基于FGU的船體變形測(cè)量技術(shù)中時(shí)間延遲補(bǔ)償方法研究

徐 博，陳 春，史宏洋，郭 宇

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

基于FGU的船體變形測(cè)量技術(shù)中時(shí)間延遲補(bǔ)償方法研究

徐 博，陳 春，史宏洋，郭 宇

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

基于光纖慣性測(cè)量單元（Fiber Gyro Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)FGU）的角速率匹配法是船體變形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向，但是在實(shí)際應(yīng)用中兩套測(cè)量單元之間存在時(shí)間延遲，會(huì)影響船體變形測(cè)量精度。該文分析了時(shí)間延遲的產(chǎn)生機(jī)理以及時(shí)間延遲對(duì)變形估計(jì)的影響。并基于二階馬爾科夫模型對(duì)船體變形建模，建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和量測(cè)方程，提出了一種時(shí)間延遲補(bǔ)償方法，將時(shí)間延遲擴(kuò)充為狀態(tài)量，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的估計(jì)和補(bǔ)償。最后通過(guò)仿真并結(jié)合實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了時(shí)間延遲補(bǔ)償前后的變形估計(jì)效果，驗(yàn)證了此方法的有效性。

船體變形；角速率匹配法；時(shí)間延遲；實(shí)船測(cè)量；補(bǔ)償方法

measurement of the real ship;compensation method;Fiber Gyro Unit

0 引 言

艦船在海上航行時(shí)，受到許多因素的影響，艦船甲板會(huì)產(chǎn)生不可忽視的變形。使得由主慣導(dǎo)（MINS）向艦載武器系統(tǒng)和偵查探測(cè)系統(tǒng)等各戰(zhàn)位點(diǎn)發(fā)送的姿態(tài)僅為MINS處的姿態(tài)，并非各戰(zhàn)位點(diǎn)的載體坐標(biāo)系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，MINS與局部位置間的姿態(tài)差異將嚴(yán)重影響艦載武器系統(tǒng)的精度。

與以結(jié)構(gòu)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的測(cè)量方法，如光柵法、雙頻偏振光法相比[1]，基于慣性測(cè)量單元的船體變形測(cè)量方法具有成本低、動(dòng)態(tài)適應(yīng)性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是今后船體變形測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)。基于角速率匹配法構(gòu)建的船體變形測(cè)量系統(tǒng)屬于分布式測(cè)量系統(tǒng)，時(shí)間延遲是分布式測(cè)量系統(tǒng)普遍面臨和必須解決的問(wèn)題。關(guān)于角速率匹配法測(cè)量船體變形的理論研究已有諸多成果[2-7]，但對(duì)該方法的實(shí)際應(yīng)用則很少談及。文獻(xiàn)[8]提出利用激光陀螺作為慣性測(cè)量單元，結(jié)合角速率匹配法和卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)船體變形進(jìn)行測(cè)量，但并未進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)，更沒(méi)有談及時(shí)間延遲對(duì)角速率匹配法的影響及補(bǔ)償方法。

傳遞對(duì)準(zhǔn)是指用高精度的主慣導(dǎo)的速度和姿態(tài)信息對(duì)準(zhǔn)子慣導(dǎo)信息，角速率匹配是指利用兩套慣導(dǎo)的角速率信息估計(jì)出相對(duì)變形角，兩種方法的測(cè)量原理有相似之處。關(guān)于傳遞對(duì)準(zhǔn)中的時(shí)間延遲問(wèn)題的補(bǔ)償方法，文獻(xiàn)[9]提出一種外推濾波法，可以很好地解決傳遞對(duì)準(zhǔn)中的時(shí)間延遲問(wèn)題，但必須預(yù)先知道時(shí)間延遲大小才能進(jìn)行外推，而角速率匹配法所面臨的時(shí)間延遲無(wú)法預(yù)先測(cè)量。文獻(xiàn)[10]則提出一種狀態(tài)補(bǔ)償法，對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)中的時(shí)間延遲進(jìn)行了補(bǔ)償，該方法也必須預(yù)先知道時(shí)間延遲的大小，進(jìn)而進(jìn)行狀態(tài)補(bǔ)償。

本文基于實(shí)船試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的兩套慣性測(cè)量單元之間存在時(shí)間延遲，會(huì)對(duì)船體變形角的測(cè)量產(chǎn)生影響的問(wèn)題，分析了時(shí)間延遲對(duì)船體變形測(cè)量的影響，并結(jié)合俄羅斯學(xué)者M(jìn)ochalov提出的船體變形角模型，給出了一種時(shí)間延遲補(bǔ)償方法，并結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該補(bǔ)償方法的測(cè)量效果，為船體變形測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 角速率匹配法測(cè)量船體變形的原理

