升沉)的速度Vi。步驟7、將半固定坐標系垂直軸方向平動速度值進行積分，得到半固定坐標系下垂直軸方向平動位移值即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。本發明還可以包括如下特征1)所得到的艦船升沉信息(垂直軸向平動信息)與光纖捷聯慣性系統傳感器精度相關性較大，也就是說需要的系統精度尤其是其傳感器達到中等精度以上水平。(豐2X，-1,2,3，…,步驟6、選用高通濾波器A(A0=^>,*W=U,3,.."W)2)如果要得到精確的艦船升沉運動測量值，需要在引入高通濾波器之后穩定5分鐘左右。3)如果艦船以周期振蕩形式進行升沉往復運動，該測量系統會得準確的呈周期性的量測值。如果艦船沿半固定坐標系的垂直軸方向進行短距離平移運動，該測量系統會輸出以起始o點為基準的瞬時升沉值，然后逐漸歸零(如圖4)。歸零時間與選取的濾波器的截止頻率"。有關。權利要求一種基于光纖慣性測量系統的艦船升沉運動測量方法，其特征是包括如下實施步驟步驟1、實時采集光纖陀螺捷聯慣性系統充分預熱后的光纖陀螺和各軸加速度計的輸出數據；步驟2、利用導航計算機中的已有方法，經過初始對準后，得到較為精確的艦船實時姿態信息即橫搖角α、縱搖角β、俯仰角γ，進一步得到載體坐標系b與地理坐標系t的關系矩陣<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>+</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>sin</mi><mi></mi><mi>α</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mtd><mtd><mi>sin</mi><mi>α</mi></mtd><mtd><mi>cos</mi><mi></mi><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>;</mo></mrow>步驟3、根據艦船行使操控時設定的航向，得到艦船的主航向角得到半固定坐標系D與地理坐標系t的關系矩陣CtD，進而得到載體坐標系與半固定坐標系之間的關系矩陣步驟4、結合步驟3中的關系矩陣，將由傳感器測的載體坐標系下三個軸向的加速度通過坐標轉化，得到半固定坐標系下垂直軸方向的平動加速度aiD；步驟5、將半固定坐標系下的垂直軸方向平動加速度進行一次積分，采樣時間間隔為h，得到該坐標系下第N個采樣點的速度量<mrow><msup><mi>v</mi><mi>D</mi></msup><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msubsup><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>D</mi></msubsup><mo>*</mo><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>步驟6、選用高通濾波器<mrow><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>jω</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mrow>根據海浪情況的不同設置截止頻率ωc，對速度量vD進行濾波處理，得到速度量v＝vD*H(jωc)進而得到每個時刻的半固定坐標系下的垂直軸方向平動即升沉的速度vi；步驟7、將半固定坐標系垂直軸方向平動速度值進行積分，得到半固定坐標系下垂直軸方向平動位移值<mrow><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>v</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>即艦船操作者需要的艦船的升沉位移值。2.根據權利要求1所述的基于光纖慣性測量系統的艦船升沉運動測量方法，其特征是所述根據海浪情況的不同設置截止頻率是截止頻率O。大于海浪頻率的5倍。全文摘要本發明提供的是一種基于光纖慣性測量系統的艦船升沉運動測量方法。實時采集光纖陀螺捷聯慣性系統的輸出數據；得到載體坐標系b與地理坐標系t的關系矩陣；得到載體坐標系與半固定坐標系之間的關系矩陣；得到半固定坐標系下垂直軸方向的平動加速度；得到該坐標系下第N個采樣點的速度量；對速度量進行濾波處理；得到半固定坐標系下垂直軸方向平動位移值。本發明利用現有的慣性測量系統，通過一定的量測方法，提供艦船升沉運動信息，從而提高艦船的可操縱性、完善導航信息內容。文檔編號G01C21/18GK101694390SQ20091007307公開日2010年4月14日申請日期2009年10月20日優先權日2009年10月20日發明者周廣濤,奔粵陽,張義,張鑫,徐博,曹冰,李仔冰,柴永利,郝燕玲,龔晶申請人:哈爾濱工程大學;