艦船升沉測量方法及其測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及艦船運動測量技術領域，特別涉及艦船升沉測量方法及其測量系統。
【背景技術】
[0002] 艦船在海上航行過程中，不可避免地會受到海浪和海風等復雜海洋環境因素的擾 動，被動地產生六自由度的搖蕩運動，包括三個角運動：縱搖、橫搖和艏搖，以及三個線運 動:橫蕩、縱蕩和垂蕩（即升沉），其中縱橫搖和升沉運動對艦船的影響和危害最大。艦船一 般體型大并且噸位重，其加減速和轉向都需要較長時間，這些主動航行運動通常被視為低 頻運動，周期在30s以上;相比而言，被動的搖蕩運動是與海浪運動頻率大體一致的往復運 動，可視為高頻運動，周期通常在l〇s左右。在許多場合，艦船升沉信息的實時精確測量具有 非常重要的應用價值，比如艦載機的起降、艦載武器的發射、氣墊船登陸、鉆井平臺升沉補 償裝置的補償設計以及艦船補給等。
[0003] 目前，利用慣導和衛星進行組合導航容易實現艦船的高精度三維定位，可達米級 的絕對定位精度，但是在升沉應用中往往要求厘米級的短時相對測量精度，這是常規組合 導航方法難以達到的。所以，艦船升沉運動測量還主要是依靠慣導。然而，由于慣導系統的 誤差累積和高度通道發散特性，導致其不適合于精確測量長周期的位移變化，只能用于測 量短周期的相對運動。
【發明內容】
[0004] 本發明實施例提供了艦船升沉測量方法及其測量系統，用以解決現有技術中常規 組合導航方法測量精度較低的問題。
[0005] 艦船升沉測量方法，包括:計算艦船的加速度;對所述加速度進行濾波處理，獲得 艦船的升沉加速度;對所述升沉加速度進行積分處理，獲得艦船的粗升沉速度;對所述粗升 沉速度進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉速度;對所述凈升沉速度進行積分處理，獲得艦船 的粗升沉位移;對所述粗升沉位移進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉位移。
[0006] 優選地，步驟計算艦船的加速度具體為根據以下公式(1)計算艦船的加速度：
[0008] 式（1)中，f為艦船的加速度，為利用捷聯慣導系統獲得的艦船的姿態陣列對 艦船的比力矢量進行坐標轉換后得到的天向比力，gn為艦船所處位置的重力加速度。
[0009] 本發明實施例還提供了一種艦船升降測量系統，包括加速度計算裝置，用于計算 艦船的加速度；第一高通濾波器，用于對所述加速度進行濾波處理，獲得艦船的升沉加速 度;第一積分器，用于對所述升沉加速度進行積分處理，獲得艦船的粗升沉速度;第二高通 濾波器，用于對所述粗升沉速度進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉速度;第二積分器，用于 對所述凈升沉速度進行積分處理，獲得艦船的粗升沉位移;第三高通濾波器，用于對所述粗 升沉位移進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉位移。
[0010] 優選地，所述加速度計算裝置根據以下公式(2)計算艦船的加速度：
[0012] 式⑵中j "為艦船的加速度，qyj為利用捷聯慣導系統獲得的艦船的姿態陣列對 艦船的比力矢量進行坐標轉換后得到的天向比力，gn為艦船所處位置的重力加速度。
[0013] 優選地，所述第一高通濾波器、第二高通濾波器和第三高通濾波器均為IIR高通數 字濾波器，其傳遞函數均為Hh(z) = l-Hi(z)，其中，Ηι(ζ)為Butterworth型低通濾波器的傳 遞函數。
[0014] 優選地，所述第一積分器和第二積分器的傳遞函數均為 其中，Ts 為離散化積分步長，即采樣周期，τ為慣性時間常數，e是常數，z是變量。
[0015] 本發明實施例中，使用基于互補方法設計的與低通濾波器互補的高通濾波器，達 到了無時延高通濾波的效果。并對艦船的加速度進行三次高通濾波和兩次積分獲得艦船的 升沉位移。海試試驗的結果表明，本發明的測量方法具有明顯的測量無時延和精度高優點。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發明發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本發明發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提 下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本發明實施例提供的艦船升沉測量方法的步驟流程圖；