1.1 船體變形的成因

艦船在海上航行時(shí)，受到海浪沖擊、載物再分布、武器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的沖擊、轉(zhuǎn)舵操作和環(huán)境溫度變化等因素的影響，船體會(huì)發(fā)生變形。船體變形可分為靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形兩種。艦船在日曬夜露和時(shí)間老化作用下結(jié)構(gòu)和形狀逐漸變化，就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期變形，此種變形為靜態(tài)變形，靜態(tài)形變可高達(dá)1°～1.5°。船體的動(dòng)態(tài)變形主要發(fā)生在惡劣海情下波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)船體加載的影響，任意兩點(diǎn)間角位移的幅值隨著其間距離的加大而增大，當(dāng)船體機(jī)動(dòng)減搖裝置作用或船艏升離水面重又入水時(shí)，可能產(chǎn)生瞬時(shí)的船體撓曲變形，其他突發(fā)性的變化可由水下沖擊產(chǎn)生[11]。

1.2 角速率匹配法測(cè)量原理

將兩個(gè)光纖陀螺測(cè)量單元（Fiber Gyro Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)FGU）分別安裝在船體的中間和船頭二個(gè)位置（分別為FGU1和FGU2），如圖1所示。FGU1與FGU2的三軸所指方向如圖1示，y軸沿著船體縱向指向船艏，z軸垂直于甲板平面指天，x軸與上述兩軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系，由此可得與FGU1固聯(lián)的坐標(biāo)系oxyz和與FGU2固聯(lián)的坐標(biāo)系o′x′y′z′。

圖1 光纖陀螺安裝示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of install fiber optic gyro

圖2 變形角示意圖Fig.2 The diagrammatic sketch of angle of deformation

FGU1測(cè)量的是地球自轉(zhuǎn)和船體運(yùn)動(dòng)在FGU1載體坐標(biāo)系中的投影；而FGU2測(cè)量的是上述兩項(xiàng)在FGU2載體坐標(biāo)系中的投影，以及FGU2安裝點(diǎn)相對(duì)于艦船中心的變形所引起的角速率之和。由于船體變形的存在，使得FGU1與FGU2的輸出存在差別，該差別可以反映兩個(gè)安裝點(diǎn)間的相對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形。

如圖2所示，設(shè)兩組FGU安裝點(diǎn)間的形變角由靜態(tài)形變?chǔ)岛蛣?dòng)態(tài)形變?chǔ)葍蓚€(gè)部分組成，則總的變形量為：φ=Φ+θ，其中靜態(tài)變形為常值變形，而動(dòng)態(tài)變形為隨機(jī)變形。則有Φ˙=0，φ˙=θ˙，總的變形量表示成矩陣形式為：

則FGU1測(cè)得的Ω與FGU2測(cè)得的Ω′存在如下關(guān)系：

當(dāng)oxyz坐標(biāo)系和o′x′y′z′坐標(biāo)系存在變形角時(shí)，兩坐標(biāo)系有如下關(guān)系：

其中B是方向余弦陣[3]。

則由（1）式可得到：

設(shè)FGU1與FGU2輸出的角速率差為ΔΩ，則有如下等式成立：

將（4）式表示成矩陣形式，則有

則（4）式可變換成：

根據(jù)上述推導(dǎo)及文獻(xiàn)[8]所述的構(gòu)建卡爾曼濾波器模型的方法，以?xún)商坠饫w陀螺輸出的角速率作為觀測(cè)量選取合適的狀態(tài)變量構(gòu)建量測(cè)方程和狀態(tài)方程，便可以估計(jì)出兩個(gè)安裝點(diǎn)之間的相對(duì)變形。

