一种基于惯性测量单元的大角度船体变形测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出基于惯性测量单元的大角度船体变形测量方法，同时采用CKF滤波方 法，并能保证相对较高的精度。
【背景技术】
[0002] 现代舰船的多个部位装有相应攻防设备和导航系统等，一般情况下，这些设备的 姿态、位置及运动参数等信息都是由舰船中心的航姿设备来提供的。由于舰船材料刚度并 不是绝对的，随着海浪拍打、舰船上负载的转移各种外力的综合作用，结构必然会逐渐产生 长期变形，船体的某些部位最大会达到1~1. 5度的形变量级。安装在舰船上的中心航姿 设备也就不可避免地与确定局部基准的子设备产生基准失调，进而降低武器的命中率，降 低作战效率。因此为保证各个子系统间协调工作时的精度，精确测量出船体变形是非常有 必要的。此外，测量船体变形对于优化船体结构设计、合理布局舰船负载，以及进行舰船材 料选取、不同部位的刚度设计以及提高舰船传递对准精度都有很现实的意义。
[0003] 随着现代精密仪器仪表技术的蓬勃发展，高精度的新型传感器不断出现，大量测 量船体形变的新方法也应运而生。一般可被分为两大类：（1)第一类为结构力学法，包括偏 振光能量测量法、大钢管基准法、光栅法、液体压力测量法等。由于这类方法的实时性以及 实施条件等受到很大限制。此外，往往还需要因动态变形角引起的线速度变化，此方法无法 实时给出。（2)第二类为姿态匹配测量法，包括惯性测量匹配法、GPS测量法以及多部位安 装航姿系统的办法可以实时给出并修正这些姿态参数。GPS测量法的测量精度目前而言是 比较高的，但因为严重依赖GPS系统，所以这种测量方法的隐蔽性较差，隐蔽性好对于现代 战争来说是极其重要的。多位置安装航姿系统的费用非常高，不符合经济性的原则。惯性 测量匹配法利用分布式惯性测量单元进行变形测量，不仅能够给出航向、姿态信息，还能实 时给出角速率信息。与外界不存在能量交换，能根据预先设定的参数独立自主运行，隐蔽性 非常好。此外，近些年来，光纤陀螺体积小、重量轻、精度高、动态测量范围广。这些独特的 优势使得基于光学陀螺测量单元的惯性匹配法成为最具发展潜力的研究方向。
[0004] 在实际中，由于船体较大，中心惯性测量单元与局部惯性测量单元之间存在安装 误差角。针对惯性测量单元存在较大安装误差角时，系统模型是非线性的。本发明提出了 一种基于惯性测量单元的大角度船体变形测量方法。
【发明内容】
[0005] 本发明提出基于惯性测量单元（MU)的大角度船体变形测量方法，并能保证相对 较高的精度。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 基于惯性测量单元的大角度船体变形测量方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将两套惯性测量单元IMUl和IMU2分别安装在船体的中央位置和船首位置，两 套IMU的三个轴向分别命名为OX nJmZn^P ox syszs，其中oym、oys轴指向船体的航向，oz m、ozs 轴垂直于甲班平面指天，0Xni、OXs轴与其它两个轴构成右手正交坐标系；
[0009] ⑵建立变形角的非线性模型
[0011] (3)推导两载体坐标系间的变换关系
[0012] oxsyszs首先绕X s轴旋转n x角度得到中间坐标系OX slyslzsl，然后再绕ysl轴旋转 ny角度得到中间坐标系〇xs2ys2zs2，最后绕z s2轴旋转η z角度得到中心MU的平台坐标系 0Χη,Υη,Ζη,：
[0014] (4)确定頂U的误差模型
[0016] (5)建立非线性状态方程
[0017] 选取状态向量
[0018] 非线性状态方程：
[0020] 非线性系统的状态方程可以化简为：
[0022] (6)建立系统的观测方程
[0023] 观测方程，即两套光纤陀螺测量单元的输出角速率之差为：
[0025] (7)采用CKF算法进行时间更新与量测更新，对船体变形进行估计和监控；时间更 新：
[0029] 其中
，[1]廣示集合[1]的第i列，对于二维状态，即η = 2,有：
[0043] (8)通过对船体姿态角度进行频谱分析，对动态变形角模型参数进行优化。
[0044] 本发明的有益效果在于：
[0045] (1)针对非线性模型，分别进行了基于UKF和CKF的变形测量仿真与分析，并对仿 真结果进行了对比。总变形角UKFXKF估计误差曲线如图5所示。本发明建立了基于惯性 测量匹配法的非线性模型，采用CKF滤波，其适用于非线性船体变形建模与测量，滤波精度 要好于UKF。
[0046] (2)同时针对同一模型，分别用CKF和UKF进行了 50次蒙特卡洛仿真，然后对收 敛时间和估计精度进行统计。UKFXKF各50次滤波收敛时间和估计精度统计图分别如图6 和图7所示。分析变形角参数设置不准确对估计的影响，并提出基于舰船姿态频谱分析的 主频参数优化方法。
【附图说明】
[0047] 图1两套IMU安装位置及坐标示意图；
[0048] 图2不同主频下的变形角估计误差曲线；
[0049] 图3不同μ值下的变形角估计误差；
[0050] 图4动态变形角主频优化后的变形角估计流程图；
[0051] 图5总变形角UKF、CKF估计误差曲线；
[0052] 图6 UKF、CKF各50次滤波收敛时间情况统计；
[0053] 图7 UKF、CKF各50次滤波估计精度统计。
【具体实施方式】
[0054] 下面结合附图对本发明做进一步描述：
[0055] 本发明是一种基于惯性测量单元的大角度船体变形测量角度。该方法通过在船上 测量点分别放置三轴頂U，根据两套頂U测得的角速率之差和相对变形角间的关系，建立状 态空间模型，对其进行实时估计和监测。该方法的特点在于：①对于IMU存在大安装误差角 以及光纤陀螺的随机漂移，建立了非线性的系统模型；②经过理论比较分析与仿真验证，结 果表明随着系统非线性程度的增强，CKF估计有良好的估计效果，并且对于变形角度估计的 高维非线性系统来说，CKF精度更高；③使用频谱分析舰船姿态对动态变形角模型中相应 参数进行修正，提高了估计精度。