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船舶运动状态的监测及短期预报

陈晓飞  
【摘要】: 在波浪中航行的船舶像任何刚体一样可以产生6个自由度的运动分量:垂荡、横荡、纵荡、纵摇、横摇、艏摇。随着计算机的发展,人们认识到捷联惯导系统是非常有效的测量刚体运动状态的解决方案,一般在导弹和其它飞行器,如火箭、飞机上用得比较普遍。在大型舰船,特别是带有飞机平台的舰船,比如航空母舰,以及潜艇上面也有广泛的应用。随着捷联惯导系统朝着民用方向越来越普及,可以预计在不远的将来廉价而又高性能的捷联惯导系统会在商船上得到普及应用。 基于惯导系统测量的数据可以对舰船的运动作短期预报,为舰载机的起飞和降落的安全提供保障;另一方面此系统还可以为潜艇长期进行水下活动提供技术支持,由于惯导系统是一种自持性的系统,不需要外界提供任何信息,这样潜艇不需要隔一段时间浮出水面进行GPS定位,提高了潜艇的隐蔽性。 本文研究的主要内容是: 1.研究了无陀螺捷联惯导系统解算理论,推导了载体上任意一点的加速度在惯性坐标系下的表达方式。 2.讨论了船用无陀螺惯性导航平台初始对准的要求,以及捷联惯导系统在舰船上安装的时机选择和注意事项。 3.参考了前人的研究资料,通过对无陀螺捷联惯导系统进行深入的研究,分别讨论了六加速度计、九加速度计、十二加速度计组成的捷联惯导系统模型,对应不同的加速度计配置方式,推导出了角速度与线速度的解算方法,并且对比分析了模型之间的优缺点,提出了通过安装角速度测量陀螺获得的信息来对方程进行求解,并取到了好的作用,最后通过计算机仿真验证了模型的实用性与正确性。 4.分析了捷联惯导系统误差的生成原因,对于加速度计的安装误差对于求解造成的影响进行了计算机仿真,并且提出了行之有效而又简单实用的误差补偿方法。 5.讨论了舰船短期预报的方法。由于惯性导航系统能够获得时域的数据,通过对六种方法的对比研究,总结出了适用于捷联惯性导航系统的两种方法,即周期图法和时间序列分析法,提出了AR自回归建模预报以及建模的方法。本文所提到的方法为以后进行实船运动的监测与预报提供了参考。


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