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基于惯导的船舶纵横摇及升沉测量关键技术研究

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基于惯导的船舶纵横摇及升沉测量关键技术研究

作者：张彭江苏科技大学

学位级别：硕士

随着人类对海洋资源的开发,船舶是必不可少的工具。但是海洋环境变化莫测,会使船舶产生六自由度的运动,其中纵横摇和升沉运动对船舶作业时的影响最大。对船舶纵横摇和升沉运动的准确测量,是可以使船舶在海面上保持平稳状态的重要前提,... 详细信息

随着人类对海洋资源的开发,船舶是必不可少的工具。但是海洋环境变化莫测,会使船舶产生六自由度的运动,其中纵横摇和升沉运动对船舶作业时的影响最大。对船舶纵横摇和升沉运动的准确测量,是可以使船舶在海面上保持平稳状态的重要前提,提高了船舶的安全性和实用性,具有实际工程意义。所以本文针对船舶纵横摇和升沉运动测量技术从以下几个方面进行了研究:(1)从捷联惯导系统的理论部分出发,介绍了基于惯导的船舶纵横摇测量以及升沉测量的原理;从惯导系统的误差方程出发,得到了影响船舶纵横摇运动测量不准确的因素;从舒勒振荡和高度通道的不稳定性出发,得出了影响升沉运动测量不准确的因素。最后详细描述了如何在实验平台上对船舶纵横摇测量以及升沉测量进行实验验证。(2)利用扩展卡尔曼滤波对船舶纵横摇进行测量。首先阐述了船舶纵横摇测量算法总体方案。其次为了得到无误的解算纵横摇的原始信息,构建加速度计和陀螺仪误差模型,并进行误差标定实验。然后介绍了分别利用陀螺仪和加速度计单独进行姿态解算的原理,并进行了姿态实验验证。最后介绍了标准卡尔曼滤波的原理,由于单独的角度解算算法都有各自的缺陷,使用卡尔曼滤波进行数据融合,实现了互补性。由于卡尔曼滤波在非线性上的不准确性,给出了四元数扩展卡尔曼滤波的姿态模型并进行了实验验证,实验结果验证了基于四元数卡尔曼滤波的算法能够对船舶的纵摇角和横摇角进行精准的测量。(3)利用数字高通滤波器对船舶升沉进行测量。首先介绍了如何利用模拟低通滤波器实现数字高通滤波器的设计。为了得到用于升沉测量的最佳滤波器,通过进行不同阶数和截止频率的实验来确定出最佳滤波器。但是设计得到最佳滤波器由于自身的特性,具有相位超前的误差,影响船舶升沉测量的实时性,所以利用互补的思想,设计出高通无延时的互补高通滤波器来提升实时性,最后通过实验来验证了其有效性。(4)利用自适应波器对船舶升沉进行测量。虽然互补高通滤波器可以解决相位超前的问题,但是其参数固定,当海况发生变化时,其滤波效果减弱,所以又改进设计了自适应无时延数字高通滤波器,首先构建了船舶升沉运动模型并对升沉运动进行频域分析。然后在对滤波器误差和传感器误差分析的基础上,得到自适应滤波器的最佳截止频率并设计出自适应无时延数字高通滤波器。并仿真各级海况实验和进行平台实验,固定参数互补型滤波器处理得到的最大误差和均方差是自适应无时延数字高通滤波器处理结果的一倍以上。

关键词：捷联惯导系统纵横摇测量卡尔曼滤波升沉测量自适应数字滤波

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基于惯导解算的舰船升沉测量技术

仪器仪表学报 2012年第1期33卷 167-172页

作者：孙伟孙枫辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院阜新123000 哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001

针对舰船升沉运动对其自身操纵性的影响,提出一种利用捷联惯导系统测量舰船升沉的方法。给出了船体升沉的具体定义,分析了捷联惯导系统解算过程对舰船升沉测量的影响,总结了测量升沉运动的具体实施方案并提出利用数字高通滤波器完成对... 详细信息

