基于惯性技术的舰船瞬时线运动测量方法研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于惯性技术的舰船瞬时线运动测量方法研究硕士研究生：高源指导教师：张勇刚教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：徐博副教授哈尔滨工程大学２０１７年１２月分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于惯性技术的舰船瞬时线运动测量方法研究硕士研究生：高源指导教师：张勇刚教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2017年12月ClassifiedIndex：U.D.C：ADissertationfortheDegreeofM.EngResearchontheMeasu

2、rementoftheinstantaneouslinemotionofVesselsbasedoninertialtechnologyCandidate：GaoYuanSupervisor：Prof.ZhangYonggangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringEngineeringField：ControlScienceandEngineeringDateofSubmission：Dec,2017DateofOralExamination：Mar,2018University：HarbinEngineeringUniversity摘要传统

3、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

4、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

5、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。关键词：瞬时线运动；升沉；滤波器；杆臂；傅里叶拟合ABSTRACTConventio

6、nalinertialnavigationsystemcanprovidethevesselswiththeinformationofhighlypreciseattitudes,speedsandlocation.Withthedevelopmentandutilizationofthedeepsea,theexistingfunctionsofthevesselswillnotmatchthedevelopmentofcontemporarymarinetechnology.Owingtotheinfluenceofthemarineenvironment,theshipexistsins

7、tantaneouslinemovementinthreeorthogonaldirectionsincludingsway,surgeandheave.Theaccuratemeasurementofinstantaneouslinemovementhasveryimportantpracticalsignificancetothevessels.Particularlyheavehasmore