基于光纤陀螺惯性测量系统的船舶横纵荡信息测量方法

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。

主权项

1.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$C_b^t=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right],$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$s_y^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_y^d\left(k\right),$$s_x^d\left(n\right)=h\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_x^d\left(k\right)$其中k＝1，2，...n，表示半固定坐标系d下x轴上第k个采样点时的速度信息，表示半固定坐标系d下y轴上第k个采样点时的速度信息，与可以在第k个采样点时由步骤1到步骤5的过程测量得到并加以保存，h为光纤陀螺惯性测量系统的采样周期；(7)对步骤(6)中得到的半固定坐标系d下总的位移量与进行滤波，得到船舶沿艏向和右舷方向的即时高频位移量，即船舶的纵荡信息和横荡信息${\hat{s}}_y\left(n\right)=s_y^d\left(n\right)·\omega \left(n\right),$${\hat{s}}_x\left(n\right)=s_x^d\left(n\right)·\omega \left(n\right)$选用高通数字FIR滤波器，选取凯塞窗为$\omega \left[n\right]=\frac{I_0\left[6\sqrt{1-{(\frac{2n}{N-1}-1)}^2}\right]}{70},$其中函数定义为$I_0\left[x\right]=1+\underset{j=1}{\overset{20}{\Sigma }}{\left[\frac{{(x/2)}^j}{j!}\right]}^2,$并且有$N=5.2\frac{f_s}{f},$其中f_s为采样频率，f为通带边缘频率。