一种基于自适应滤波的舰船升沉运动测量方法

技术领域

本发明属于船舶运动测量领域，具体涉及一种基于自适应滤波的舰船升沉运动测量方法。

背景技术

许多海上作业，如航行补给、舰载机的起降、海底测绘和海上起重机工作等，都需要对由海浪、海风和洋流等复杂海洋环境因素引起的舰船升沉运动进行补偿，这就需要实时、精确的舰船升沉运动信息。捷联惯性导航技术是一项发展较为成熟、精度较高、稳定性优良的自主导航技术。因此本方法采用捷联惯性导航系统测量舰船的升沉速度和位移信息，由于惯性导航系统的误差累积和高度通道发散特性，不能在长时间内持续获得高精度的速度、位移信息，故需要对惯性导航系统测量数据进行处理。

目前国内外学者正试图寻求有效的手段用于舰船升沉信息的测量，标准升沉滤波器实现了对输入信号的低频分量快速衰减，特定频段的二次积分。由于标准升沉滤波器存在相位问题，并且其结果依赖海洋环境以及噪声的特性，所以该方法存在一定的局限性。通过互补滤波方法来尽可能减小时延，以保证信号相位的正确性，但事先设计的滤波器参数无法满足海况变化的实时需求。通过设计能够根据各种海况及不同船体对截止频率进行自适应调整的巴特沃斯滤波器，使得升沉位移误差最小。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了提供一种基于自适应滤波的舰船升沉测量方法，使其在不同海况下，实现对升沉信息的实时精确测量。

技术方案：本发明所述的一种基于自适应滤波的舰船升沉测量方法，包括以下步骤：

(1)实时采集安装在舰船内的惯性测量单元的各轴陀螺仪和加速度计的输出数据；

(2)计算得到载体坐标系b与地理坐标系n的姿态矩阵，得到地理坐标系下舰船升沉运动加速度和第N点的舰船垂荡方向的加速度；

(3)对舰船升沉加速度信息做FFT，得到升沉加速度的幅度谱和相位谱，进而确定升沉位移的基波频率ω

(4)传感器的噪声σ

(5)根据自适应截止频率设计模拟高通滤波器H

(6)利用无时延数字高通滤波器对加速度、速度、位移进行三次滤波并实时输出舰船升沉运动和位移信息。

进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：

其中，v

第N点的舰船垂荡方向的加速度为：

a

其中，a

进一步地，步骤(3)所述的波高A

A

其中，ω

进一步地，步骤(4)所述的自适应截止频率ω

总估计误差的方差作为误差函数：

其中，σ

其中，ω

进一步地，步骤(5)所述的高通滤波器H

其中，ω

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：同一艘船舶在不同海况下做升沉运动，对其升沉运动进行解算时，会存在信号误差，所以需要先进行滤波，但设计滤波器的最优截止频率在不同的海况下是不相同的，因此本发明通过设计能够根据各种海况对截止频率进行自适应调整并结合互补的思想的自适应无时延高通数字滤波器，使得升沉位移误差最小。

附图说明

图1为本发明的程图；

图2为自适应高通滤波器的算法流程图；

图3为条件一下的升沉运动曲线图；

图4为条件二的升沉运动曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明供了一种基于自适应滤波的舰船升沉测量方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、实时采集安装在舰船内的惯性测量单元的各轴陀螺仪和加速度计的输出数据，主要为三轴陀螺仪的角速度和三轴加速度计的加速度。

步骤2、计算得到载体坐标系b与地理坐标系n的姿态矩阵，地理坐标系下舰船升沉运动加速度可由下列公式求得；

式中：v

综上，第N点的舰船垂荡方向的加速度可以表示为：

a

式中：a

步骤3、对舰船升沉加速度信息做FFT，得到升沉加速度的幅度谱和相位谱，进而确定升沉位移的基波频率ω

式中：h

其中，ω

步骤4、可以假设传感器的噪声σ

经滤波器处理后的舰船升沉位移误差可以表示为：

h

式中：h

其中，σ

其中，ω

步骤5、如图2所示,将自适应频率代入二阶归一化巴特沃斯高通滤波器的系统函数，设计出模拟高通滤波器H

式中只有一个变量自适应截止频率ω

步骤6、利用无时延数字高通滤波器对加速度，速度，位移进行三次滤波并实时输出舰船升沉运动和位移信息。

利用某型号MEMS惯性导航系统在海浪模拟运动平台上实验，海浪模拟运动平台上放置激光测距仪，测得台面到实验室房顶的相对运动，经过转换得到实时升沉位移，其中MEMS惯性导航系统中陀螺常值漂移约0.75°/s，加速度计的逐次启动常值约15mg(g＝9.8m/s

模拟最大幅值为0.20m和周期为10s的波浪升沉运动的80～120s时段升沉运动曲线如图3所示，实线为基准升沉运动数据，点线、点划线和虚线线分别表示自适应滤波器、Butterworth滤波器、固定参数的滤波器估算得到的结果。同时，各种方法的精度对比如表1所示：

表1为不同实验条件下精度统计表

同理，可得出条件二模拟最大幅值为0.25m和周期为11s的波浪升沉运动的80～120s时段升沉运动曲线图如图4所示，升沉测量精度统计如表1所示：

比较表中的各项误差可知：与互补型滤波器相比，自适应滤波器在条件一和条件二估算的最大误差分别缩减了64％和63％，误差平均值分别缩减了约50％和64％，均方差分别缩减了58％和75％。与条件一相比，条件二中互补型滤波器处理的的误差平均值和均方差的数值都成倍数增加，而自适应滤波器的变化幅度不大；由此可以得出当海况改变时，互补型滤波器自适应性不足，而自适应滤波器可以随着升沉运动的幅值和频率进行自适应整定，估算的精度更高，适应海浪幅值与周期变化的能力更强。

综上，本发明涉及一种用于舰船升沉测量的自适应滤波方法。该方法对升沉加速度进行频域分析，得到升沉运动的频率特性，进而得到滤波器的最佳截止频率，然后基于最佳截止频率和利用互补的思想，设计出自适应数字高通滤波器。实现对升沉信息的实时精确测量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。