2 實(shí)船測(cè)量中時(shí)間延遲的影響因素分析

2.1 角速率匹配法的實(shí)船驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)際測(cè)量我們發(fā)現(xiàn)，雖然利用GPS時(shí)刻作為計(jì)算機(jī)同步接收兩套陀螺輸出信息的起始時(shí)刻，但是由于時(shí)間延遲的存在，導(dǎo)致此后在接收角速率數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象。導(dǎo)致時(shí)間延遲的因素有很多，主要有以下幾個(gè)方面：（1）信息采集的時(shí)間延遲。由于信息輸出與信息采集是兩個(gè)過(guò)程，則t時(shí)刻的信息被采集到的時(shí)候有可能是t+Δt時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息，也可能是t+2Δt時(shí)刻的數(shù)據(jù)值，這樣就會(huì)產(chǎn)生延時(shí)誤差。一般而言，從一個(gè)測(cè)量單元的信息傳遞到另一個(gè)的時(shí)間延遲在40 ms到120 ms，信息延遲對(duì)測(cè)量精度的影響很大。時(shí)延過(guò)大，造成測(cè)量偏差較大，收斂時(shí)間增加，精度降低。（2）信息傳輸?shù)臅r(shí)間延時(shí)。由于算法在子慣導(dǎo)中進(jìn)行，需要將主慣導(dǎo)系統(tǒng)的一些相關(guān)信息傳輸?shù)阶討T導(dǎo)系統(tǒng)。如果是無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航或者傳輸迅速的手段對(duì)傳輸延時(shí)影響較小，而如果主子慣導(dǎo)距離較遠(yuǎn)且傳輸線(xiàn)路的材質(zhì)密度不同，則會(huì)不同程度影響到傳輸速度而產(chǎn)生延時(shí)誤差。但是在一次測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該延遲相對(duì)固定。

2.2 時(shí)間延遲對(duì)角速率匹配法的影響

在使用仿真驗(yàn)證角速率匹配算法的時(shí)候，我們認(rèn)為兩套FGU的輸出完全同步。但在實(shí)船測(cè)量時(shí)，由于多種原因?qū)е碌臅r(shí)間延遲而不能絕對(duì)的同步輸出角速率信息，從而會(huì)導(dǎo)致角速率匹配法在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)引入估計(jì)誤差。圖3-10分別針對(duì)沒(méi)有延遲，以及不同大小的時(shí)間延遲對(duì)濾波估計(jì)精度的影響（一個(gè)延遲周期為10 ms）。

從圖3～10中可以得出如下結(jié)論：

（1）時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致卡爾曼濾波器的收斂速度變慢，使得角速率匹配法對(duì)靜態(tài)變形角和動(dòng)態(tài)變形角的估計(jì)需要經(jīng)過(guò)多次振蕩才能收斂。

圖3 無(wú)延遲靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.3 The evaluation of curve for no delay static state angle of deformation

圖4 無(wú)延遲動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.4 The evaluation of curve for no delay dynamic state angle of deformation

圖5 延遲1個(gè)周期靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.5 The evaluation of curve for delay 1 cycle static state angle of deformation

圖6 延遲1個(gè)周期動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.6 The evaluation of curve for delay 1 cycle dynamic state angle of deformation

（2）時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致角速率匹配法對(duì)船體變形角的估計(jì)誤差變大，對(duì)動(dòng)態(tài)變形角的估計(jì)誤差尤為顯著。

（3）時(shí)間延遲越大對(duì)濾波精度的影響也越大，過(guò)大時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致濾波發(fā)散，使得角速率匹配法對(duì)船體變形角的估計(jì)失效。

圖7 延遲2個(gè)周期靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.7 The evaluation of curve for delay 2 cycle static state angle of deformation

圖8 延遲2個(gè)周期動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.8 The evaluation of curve for delay 2 cycle dynamic state angle of deformation

圖9 延遲4個(gè)周期靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.9 The evaluation of curve for delay 4 cycle static state angle of deformation

圖10 延遲4個(gè)周期動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.10 The evaluation of curve for delay 4 cycle dynamic state angle of deformation

3 時(shí)間延遲補(bǔ)償方法研究

3.1 引入時(shí)間延遲的卡爾曼濾波器的建立

實(shí)船測(cè)量時(shí)，兩套光纖陀螺實(shí)際輸出的角速率如圖11所示，由于時(shí)間延遲的存在使得兩套陀螺不能同步輸出角速率信息，而且時(shí)間延遲存在長(zhǎng)期的累積誤差，圖11中箭頭表示FGU1的輸出時(shí)刻對(duì)應(yīng)于FGU2的輸出時(shí)刻。