[0018]圖2為圖1中高通濾波器的幅相特性曲線。
[0019] 圖3為使用圖1中方法的試驗結果曲線。
[0020] 圖4為本發明實施例提供的艦船升沉測量系統的組成示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0022] 參照圖1，示例性的給出了本發明實施例提供的艦船升沉測量方法流程示意圖，該 方法包括以下步驟：
[0023]步驟100,加速度計算裝置計算艦船的加速度；
[0024]步驟101，第一高通濾波器對所述加速度進行濾波處理，獲得艦船的升沉加速度； [0025]步驟102,第一積分器對所述升沉加速度進行積分處理，獲得艦船的粗升沉速度； [0026]步驟103,第二高通濾波器對所述粗升沉速度進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉速 度；
[0027]步驟104,第二積分器對所述凈升沉速度進行積分處理，獲得艦船的粗升沉位移； [0028]步驟105,第三高通濾波器對所述粗升沉位移進行濾波處理，獲得艦船的凈升沉位 移。
[0029]在步驟100中，所述加速度計算裝置根據以下公式(1)計算艦船的加速度：
[0031]式（1)中，為艦船的加速度，為利用捷聯慣導系統獲得的艦船的姿態陣列對 艦船的比力矢量進行坐標轉換后得到的天向比力，《：：為哥式補償項，為地球自轉速度， ，為艦船航速，gn為艦船所處位置的重力加速度。
[0032] 一般情況下，艦船的航行速度不高，比如小于30節，式（1)右端的地球自轉速度和 哥氏補償項可忽略不計，簡化為式(2):
[0034]取式（2)中艦船的加速度1)"的天向分量即為艦船在垂蕩方向上艦船的加速度，即 升沉加速度。由于加速度計測量中存在零偏誤差和噪聲，若僅僅是進行簡單的積分運算，解 得的天向速度和位移會隨時間緩慢發散。因此，需要濾除加速度、速度和位移中的低頻成分 影響而僅保留高頻成分，即進行高通數字濾波處理，才能獲得有用的艦船升沉運動信息。 [0035] 步驟101、103和105中分別使用的第一高通濾波器、第二高通濾波器和第三高通濾 波器均為IIR( Inf ini te Impulse Response，無限脈沖響應)高通濾波器，其傳遞函數為:Hh (ζ) = 1-Ηι(ζ)。其中，Ηι(ζ)為Butterworth型低通濾波器的傳遞函數。所述IIR高通濾波器是 通過設計傳統的低通濾波器Hi(z)間接實現的。當Hi(z)的阻帶衰減足夠大時，m(z)對高頻 信號阻止性強；反過來看，根據互補性可知H h(z)恰好能夠讓高頻信號暢通無阻，并且時延 很小可忽略不計。由此可見，與傳統直接設計高通濾波器相比，H h(z)能有效地避免了時延 問題的影響。
[0036]如圖2所;^，為IIR尚通濾波器的幅相特性曲線，其中，曲線a為幅頻特性曲線，曲線 b為相頻特性曲線。由圖2可知，利用互補法設計的高通濾波器在高頻段（>0.02Hz)相位滯 后近似為零，即幾乎不存在時延。當然，互補法濾波器在阻通過渡帶的幅頻特性不夠理想， 圖中大約在0.005Hz處存在峰值4dB的增益，這是以高頻段的相頻特性改善為代價的。
[0037]步驟102和104中分別使用的第一積分器和第二積分器的傳遞函數均為：
其中，Ts為離散化積分步長，即采樣周期，τ為慣性時間常數，一般選擇τ大 9 于艦船升沉運動中的最長升沉周期參數，e是常數，ζ是變量。
[0038]利用某型號光纖慣導系統在艦船上進行海試，慣導中陀螺的隨機常值漂移約為 〇.〇3°/h，加速度計的逐次啟動隨機常值偏值約為200yg(g = 9.8m/s2)。艦船大約以16節的 速度勻速航行，記錄下慣導的姿態陣信息以及原始加速度計采樣數據，作事后升沉運動處 理和分析。為了對比提升沉運動處理算法的精度，這里同時使用Matlab中的零相位濾波器 函數filtfilt(即無時延濾波器，它不能用于實時處理而只能作為事后處理使用）處理數 據，以其輸出作為升沉位移精度的參考基準。
[0039]圖3給出了試驗數據在580s~610s時間段內