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基于捷联惯导系统的舰艇垂向位移测量技术

王奎民;王大海;宋万成;龚晶;奔粤阳;王国臣

【摘要】给出了舰艇垂向位移的定义,对捷联惯导系统解算中的舒勒振荡周期误差

进行了说明.在分析舒勒振荡周期误差对于垂向位移测量影响的基础上,设计了利用

捷联惯导系统测量舰艇垂向位移的方案.在该方案中引入了FIR数字高通滤波器.并

给出滤波器系数组的设计过程.最后利用自研的捷联惯导系统与四自由度平台验证

了提出方案的有效性.%Thedefinitionofverticaldisplacementofvesseland

theSchuleroscillationerrorarousedduringSINS(StrapdownInertial

NavigationSystem)aregiven.BasedonanalysisofSchuleroscillationerror

effects,wedesignthescenarioutilizingtheSINStomeasurementofthe

verticaldisplacementofthevessel.Inourscenario,FIRdigitalhigh-pass

filterisintroduced.Finally,usingSINSmadeofHarbinEngineering

University,inadditiontofour-freedomplatform,wevalidateourproposed

scenario.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2011(024)012

【总页数】5页(P1696-1700)

【关键词】垂向位移;捷联惯导系统;FIR;高通滤波器

【作者】王奎民;王大海;宋万成;龚晶;奔粤阳;王国臣

【作者单位】海军驻锦州地区军代表室,辽宁锦州121000;海军驻大连地区军代表

室,辽宁大连116001;海军驻沈阳弹药专业代表室,沈阳110000;哈尔滨工程大学自

动化学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程

大学自动化学院,哈尔滨150001

【正文语种】中文

【中图分类】U666.1

捷联惯导系统具有造价低，性能好等诸多优点，随着研究的不断发展，其应用范围

越来越广，针对舰艇的应用也会日益增多［1］。现有的捷联惯导系统主要是针对

舰艇的姿态信息、定位信息以及速度信息进行测量［2－4］。事实上，舰艇可沿

三个坐标轴向运动，具有三个移动自由度，又可绕三个坐标轴作旋转运动，具有三

个转动自由度，因此是一个有六自由度的空间运动［5］。在三个沿轴向移动的运

动模式中，垂直方向上的周期往复运动，比较两个水平轴方向上的运动更为重要

［6］。了解垂向位移信息是提高舰艇操纵性的一个重要手段。目前对于舰艇的操

纵性研究已建立了一些较为完善的理论计算方法和试验方法，用于舰艇的初步设计

阶段中预报舰艇运动状态［7－9］。但是对于舰艇垂向位移的测量，目前主要是

通过外部测速传感器和数学建模的方式完成。通过建模、分析和解出各不同瞬时线

运动的微分方程式，并精确估计舰艇和流体之间的相互作用，进而估测下一时间段

内舰艇的运动情况。这不仅在数学描述上有很大的困难，而且还存在精度低以及实

时性等诸多问题，由于附加预测性信息的输出不能保证与原有导航信息精确同步，

从而不能全面描述舰艇的运动状态。如果能够利用高精度的捷联惯导系统，对三轴

转动信息和垂向位移信息同时测量，那么就可以更好的将舰艇每一个时刻的全面信

息进行较为完整的描述。除此之外，垂向位移信息的引入还有利于舰载飞行器的起

降、气垫船登陆、潜器的浅水行使、钻井平台垂向位移补偿装置设计、舰艇补给等

许多方面。以下会对舰艇的垂向位移信息定义，以及利用捷联惯导系统测量该信息

的机理进行具体阐述。

1舰艇垂向位移的定义

在研究垂向位移的具体定义前，要先确定描述垂向位移的坐标系。在捷联惯性导航

系统中，我们通常会用到载体坐标系b和指向为东北天的地理坐标系t，为了更好

的给操作者提供信息，我们选用半固定坐标d来解释垂向位移。半固定坐标系是

相对于固定坐标系(地理坐标系)而言的，将地理坐标系转动舰艇的主航向角φ(此

信息由舰艇操控者提供)就得到了半固定坐标系。固定坐标系(地理坐标系)与半固

定坐标系之间的关系如下:

垂向位移是舰艇在海浪作用下或其它特定情况下的