圖11 兩套陀螺按時(shí)間序列輸出角速率Fig.11 The output angular rate for double gyroscopes

在應(yīng)用角速率匹配法時(shí)，如圖12所示，理論上默認(rèn)為兩套陀螺在t時(shí)刻同時(shí)輸出角速率信息，并以ΔΩ=Ωt-Ωt′作為觀測(cè)量進(jìn)行卡爾曼濾波估計(jì)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于時(shí)間延遲的存在，使得其中一套陀螺在t1時(shí)刻輸出角速率數(shù)據(jù)時(shí)，另一套陀螺則在t2時(shí)刻輸出角速率數(shù)據(jù)，因此是以ΔΩ=Ωt2-Ωt1′為觀測(cè)量進(jìn)行卡爾曼濾波估計(jì)的。

如圖12所示，無(wú)延遲時(shí)，在t2時(shí)刻兩套陀螺存在某一變形角，根據(jù)（4）式可得：

如圖13所示，對(duì)于o′x′y′z′坐標(biāo)系來(lái)講，o′x′y′z′在t1與t2時(shí)刻必然存在一定的角速度差，同時(shí)根據(jù)微分方程的知識(shí)，則有：

圖12 oxyz與o′x′y′z′之間的變形角示意圖Fig.12 The diagrammatic sketch of angle of deformation for oxyz and o′x′y′z′

圖13 oxyz在t1與t2時(shí)刻之間的變形角示意圖Fig.13 The diagrammatic sketch of angle of deformation for oxyz between t1to t2

由（6）式與（7）式相加可得：

式中B為：

則（8）式寫(xiě)成矩陣形式為：

將（10）式表示為

其中：

實(shí)際測(cè)量時(shí)，兩套FGU以采樣頻率f輸出角速率信息（理想情況下，兩套陀螺同頻同步輸出角速率信息），由于兩套陀螺之間存在時(shí)間延遲。不失一般性，當(dāng)延遲Δt發(fā)生在］區(qū)間內(nèi)，其中k，i為正整數(shù)，則（11）式中。由于兩套系統(tǒng)的采樣頻率均較高（100 Hz），可以用該區(qū)間內(nèi)的角速率均值代替該區(qū)間內(nèi)任意時(shí)刻的角速率。實(shí)際測(cè)量時(shí)延遲Δt不可預(yù)先獲得，但是可以將Δt作為一個(gè)常值狀態(tài)變量擴(kuò)充到卡爾曼濾波方程中。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述的構(gòu)建量測(cè)方程的方法，并結(jié)合（11）式可以得到：

同樣按照文獻(xiàn)[8]中介紹的方法，選取靜態(tài)變形角Φ、動(dòng)態(tài)變形角θ、動(dòng)態(tài)變形角的一階微分θ˙、兩套光纖陀螺的常值漂移′和隨機(jī)漂移D、D′作為狀態(tài)變量，此時(shí)需要將時(shí)間延遲擴(kuò)充為狀態(tài)變量：

由（13）式構(gòu)建考慮到時(shí)間延遲的量測(cè)方程：

對(duì)于狀態(tài)方程的建立，因?yàn)橥勇萜频哪Ｐ鸵约皠?dòng)態(tài)變形角模型并沒(méi)有發(fā)生變化，而且我們將時(shí)間延遲默認(rèn)為一個(gè)常值，則其有如下式子：

因此引用文獻(xiàn)[8]中所述的狀態(tài)方程，并將（15）式擴(kuò)充進(jìn)去則有：

其中：系數(shù)矩陣A和B中的非零元素同文獻(xiàn)[8]所述的基礎(chǔ)上維數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的增加。矩陣W是白噪聲矩陣，維數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)增加。

3.2 時(shí)間延遲下的理論仿真分析

下面應(yīng)用上述時(shí)間延遲補(bǔ)償方法，分別對(duì)不同的時(shí)間延遲進(jìn)行了補(bǔ)償效果仿真，如圖14～21所示。同時(shí)為了研究本文所述的時(shí)間延遲補(bǔ)償方法的適用范圍，逐漸加大時(shí)間延遲，并分別觀察該方法對(duì)靜態(tài)變形角和動(dòng)態(tài)變形角的估計(jì)效果（一個(gè)延遲周期為10 ms）。

從圖14～21可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償，提高了角速率匹配法對(duì)船體變形角估計(jì)的收斂速度。

圖14 延遲1個(gè)周期并補(bǔ)償 Fig.14 The delay 1 cycle and compensation

圖15 延遲1個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.15 The delay 1 cycle and compensation

圖16 延遲2個(gè)周期并補(bǔ)償 Fig.16 The delay 2 cycle and compensation

圖17 延遲2個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.17 The delay 2 cycle and compensation

圖19 延遲3個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.19 The delay 3 cycle and compensation

