基于光纤陀螺的捷联惯导升沉算法研究

作     者：李帅锋 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘鹰

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：捷联惯导系统 升沉测量 数字滤波技术 自适应相位补偿 多重LPF单元 

摘      要：在海洋航行过程中,受风浪等因素的影响,舰船会产生垂直轴向的升沉运动,实时有效的升沉运动测量能够为舰载武器的发射、舰载机的起降、钻井平台升沉补偿装置、管道铺设船的平稳结构等提供参考,增加海洋行驶的安全性与可靠性,对现代航海技术与海洋工程的发展具有重要意义。本文首先提出了基于相位补偿方法的升沉测量方案,针对传统数字高通滤波器在升沉测量中造成相位超前误差的问题,提出了基于线性调频Z变换的相位补偿算法,设计自适应全通滤波器对高通滤波器的输出信号进行相位补偿。该方法能够输出实时的、高精度的升沉位移信息,但由于频谱分析得到的频率信息具有滞后特性,因此该方法存在一定的局限性。为了避免上述频率估计的滞后特性,提出了基于自适应频率估计的升沉测量方案,引入基于加权线性傅里叶组合的实时频率估计方法,对升沉加速度信号进行实时频率估计,并根据估计频率设计自适应相位补偿滤波器,该方案能够实现高精度的升沉测量,但其输出精度受频率估计结果影响较大。针对上述算法的缺陷,本文最终提出了基于多重LPF单元的升沉测量方案,方案中采用反向思维,根据信号叠加的原理与低频误差项缓慢变化的特点,忽略了低通滤波器的相位误差对缓慢变化项的影响。此外还深入分析了滤波器的阶数、重数的选取。该方案结构简单、不受频率估计影响、算法效率高、计算量小并且能够输出较高精度的升沉位移信息。本文设计了升沉台实验,选用两个不同型号的光纤捷联惯导系统进行了测试,利用升沉台数据对三种算法都进行了可行性验证,实验结果表明高精度的光纤捷联惯导系统的升沉位移精度均能达到0.01m以内,较低精度的光纤捷联惯导系统的升沉位移精度在0.02m以内。经过算法间的具体分析与比较,基于多重LPF单元的升沉测量方案具有输出精度高、算法效率高、局限性较小等优点,适用于实际工程应用环境。