1.  概述

   
   

隨著慣性導航技術的不斷發(fā)展，對于船舶等運載體在海上航行時的安全性和穩(wěn)定性的要求越來越高，需要提供的載體運動信息的種類和數(shù)量不斷增加，因此不僅僅需要提供位置信息（包括經(jīng)度和緯度）、速度信息（包括東向速度和北向速度）和姿態(tài)信息（包括航向角和水平姿態(tài)角），還需要提供更多的運動信息，而升沉運動信息就是其中之一。升沉運動的準確提取在艦船補給、氣墊船登陸、貨物（集裝箱等）吊裝搬運方面起著非常重要的作用，**測量艦船升沉運動十分必要。

我公司的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)采用自研升沉算法，不僅能提供船舶等運載體的速度、位置和姿態(tài)等導航信息，而且能解決艦船作業(yè)過程中的升沉測量問題。

2. 艦船升沉運動測量原理

現(xiàn)有基于慣導的升沉測量方法主要分為兩類。**類是基于慣導的組合測量方法，如利用慣導與衛(wèi)星組合測量升沉，其雖能達到米級的艦船**定位精度， 但是不能滿足升沉應用中厘米級的短時相對測量精度要求。第二類方法為慣性測量與數(shù)字濾波法，該方法利用慣導在垂蕩方向上的綜合加速度輸出，借助數(shù)字濾波器，通過積分與濾波測得升沉運動。然而傳統(tǒng)數(shù)字濾波器會固有地改變期望信號的相位和幅值特性，造成相位偏移與幅值衰減。

本產(chǎn)品擬采用慣性組合測量與數(shù)字濾波法解決艦船作業(yè)過程中的升沉測量問題。艦船上的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，利用坐標轉(zhuǎn)換矩陣對加速度計測量比力矢量進行坐標轉(zhuǎn)換可得天向比力，再扣除當?shù)刂亓铀俣龋憧色@得沿垂蕩方向的艦船加速度。對此加速度作積分，則可得天向速度和位移。由于加速度計不可避免的混雜著零偏、噪聲和其他低頻干擾信息，積分后的天向速度和位移會隨時間緩慢發(fā)散。因此需要濾除加速度、速度和位移中的低頻成分而保留高頻成分，即進行高通數(shù)字濾波處理，才能獲得有用的艦船升沉運動信息。

升沉運動信號處理過程如下圖所示。

圖1 船舶升沉測量流程圖

3. 無時延互補高通濾波器設計方法

FIR濾波器雖然具有嚴格線性相位的優(yōu)點，但是其階數(shù)通常比較高，實時處理計算量比較大。而IIR高通濾波器雖然階數(shù)比較小嵌入式便于實現(xiàn)，但是其相位缺存在延時。針對傳統(tǒng)數(shù)字濾波器帶來的相位偏移與幅值衰減，采用無時延高通濾波器。

對于寬頻帶的某一輸入信號，如果信號通過存在相位延時的傳統(tǒng)低通濾波器,則輸出將輸出有延時的低頻信號，并且有。信號中的低頻分量被保留，高頻分量被濾除。定義高頻分量為，表達式具體如下：

其中即為所需的互補高通濾波器的傳遞函數(shù)，它是通過設計傳統(tǒng)的低通濾波器間接實現(xiàn)的。根據(jù)互補性可知，恰好能夠讓高頻信號暢通無阻，并且時延很小，可忽略不計，所以稱為無時延高通濾波器。

4. 試驗

利用某型號MEMS慣導系統(tǒng)在六自由度運動平臺上進行試驗，記錄下慣導的姿態(tài)信息以及原始加速度計采樣數(shù)據(jù)，作事后升沉運動處理和分析。為了評判升沉運動處理算法的精度，用平臺輸出升沉數(shù)據(jù)作為升沉位移精度的參考基準。

搭建試驗環(huán)境如圖2所示，六自由度運動平臺參數(shù)：船舶噸位：三千噸；海況等級：4級；海浪方向：30度。

圖2 搭建試驗場景圖

圖2給出了試驗數(shù)據(jù)在700s~840ss時間段內(nèi)的升沉位移曲線，圖中藍線為運動平臺的升沉參考值，升沉幅值*大約0.15m、周期約在10～20s之間；綠線為采用無延遲互補高通濾波的結果，它與參考值吻合得比較好；紅線是傳統(tǒng)高通濾波器的處理結果，明顯看出高通濾波器存在0.5s左右的延遲。

圖3 升沉試驗結果

表1給出了傳統(tǒng)高通濾波器方法和本文提及的無延遲互補高通濾波的均方根值(RMS)精度統(tǒng)計結果。由表1可見,由于時延的影響，傳統(tǒng)高通濾波方法實時升沉測量精度不高，而無延遲互補高通濾波的精度提高了約1個數(shù)量級。

表1 升沉測量精度統(tǒng)計