圖18 延遲3個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.18 The delay 3 cycle and compensation

圖21 延遲5個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.21 The delay 5 cycle and compensation

圖20 延遲5個(gè)周期并補(bǔ)償Fig.20 The delay 5 cycle and compensation

（2）通過(guò)將時(shí)間延遲擴(kuò)充到卡爾曼濾波器中，可以準(zhǔn)確估計(jì)出時(shí)間延遲的大小。

（3）通過(guò)對(duì)時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償，角速率匹配法對(duì)靜態(tài)變形角的估計(jì)對(duì)延遲大小的影響不敏感，即使時(shí)間延遲很大，估計(jì)效果也較好。

（4）通過(guò)對(duì)時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)時(shí)間延遲較小時(shí)（發(fā)生在40ms以?xún)?nèi)），角速率匹配法對(duì)動(dòng)態(tài)變形角的估計(jì)誤差較小，但當(dāng)延遲較大時(shí)，該方法對(duì)動(dòng)態(tài)變形角的估計(jì)誤差很大。

（5）該方法對(duì)延遲發(fā)生在一個(gè)采樣周期內(nèi)的估計(jì)效果最佳。

4 基于實(shí)船數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲補(bǔ)償方法效果驗(yàn)證

基于本教研室自主研發(fā)的光纖陀螺慣性測(cè)量單元，進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)。包括海上漂泊實(shí)驗(yàn)、碼頭錨泊實(shí)驗(yàn)和航行實(shí)驗(yàn)，其中海上航行實(shí)驗(yàn)過(guò)程經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)舵操作，轉(zhuǎn)舵操作會(huì)導(dǎo)致較大的船體變形發(fā)生。設(shè)備的安裝如圖22所示。

為了驗(yàn)證本算法的實(shí)用性，選取某段海上航行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行離線(xiàn)處理時(shí)，我們根據(jù)GPS的時(shí)間戳將兩套陀螺的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行人工對(duì)齊，得到一組無(wú)延遲的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)MATLAB軟件對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序處理，使得兩套光纖陀螺慣性測(cè)量單元的輸出在該段時(shí)間內(nèi)存在10ms左右的延遲，進(jìn)行離線(xiàn)處理。并對(duì)三組曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)分析：分別包括無(wú)延遲的估計(jì)曲線(xiàn)、有延遲不補(bǔ)償?shù)墓烙?jì)曲線(xiàn)以及有延遲進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓烙?jì)曲線(xiàn)。圖23和圖24分別表示將三條靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)和動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)置于同一坐標(biāo)系下，同時(shí)為了便于觀察比較，將圖中的曲線(xiàn)進(jìn)行了放大處理，分別如圖25和圖26所示。

圖22 光纖陀螺設(shè)備Fig.22 The Fiber optic gyro device

圖23 三條靜態(tài)變形角估計(jì)曲線(xiàn)Fig.23 The 3 static deformation curves of angle estimation

圖24 補(bǔ)償后的動(dòng)態(tài)變形角估計(jì)Fig.24 The dynamic deformation angle estimation after compensation

圖25 放大處理后的曲線(xiàn)Fig.25 Amplification curves after processing

圖26 放大處理后的曲線(xiàn)Fig.26 Amplification curves after processing

由以上圖中曲線(xiàn)，可以得到以下結(jié)論：

存在時(shí)間延遲的估計(jì)曲線(xiàn)與無(wú)延遲的估計(jì)曲線(xiàn)之間存在非常明顯的誤差，而經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲補(bǔ)償?shù)墓烙?jì)曲線(xiàn)與無(wú)延遲的估計(jì)曲線(xiàn)之間的誤差非常小，從而可以看出，實(shí)船試驗(yàn)的分析結(jié)果和理論仿真結(jié)論基本吻合，由此驗(yàn)證了該算法的適用性。

5 結(jié) 論

在應(yīng)用角速率匹配法進(jìn)行實(shí)船測(cè)量船體變形時(shí)，不同的慣性測(cè)量單元之間存在時(shí)間延遲，該延遲會(huì)導(dǎo)致角速率匹配法測(cè)量的船體變形值存在較大誤差，甚至?xí)?dǎo)致該方法失效。針對(duì)此問(wèn)題，本文基于船體變形角模型，引入時(shí)間延遲因子，提出了一種時(shí)間延遲補(bǔ)償方法，并通過(guò)了仿真驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，驗(yàn)證了該方法的有效性。但是有些情況下，實(shí)際系統(tǒng)中的時(shí)間延遲是不確定的，且有可能存在長(zhǎng)期累積誤差，如何對(duì)隨時(shí)間積累的時(shí)間延遲進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償有待于進(jìn)一步的研究。

[1]朱昀炤,汪順亭,繆玲娟,等.船體變形測(cè)量技術(shù)綜述[J].船舶工程,2007,29(6):58-61. Zhu Yunzhao,Wang Shunting,Miao Linjuan,et al.Hull deformation measurement technique were reviewed[J].Ship Engineering,2007,29(6):58-61.