针对舰船升沉运动对其自身操纵性的影响,提出一种利用捷联惯导系统测量舰船升沉的方法。给出了船体升沉的具体定义,分析了捷联惯导系统解算过程对舰船升沉测量的影响,总结了测量升沉运动的具体实施方案并提出利用数字高通滤波器完成对海浪等高频扰动的分离。结合舰船工作环境设计了多运动条件下的升沉仿真实验,结果表明:所提出的舰船升沉测量方案可较为准确地得到载体升沉信息并具有较高的工程实践意义。

关键词：捷联惯导系统升沉测量高通滤波器仿真验证扰动

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基于BMFLC算法的舰船升沉测量方法

系统工程与电子技术 2017年第12期39卷 2790-2795页

作者：黄卫权李智超卢曼曼哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

在舰船升沉信息的实时测量过程中,升沉滤波器实现了低频衰减和特定频段二次积分,但其存在输出相位超前的问题,并且超前相位的大小随输入信号频率变化。首先分析了升沉滤波器的误差特性,然后针对相位超前和噪声、零偏对系统影响的问题,... 详细信息

在舰船升沉信息的实时测量过程中,升沉滤波器实现了低频衰减和特定频段二次积分,但其存在输出相位超前的问题,并且超前相位的大小随输入信号频率变化。首先分析了升沉滤波器的误差特性,然后针对相位超前和噪声、零偏对系统影响的问题,提出了基于带限傅里叶线性组合(band-limited multiple Fourier linear combiner,BMFLC)算法校正滤波器输出的方法,并分析了算法中参数的选取和算法的计算量,实现了在抑制噪声和零偏的影响下对滤波器的输出进行幅度和相位补偿,进而提高了测量精度。仿真结果表明,提出的基于BMFLC算法的舰船升沉测量方法对升沉滤波器的输出进行了补偿,能够很好地解决超前相位误差和噪声、零偏影响的问题,实现了舰船升沉信息测量的实时性和准确性。

关键词：升沉测量升沉滤波器基于带限傅里叶线性组合算法相位补偿

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基于惯性导航的升沉测量方法研究

基于惯性导航的升沉测量方法研究

作者：李婧哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

由于大海中丰富的资源,人们对海洋开发愈发重视。研究海面上执行任务的舰船、潜艇升沉运动,对于勘探信息的准确性和完成任务的安全性具有重要现实意义。本文针对海面上执行任务的声呐运载体,以降低其所受复杂海面环境干扰,提高探测精度... 详细信息

由于大海中丰富的资源,人们对海洋开发愈发重视。研究海面上执行任务的舰船、潜艇升沉运动,对于勘探信息的准确性和完成任务的安全性具有重要现实意义。本文针对海面上执行任务的声呐运载体,以降低其所受复杂海面环境干扰,提高探测精度为目的,对升沉运动信息的测量展开研究。本文设计了基于惯性导航原理的升沉信息测量方法。采用惯性测量单元进行测量,解算出运载体姿态与高度方向比力信息,添加了数字滤波器以滤除干扰信息,并针对数字滤波器相位问题设计了相位补偿方法,实现了较高精度的升沉信息测量。主要研究了如下内容:首先,分析了升沉测量原理。建立了相关坐标系,根据海浪模型推导出升沉运动特征;介绍了捷联惯导系统及基于惯导系统的升沉测量原理;提出了几种影响升沉测量的因素,包括高度通道的不稳定性、振荡周期、杆臂效应误差及数字滤波器引起的幅相偏差,并设计了升沉测量方案。其次,研究了载体姿态估计算法。基于扩展卡尔曼滤波原理,结合直接四元数实现了运载体姿态估计;采用物理仿真的方式模拟升沉运动,并验证所设计的姿态估计算法。再次,设计了适用于升沉测量的数字滤波器。结合数字滤波器的特性,选用更为适用的IIR数字高通滤波器;研究了IIR数字滤波器的几种关键技术指标及其对滤波效果的影响,结合升沉信号的特点,设计滤波器使其性能更佳;应用所设计滤波器对实验数据进行处理,并给出结果。最后,设计了基于频率估计的数字滤波器相位补偿方法。由于IIR数字滤波器所引起的超前相位取决于信号频率,因此设计了基于FFT并修正的频率估计算法;推导IIR滤波器相位与频率的关系,采用级联全通滤波器的方法平衡相位;应用所设计算法测量不同条件下的升沉信号,并分析其结果。

