艦船升沉測量方法及其測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及艦船運動測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及艦船升沉測量方法及其測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 艦船在海上航行過程中，不可避免地會受到海浪和海風(fēng)等復(fù)雜海洋環(huán)境因素的擾 動，被動地產(chǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(yīng)用價值，比如艦載機(jī)的起降、艦載武器的發(fā)射、氣墊船登陸、鉆井平臺升沉補 償裝置的補償設(shè)計以及艦船補給等。
[0003] 目前，利用慣導(dǎo)和衛(wèi)星進(jìn)行組合導(dǎo)航容易實現(xiàn)艦船的高精度三維定位，可達(dá)米級 的絕對定位精度，但是在升沉應(yīng)用中往往要求厘米級的短時相對測量精度，這是常規(guī)組合 導(dǎo)航方法難以達(dá)到的。所以，艦船升沉運動測量還主要是依靠慣導(dǎo)。然而，由于慣導(dǎo)系統(tǒng)的 誤差累積和高度通道發(fā)散特性，導(dǎo)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(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實施例提供了艦船升沉測量方法及其測量系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī) 組合導(dǎo)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(jìn)行濾波處理，獲得 艦船的升沉加速度;對所述升沉加速度進(jìn)行積分處理，獲得艦船的粗升沉速度;對所述粗升 沉速度進(jìn)行濾波處理，獲得艦船的凈升沉速度;對所述凈升沉速度進(jìn)行積分處理，獲得艦船 的粗升沉位移;對所述粗升沉位移進(jìn)行濾波處理，獲得艦船的凈升沉位移。
[0006] 優(yōu)選地，步驟計算艦船的加速度具體為根據(jù)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(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的艦船的姿態(tài)陣列對 艦船的比力矢量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(fā)明實施例還提供了一種艦船升降測量系統(tǒng)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行濾波處理，獲得艦船的凈升沉位移。
[0010] 優(yōu)選地，所述加速度計算裝置根據(jù)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(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的艦船的姿態(tài)陣列對 艦船的比力矢量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(yōu)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(shù) 字濾波器，其傳遞函數(shù)均為Hh(z) = l-Hi(z)，其中，Ηι(ζ)為Butterworth型低通濾波器的傳 遞函數(shù)。
[0014] 優(yōu)選地，所述第一積分器和第二積分器的傳遞函數(shù)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(shù)，e是常數(shù)，z是變量。
[0015] 本發(fā)明實施例中，使用基于互補方法設(shè)計的與低通濾波器互補的高通濾波器，達(dá) 到了無時延高通濾波的效果。并對艦船的加速度進(jìn)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(jié)果表明，本發(fā)明的測量方法具有明顯的測量無時延和精度高優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本發(fā)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(jié)果曲線。
[0020] 圖4為本發(fā)明實施例提供的艦船升沉測量系統(tǒng)的組成示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022] 參照圖1，示例性的給出了本發(fā)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jù)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(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的艦船的姿態(tài)陣列對 艦船的比力矢量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的天向比力，《：：為哥式補償項，為地球自轉(zhuǎn)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(jié)，式（1)右端的地球自轉(zhuǎn)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(jìn)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(fā)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(jìn)行高通數(shù)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(yīng))高通濾波器，其傳遞函數(shù)為:Hh (ζ) = 1-Ηι(ζ)。其中，Ηι(ζ)為Butterworth型低通濾波器的傳遞函數(shù)。所述IIR高通濾波器是 通過設(shè)計傳統(tǒng)的低通濾波器Hi(z)間接實現(xiàn)的。當(dāng)Hi(z)的阻帶衰減足夠大時，m(z)對高頻 信號阻止性強(qiáng)；反過來看，根據(jù)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(tǒng)直接設(shè)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(shè)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(dāng)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(shù)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(shù)，一般選擇τ大 9 于艦船升沉運動中的最長升沉周期參數(shù)，e是常數(shù)，ζ是變量。
[0038]利用某型號光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)在艦船上進(jìn)行海試，慣導(dǎo)中陀螺的隨機(jī)常值漂移約為 〇.〇3°/h，加速度計的逐次啟動隨機(jī)常值偏值約為200yg(g = 9.8m/s2)。艦船大約以16節(jié)的 速度勻速航行，記錄下慣導(dǎo)的姿態(tài)陣信息以及原始加速度計采樣數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù) 據(jù)，以其輸出作為升沉位移精度的參考基準(zhǔn)。
[0039]圖3給出了試驗數(shù)據(jù)在580s~610s時間段內(nèi)