[2]Alan M S.Kalman filter formations for transfer alignment of strapdown inertial units[J].Navigation,1983,30:72-89.

[3]Mochalov V,Kazantsev A V.Use of the ring Laser units for measurement of the moving object deformation[C].Proceedings of SPIE,2002.

[4]Dr Dana L,Day John Arruda.Measuring structural flexure to improve precision tracking[R].ADA 364862,1999.

[5]Mochalov A V.A system for measuring deformation of large-sized objects[C]//RTO/NATO.France,1999:15.1-15.9.

[6]Dr Dana L,Day Lockheed Martin.Measuring structural flexure to improve precision tracking[R].ADA364862,1999.

[7]Lyou Joon1,Lim You-Chol.Transfer alignment error compensator design based on robust state estimation[J].Trans.Japan Soc.Aero.Space Sci.,2005,48(161):143-151.

[8]李金石,秦石喬,王省書(shū).船體形變慣性測(cè)量方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,33S:356. Li Jinshi,Qin Shiqiao,Wang Shengshu.The hull deformation inertial measurement method research[J].Computer Engineering and Applications,2008,33S:356.

[9]黃國(guó)剛,戴洪德,陳 明.快速傳遞對(duì)準(zhǔn)中時(shí)間延遲誤差補(bǔ)償方法[J].測(cè)控技術(shù),2009,28(8):55-57. Huang Guogang,Dai Hongde,Chen Ming.In the rapid transfer alignment time delay error compensation method[J].Observation and Control Technology,2009,28(8):55-57.

[10]徐 林,李世玲,屈新芬.三種傳遞對(duì)準(zhǔn)延時(shí)誤差補(bǔ)償方法的比較研究[J].兵工自動(dòng)化,2011,30(2):22-25. Xu Lin,Li Shilin,Qu Xinfen.Three types of comparative study of transfer alignment delay error compensation method[J]. Ordnance Industry Automation,2011,30(2):22-25.

[11]朱昀炤,湯霞清,李振偉.慣性測(cè)量匹配法測(cè)定船體變形實(shí)施方案研究[J].火力與指揮控制,2008,33:94-97. Zhu Yunzhao,Tang Xiaqing,Li Zhenwei.Inertial measurement matching method of hull deformation plan research[J].Fire Control&Command Control,2008,33:94-97.

[12]柳愛(ài)利,盧 偉.甲板變形測(cè)量技術(shù)研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,24(20):178-180. Liu Aili,Lu Wei.Study of deck deformation measurement technique[J].Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute,2009,24(20):178-180.

A time delay compensation method based on the hull deformation measurement technology by FGU

XU Bo,CHEN Chun,SHI Hong-yang,GUO Yu
(College of Automation,Harbin Engineering University,Haerbin 150001,China)

The ship deformation measurement technology basing on the angular rate matching method by Fiber Gyro Unit has a time delay problem in practical applications by the real ship experiments.This paper analyses the reason of causing time delay,and puts the time delay factor into the deformation angle model proposed by Mochalov who is from Russia,and studies what effects can be make on estimating the deformation of ship by simulation.A time delay compensation method is proposed.After conducted an experiment of measuring the ship deformation,many data of ship measurement are obtained.By using the time delay compensation method,the measurement accuracy of the angular rate matching method can be improved. This paper is helpful for the practical application of the hull deformation measurement technology.

deformation of the hull;angular rate matching method;time delay;

TN967.2

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.008

1007-7294（2015）10-1235-10

2015-01-30

中央高?；窘?jīng)費(fèi)項(xiàng)目（HEUCFQ20150408）；國(guó)家博士后基金（2012M510083）；國(guó)家自然科學(xué)基金課題（61203225）；黑龍江省自然科學(xué)基金（QC2014C069）

徐 博（1982-），男，博士研究生，講師，E-mail:xubocarter@sina.com；

陳 春（1988-），男，碩士，E-mail:chenchun@hrbeu.edu.cn。