关键词：惯性导航升沉测量姿态估计数字滤波器频率估计相位补偿

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基于惯性导航的升沉测量系统研究

基于惯性导航的升沉测量系统研究

作者：邸瑛琳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

由于受到海浪的激励作用,舰船在海上航行过程中,会被动地产生升沉运动,升沉信息的精确测量在海洋贸易中船舶之间的货物交接、海上作业设备的升沉补偿装置设计、舰载机的起降及舰载武器发射等许多方面都有重大意义。本文即针对在海上执... 详细信息

由于受到海浪的激励作用,舰船在海上航行过程中,会被动地产生升沉运动,升沉信息的精确测量在海洋贸易中船舶之间的货物交接、海上作业设备的升沉补偿装置设计、舰载机的起降及舰载武器发射等许多方面都有重大意义。本文即针对在海上执行作业任务的舰船,以降低所受海面环境影响,提高作业效率与安全性为目的,对升沉信息的测量展开研究。本文设计了基于捷联惯导的舰船升沉测量方法。通过仿真生成舰船升沉运动轨迹,基于升沉轨迹通过捷联惯导解算升沉信息,设计升沉滤波器以解决升沉信息发散的问题,升沉滤波器在解决升沉信息发散的同时引入了相位误差,通过设计带限傅里叶线性组合算法的修正模型可补偿相位误差,实现了高精度的升沉测量。最后将分析杆臂效应误差并进行补偿。主要研究了如下内容:首先推导了捷联惯导数字迭代算法,并建立了捷联惯导的姿态、速度、位置误差模型。基于升沉运动的特点,分析了基于惯性的升沉测量原理。采用捷联惯导反演算法生成升沉运动轨迹,然后基于升沉运动轨迹解算升沉信息,分析升沉信息发散的原因,并介绍了舰船升沉测量中的杆臂误差效应。根据升沉测量的影响因素及天向加速度误差模型设计可抑制发散、滤除低频信息的升沉滤波器,并分析了影响升沉滤波器性能的参数以及升沉滤波器在抑制发散的同时引入的误差。升沉滤波器在解决升沉信息发散的同时引入了相位超前误差,为了补偿相位超前误差,介绍了傅里叶线性拟合算法的基本原理,并根据升沉信号的特点,采用其改进算法——带限傅里叶线性拟合算法对升沉滤波器的输出信号进行拟合,并采用基于带限傅里叶线性拟合的修正模型补偿升沉滤波器引入的相位误差。对实际工程应用中捷联惯导系统的安装位置与舰船重心不重合导致的杆臂误差效应进行了分析与补偿。对杆臂误差建立了数学模型并进行分析,设计了杆臂误差的补偿算法以得到舰船重心位置及任意监测点的升沉信息。

关键词：捷联惯导升沉测量升沉滤波器带限傅里叶线性组合相位补偿杆臂效应

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基于SINS舰船升沉测量误差分析与补偿

系统工程与电子技术 2020年第7期42卷 1590-1596页

作者：奔粤阳魏晓峰高倩倩赵显鹏戴平安孙炎哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

在利用捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)对舰船升沉运动测量中,针对传统方法采用积分环节和数字高通滤波器组合引起相位超前的问题,分析了超前相位对升沉测量精度的影响,提出了增加相应低通滤波器进行相位校正... 详细信息

在利用捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)对舰船升沉运动测量中,针对传统方法采用积分环节和数字高通滤波器组合引起相位超前的问题,分析了超前相位对升沉测量精度的影响,提出了增加相应低通滤波器进行相位校正的方法。针对实际工程应用中升沉监测点与舰船重心(center of gravity,COG)往往不重合的问题,定义两者之间的距离为测量杆臂,分析了舰船升沉测量过程中由测量杆臂引起的杆臂升沉的产生机理,提出了杆臂升沉的计算方法,最终给出监测点处升沉的精确测量算法。仿真结果表明,提出的监测点处升沉测量算法测量误差在0.05 m以内,具有较高的精度和稳定性。

