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动态环境下舰船瞬时线运动测量技术

作　者: 曹冰
导　师: 高伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 瞬时线运动捷联惯导系统多普勒计程仪卡尔曼滤波数字滤波器
分类号: U674.703.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 13次
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内容摘要

近年来,随着导航技术的研究深入,惯性导航测量技术的功能性扩展已经成为日益迫切的要求。舰船瞬时线运动参数即横荡、纵荡及垂荡信息的提取不仅能够满足船舶操纵性的需求,更重要的是能够在原有导航测量参数的基础上全面提供载体位置、姿态以及运动状态信息。传统的惯性系统测量舰船瞬时线运动方法把海浪认为成单一频率信号,并且认为在此信号的影响下,海浪的响应也就是舰船瞬时线运动信息也是单一频率信号；同时并没有到考虑舰船瞬时线运动在不同动态环境中(系泊及航行)运动形式并不完全相同,这在测量系统具体的使用中存在着很大的局限性。论文在充分了解捷联惯性导航系统工作原理和海浪基本运动形式以及海况整体情况的基础上,给出了舰船由海浪引起的瞬时线运动动态模型,并分析了舰船航行时船速对瞬时线运动测量参数的影响,进而分别确定了舰船在系泊和航行状态下的瞬时线运动测量方案。在以上两种动态状态的研究中,舰船航行时的运动情况比较复杂,故而文中采用卡尔曼滤波技术和多普勒计程仪测速装置相结合,校正出舰船航行状态下瞬时姿态角信息并得到准确速度。同时,文章对舰船瞬时线运动参数惯性测量方法中的关键技术数字滤波器的设计也进行了详细的阐述,分别介绍了工程中最常见的有限冲击响应滤波器(FIR)以及无限冲击响应滤波器(IIR)两种滤波器的的基本原理和设计方法。并且分别根据舰船瞬时线运动系泊和航行时不同的惯性测量方案,阐述了相应带通滤波器和高通滤波器中关键参数的选定方法。由于海浪信息是随机信息,文中根据海浪信息的随机特性,给出功率谱估计方法。根据已设计的舰船瞬时线运动的测量方案,利用计算机完成了系统的仿真工作,并就舰船系泊状态和航行状态分别模拟了给定海况模型下瞬时线运动的测量,同时通过实验室四自由度平台对方案进行实验验证,进一步证明了本论文中设计方法的可行性,从而较为全面的完成了舰船系泊和航行状态下瞬时线运动的测量的方案设计、计算机仿真及实验工作。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-12
  1.1 引言  9
  1.2 惯性导航系统概述  9-10
  1.3 舰船瞬时线运动惯性测量技术的国内外应用及研究意义  10-11
  1.4 论文的主要工作和章节安排  11-12
第2章瞬时线运动惯性测量技术的相关理论  12-34
  2.1 半固定坐标系及舰船瞬时线运动定义  12-13
  2.2 舰船由于海浪运动引起的瞬时线运动情况说明  13-20
    2.2.1 海浪分析  13-16
    2.2.2 海况设置  16-17
    2.2.3 舰船由海浪引起的舰船瞬时线运动建模  17-20
  2.3 舒勒振荡周期对舰船瞬时线运动信息的影响  20-21
  2.4 数字滤波技术  21-33
    2.4.1 数字滤波器基本原理  21-23
    2.4.2 数字滤波器的实现分类  23-24
    2.4.3 FIR数字滤波器的设计方法  24-29
    2.4.4 IIR数字滤波器的设计方法  29-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章舰船系泊状态下瞬时线运动测量系统  34-46
  3.1 舰船系泊状态运动情况分析  34
  3.2 舰船系泊状态下瞬时线运动提取中的带通滤波器设计  34-39
    3.2.1 滤波器设计指标  34-35
    3.2.2 FIR带通滤波器实现舰船系泊瞬时线运动测量方案  35-37
    3.2.3 IIR带通滤波器实现舰船系泊瞬时线运动测量方案  37-39
  3.3 舰船瞬时线运动的频谱估计法  39-44
    3.3.1 随机信号功率谱估计  39-40
    3.3.2 功率谱估计的自相关函数法  40-41
    3.3.3 功率谱估计的平滑周期图平均法  41-42
    3.3.4 功率谱估计方法matlab仿真  42-44
  3.4 舰船系泊状态下瞬时线运动测量方法  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章舰船航行状态下瞬时线运动测量系统  46-63
  4.1 舰船航行状态下运动状态分析  46-47
  4.2 舰船航行状态下瞬时线运动提取中的高通滤波器设计  47-51
    4.2.1 滤波器设计指标  47-48
    4.2.2 FIR高通滤波器实现舰船航行瞬时线运动测量方案  48-49
    4.2.3 IIR高通滤波器实现舰船航行瞬时线运动测量方案  49-51
  4.3 舰船航行状态下瞬时线运动测量方法  51-53
  4.4 姿态角误差对瞬时线运动提取精度的分析  53-60
    4.4.1 姿态角误差对瞬时线运动的影响  53-55
    4.4.2 利用卡尔曼滤波算法对姿态角输出校正  55-60
  4.5 利用准确的速度信息提高测量系统性能  60-62
    4.5.1 舰船航行速度和瞬时线运动之间的关系  60-61
    4.5.2 多普勒计程仪和捷联惯导结合提高测速精度  61-62
  4.6 本章小结  62-63
第5章舰船瞬时线运动测量系统仿真与试验  63-74
  5.1 舰船瞬时线运动测量系统仿真结果及分析  63-69
    5.1.1 舰船系泊状态下仿真结果  63-66
    5.1.2 舰船航行状态下仿真结果  66-69
  5.2 舰船瞬时线运动惯性测量试验情况  69-73
  5.3 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  78-79
致谢  79

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