基于惯性技术的舰船瞬时线运动测量方法研究

发布时间：2020-06-09 23:18

【摘要】：传统惯性导航系统可以给出舰船高精度姿态,速度和位置信息。随着深海开发与利用,舰船现有功能并不能满足当今海洋技术发展要求。受海洋环境的影响,舰船在航行时会产生包括横荡、纵荡、垂荡三个正交方向的瞬时线运动。瞬时线运动的准确测量对舰船具有非常重要的实际意义。其中垂荡(升沉)信息对航母舰载机、钻井平台等海洋运载器具有更重要的现实意义。本文将重点关注升沉测量的研究方法。当前,利用捷联惯导系统中加速度计输出的比力信息,消除有害误差,二次积分后便可以获得地理坐标系下三个轴向的位移信息。惯导系统中,舒勒振荡等常见信号干扰和垂向通道发散始终是瞬时线运动测量不可避免的问题。为了降低干扰信号的影响,本文利用高通滤波器提取瞬时线运动信息。给出IIR高通滤波器和FIR滤波器的基本原理和设计方法。设计匹配的巴特沃斯滤波器参数(截止频率,滤波器类型和滤波器阶数等),仿真验证滤波器对低频信号抑制作用。利用惯性设备静态试验和人工抬动实验,对惯性测量组件输出的升沉信息进行离线解算。对比PHINS输出的升沉值,选择最优的截止频率,计算升沉的幅值与相位的误差。捷联惯导设备在实际使用中其安装位置与舰船重心位置通常不重合。舰船摇摆引起杆臂效应,升沉信息的测量造成很大的误差。为了减小误差,提高舰船重心处升沉的测量精度,本文设计了外杆臂引起的升沉补偿算法。该算法将在载体坐标系下的杆臂坐标转换至地理坐标系,推导杆臂与诱导升沉的关系。给出姿态角、杆臂与诱导升沉之间数学表达式以及诱导升沉对舰船重心处总升沉的误差影响。给出姿态误差和杆臂误差对总升沉误差数学表达式。根据结论提供减小诱导升沉的方法与措施。设计的高通滤波器会带来相位信息不匹配问题。为了解决巴特沃斯高通滤波器相位超前问题,本文采用傅里叶拟合及其衍生算法对升沉运动频率进行近似估计。根据每个算法的缺点,逐步改进算法的代数模型。最后建立单一信号和多元信号仿真模型,对算法进行计算机仿真,对比四种算法的优缺点,分析各个算法适用的条件。仿真结果表明算法拟合精度高,傅里叶拟合算法适用于瞬时线运动测量。
【图文】：

结构图,垂向通道,结构图,状态

的不稳定性知捷联惯导垂向速度解算方程:(2 ) (2 )n n n n n n n nz z iey eny x iex enx yV = f + ω + ω v ω + ωv g31)确定0 eg = g (1 2h / R )面重力加速度。h为高度。(2 ) (2 )z n n n n n nb iey eny x iex enx ya = ω + ω v ω + ωv0 e(1 2 / R )n n zz z bV = f a g h捷联惯导系统垂向解算状态结构图。如图 2.2 所示。++Bza11++0hh

测量点,重心,杆臂效应

可以称作是外杆臂效应。舰船瞬时线运动也会存在同样外杆臂效应。之前此类研究都将运载体和惯性仪器看成一体，并没有考虑仪器与重心不重合或者安装误差存在的情况。如图2.4所示，若SIMU（惯性测量元件）没有放置于载体重心（图 2.4COG 处），由于横摇的影响，则重心处升沉与此时 SIMU（图 2.4 INS 处）解算的升沉值不同。即不同点的升沉大小不同。例如静海系泊情况下（重心处升沉量为 0），船舶转弯，横摇在 10 秒内由 0 度升到 10 度，SIMU 放置于沿载体轴 XV2 轴[17]（位于基面且垂直于船舶中线面）10m 处。此时 SIMU处的升沉为式__INS COG COG INSHeave = Heave + Heave ind(2-37)图 2.4 不同测量点的升沉值而通常需要获取舰船重心处的升沉值COGHeave ，，显然如果不考虑杆臂存在，把 SIMU输出的升沉值INSHeave 当作重心点的升沉COGHeave ，则获得的升沉值大于需求的真实升沉值，存在误差。2.5 本章小结本章第一部分介绍了捷?
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.70

【参考文献】