关键词：升沉测量相位误差惯性测量单元升沉滤波器杆臂误差

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舰船升沉测量的自适应算法

电光与控制 2020年第1期27卷 64-67,78页

作者：奔粤阳杨立胜哈尔滨工程大学自动化学院

给出了舰船升沉运动的具体定义;建立了升沉测量误差模型,并依此设计了升沉滤波器来实现低频衰减和特定频段的二次积分;详细分析了误差特性,指出各个误差源对测量结果的影响;提出了自适应算法来实时估计海浪运动状态,即平均海浪高度和主... 详细信息

给出了舰船升沉运动的具体定义;建立了升沉测量误差模型,并依此设计了升沉滤波器来实现低频衰减和特定频段的二次积分;详细分析了误差特性,指出各个误差源对测量结果的影响;提出了自适应算法来实时估计海浪运动状态,即平均海浪高度和主导频率,基于此求解出使误差达到最小值的滤波器参数;最后用仿真的手段,对此测量算法进行验证,并与传统的数字滤波器进行对比,仿真结果表明,提出的舰船升沉测量的自适应算法实现了测量的实时性和准确性。

关键词：舰船升沉运动升沉测量误差模型升沉滤波器自适应算法

基于IMU与UKF的船舶升沉运动信息测量方法

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北京航空航天大学学报 2021年第7期47卷 1323-1331页

作者：卢道华付怀达王佳蔡雅轩宋世磊江苏科技大学机械工程学院镇江212003 江苏科技大学海洋装备研究院镇江212003

为获取实时、精确的船舶升沉运动信息,根据船舶升沉运动模型和频谱分析方法,建立描述惯性测量单元(IMU)的加速度测量信息与船舶升沉运动状态量关系的解析模型。基于无迹卡尔曼滤波(UKF)算法非线性滤波的特点,进行升沉运动滤波解算。通... 详细信息

为获取实时、精确的船舶升沉运动信息,根据船舶升沉运动模型和频谱分析方法,建立描述惯性测量单元(IMU)的加速度测量信息与船舶升沉运动状态量关系的解析模型。基于无迹卡尔曼滤波(UKF)算法非线性滤波的特点,进行升沉运动滤波解算。通过仿真分析证明了所提方法在船舶升沉运动测量中的有效性。利用三自由度平台升沉运动测量实验验证,结果表明,同一模型下,相比于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法的解算结果,所提方法具有更快的收敛速度和更高的测量精度;对船舶升沉位移的估计精度达到最大升沉幅值的5%,可以得到精确、无时延的船舶升沉运动信息。

关键词：升沉测量惯性测量单元(IMU) 无迹卡尔曼滤波(UKF) 频谱分析平台实验

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基于相位补偿的舰船升沉位移测量方法

中国惯性技术学报 2019年第2期27卷 148-153页

作者：黄卫权王刚程建华马骏哈尔滨工程大学自动化学院

为了解决舰船升沉信息测量过程中传统升沉数字滤波器存在输出信号相对于实际信号相位超前的问题,提出了一种基于相位估计与补偿的自适应滤波算法。分析了传统升沉数字滤波器输出相位超前的原因,采用加权傅里叶线性组合频率估计算法实时... 详细信息

为了解决舰船升沉信息测量过程中传统升沉数字滤波器存在输出信号相对于实际信号相位超前的问题,提出了一种基于相位估计与补偿的自适应滤波算法。分析了传统升沉数字滤波器输出相位超前的原因,采用加权傅里叶线性组合频率估计算法实时估计输入信号的频率,并设计自适应FIR滤波器对传统升沉数字滤波器的输出进行相位补偿。将自适应FIR滤波器与传统升沉数字滤波器的估算结果进行模拟实验对比。实验结果表明自适应FIR滤波器输出的升沉位移精度达到厘米级,有效提高了舰船升沉信息测量的准确性和实时性。

关键词：升沉测量相位补偿加权傅里叶线性组合自适应FIR滤波器频率估计