专利名称：：基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种测量船舶横荡、纵荡运动的方法。
背景技术：
：船舶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，它能够提供船舶的姿态、速度以及位移信息。船舶的位移量按频率域分解可以分为由船舶机动引入的低频分量(船舶的机动较为平缓)，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，包括描述船舶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)为沿着船舶的右舷方向的轴向平动信息量，纵荡(纵移)为沿着船舶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，其对于船舶三个姿态信息(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船舶总的位移信息量(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；船舶进入港口靠岸时横荡、纵荡平动信息对于船舶驾驶者有着重要的参考作用。海上船舶补给物资时被补给船舶与补给船舶需要运动状态同步，测量出横荡、纵荡平动信息对保证补给系统在两艘船舶之间正常且有效地工作意义重大。因此，横荡、纵荡平动信息作为船舶重要的状态信息，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复杂海况条件下测量舰船横荡、纵荡运动的基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法。本发明的目的是这样实现的本发明基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法，其特征是(1)对船用光纤陀螺捷联惯性系统充分预热，并实时采集光纤陀螺和加速度计的输出信号；(2)利用光纤陀螺和加速度计的输出，得到船舶实时姿态信息，包括纵摇角α、横摇角β、艏摇角Y，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-sinβsinαsinγC12=-cosαsinγC13=sinβcosγ+cosβsinαsinγC21=cosβsinγ+sinβsinαcosγC22=cosαcosγ；C23=sinβsinγ-cosβsinαcosγC31=-sinβcosαC32=sinαCoo=cosβcosα(3)由船舶航行操控时设定的船舶航迹向与地理北向的夹角，即船舶的主航向角φ，得到地理坐标系t与半固定坐标系d的关系矩阵cosφsinρ0-sin^cosφO001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/；(4)利用陀螺和加速度计的输出，得到地理坐标系t上第η个采样点时船舶实时速度信息，包括地理坐标系X轴上的速度<[n)，地理坐标系y轴上速度·<[n)，地理坐标系ζ轴上速度(5)利用矩阵C/，将地理坐标系t上船舶实时速度信息通过坐标转化，得到半固定坐标系X轴上第η个采样点时的速度信息和半固定坐标系y轴上第η个采样点时的速度信息<()(6)将半固定坐标系d下χ轴上的速度信息<(Π)和y轴上的速度信息进行一次积分，得到半固定坐标系d下第η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<()，以及半固定坐标系d下χ轴上总的位移量<…)其中k=1，2，...11，<(巧表示半固定坐标系d下χ轴上第k个采样点时的速度fi息，ν;⑷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，<的与<⑷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；(7)对步骤(6)中得到的半固定坐标系d下总的位移量<()与<()进行滤波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即船舶的纵荡信息尽(《)和横荡信息乞㈨，选用高通数字FIR滤波器，选取凯塞窗为其中函数定义为并且有其中fs为采样频率，f为通带边缘频率。本发明的优势在于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。图1为本发明的流程图；图2为实施方式1未滤波时的水平轴向位移测量相关值；图3为实施方式1采用经过本发明方法测得的横荡、纵荡运动信息。具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1，本发明基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法分以下步骤(1)对船用光纤陀螺捷联惯性系统充分预热，并实时采集光纤陀螺和加速度计的输出信号；(2)利用光纤陀螺和加速度计的输出，得到船舶实时姿态信息，包括纵摇角α、横摇角β、艏摇角Y，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(3)由船舶航行操控时设定的船舶航迹向与地理北向的夹角，即船舶的主航向角φ，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/=00；(4)利用陀螺和加速度计的输出，得到地理坐标系t上第η个采样点时船舶实时速度信息，包括地理坐标系χ轴上的速度<(η)，地理坐标系y轴上速度<(…，地理坐标系ζ轴上速度(5)利用矩阵C/，将地理坐标系t上船舶实时速度信息通过坐标转化，得到半固定坐标系X轴上第Π个采样点时的速度信息和半固定坐标系y轴上第η个采样点时的速度信息(6)将半固定坐标系d下χ轴上的速度信息<…)和y轴上的速度信息<(^)进行一次积分，得到半固定坐标系d下第η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<(…，以及半固定坐标系d下χ轴上总的位移量其中k=1，2，...n，<(O表示半固定坐标系d下χ轴上第k个采样点时的速度信息，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，<&)与<㈨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；(7)对步骤(6)中得到的半固定坐标系d下总的位移量<()与<()进行滤波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即船舶的纵荡信息冬(《)和横荡信息夂(《),sy(n)=sdy(n)-a(n)9sx(n)=sdx(η)·ω(η)选用高通数字FIR滤波器，选取凯塞窗为rη4南-们其中函数定义为/oW=I+Di^]2'J='J!并且有"=5.2,，其中fs为采样频率，f为通带边缘频率，通带边缘频率f由不同海况和船舶特性决定，一般有货船(万吨级)1/8l/13Hz，客船(千吨万吨级)1/9l/15Hz。实施方式1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)模拟船舶周期性横荡、纵荡运动。选取高精度光纤陀螺惯性测量系统，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.OOOlgo将其安装与转台台面上，模拟船舶运动。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。如图2、图3所示，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I实测值-真实值I/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。权利要求基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法，其特征是(1)对船用光纤陀螺捷联惯性系统充分预热，并实时采集光纤陀螺和加速度计的输出信号；(2)利用光纤陀螺和加速度计的输出，得到船舶实时姿态信息，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<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>C</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>其中C11＝cosβcosγ-sinβsinαsinγC12＝-cosαsinγC13＝sinβcosγ+cosβsinαsinγC21＝cosβsinγ+sinβsinαcosγC22＝cosαcosγ；C23＝sinβsinγ-cosβsinαcosγC31＝-sinβcosαC32＝sinαC33＝cosβcosα(3)由船舶航行操控时设定的船舶航迹向与地理北向的夹角，即船舶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(4)利用陀螺和加速度计的输出，得到地理坐标系t上第n个采样点时船舶实时速度信息，包括地理坐标系x轴上的速度地理坐标系y轴上速度地理坐标系z轴上速度(5)利用矩阵将地理坐标系t上船舶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和半固定坐标系y轴上第n个采样点时的速度信息(6)将半固定坐标系d下x轴上的速度信息和y轴上的速度信息进行一次积分，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轴上总的位移量以及半固定坐标系d下x轴上总的位移量<mrow><msubsup><mi>s</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msubsup><mi>v</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow><mrow><msubsup><mi>s</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msubsup><mi>v</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>其中k＝1，2，...n，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，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，与可以在第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；(7)对步骤(6)中得到的半固定坐标系d下总的位移量与进行滤波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即船舶的纵荡信息和横荡信息<mrow><msub><mover><mi>s</mi><mo>^</mo></mover><mi>y</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>s</mi><mi>y</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow><mrow><msub><mover><mi>s</mi><mo>^</mo></mover><mi>x</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>s</mi><mi>x</mi><mi>d</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>选用高通数字FIR滤波器，选取凯塞窗为<mrow><mi>ω</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>[</mo><mn>6</mn><msqrt><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>]</mo></mrow><mn>70</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>其中函数定义为<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>20</mn></munderover><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><mi>j</mi></msup><mrow><mi>j</mi><mo>!</mo></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo></mrow>并且有<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>5.2</mn><mfrac><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub><mi>f</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>其中fs为采样频率，f为通带边缘频率。FSA00000177100300012.tif,FSA00000177100300013.tif,FSA00000177100300014.tif,FSA00000177100300015.tif,FSA00000177100300016.tif,FSA00000177100300017.tif,FSA00000177100300018.tif,FSA00000177100300021.tif,FSA00000177100300022.tif,FSA00000177100300023.tif,FSA00000177100300024.tif,FSA00000177100300025.tif,FSA00000177100300026.tif,FSA00000177100300027.tif,FSA000001771003000210.tif,FSA000001771003000211.tif,FSA000001771003000212.tif,FSA000001771003000213.tif,FSA000001771003000214.tif,FSA000001771003000215.tif,FSA000001771003000216.tif,FSA000001771003000217.tif全文摘要本发明的目的在于提供基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法。实时采集光纤陀螺和加速度计的输出信号，得到船舶实时姿态信息，从而构成载体坐标系与地理坐标系的关系矩阵，由船舶的主航向角得到载体坐标系与半固定坐标系之间的转换矩阵，利用输出信号得到地理坐标系上第n个采样点时船舶实时速度信息，通过坐标转化得到半固定坐标系x轴和y轴上第n个采样点时的速度信息，将上述速度信息进行积分，得到半固定坐标系下第n个采样点时总的位移量以及半固定坐标系下x轴上总的位移量，对上述位移量进行滤波，得到船舶的纵荡信息和横荡信息。本发明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。文档编号G01C21/10GK101881620SQ201010209309公开日2010年11月10日申请日期2010年6月25日优先权日2010年6月25日发明者于飞,奔粤阳,李倩,高伟,龚晶申请人:哈尔滨工程大学