论文总字数：25692字

摘 要

在海上航行过程中，船舶受海浪等复杂海洋环境因素的干扰，被动地产生六自由度的摇荡运动。在恶劣海况下，提取船舶的瞬时升沉运动信息，这对于舰载机的升降和舰载武器发射等海事活动的顺利进行有着十分重要的意义。

本论文基于惯性导航系统，以动态环境下舰船的瞬时线运动为研究对象，在对海浪波的构成机理充分研究学习后，探寻不同海况和运动状态下舰船瞬时线运动的高精度解算方法。

本论文依靠惯性导航系统，运用惯性元器件的测量值进行导航解算，经坐标转换后获得舰船线运动的综合加速度输出，通过积分求解横荡、纵荡和垂荡运动信息。本论文比较了舰船在系泊与航行两种状态下的航行运动，完成其升沉运动的数学建模。同时基于捷联航姿系统，利用不同滤波工具及卡尔曼滤波对舰船升沉运动进行研究，并寻找最优的滤波方案。

关键词：捷联惯导系统，升沉运动，滤波，瞬时线运动，卡尔曼滤波

Abstract

Ships in the course of navigation at sea will inevitably be disturbed by complex marine

environmental factors such as waves and sea breeze, and passively generate six degrees of freedom of swinging movements. In severe sea conditions, the instantaneous heave motion information of the ship is extracted, which is of great significance for the smooth conduct of maritime activities such as the take-off and landing of carrier-based aircraft, the launch of ship-based weapons, the landing of hovercrafts, and the replenishment of ships.

This dissertation is based on the inertial navigation system and takes the instantaneous line motion of the ship under dynamic environment as the research object. After fully studying and studying the forming mechanism of the wave, it explores the high-precision solution of the ship's instantaneous line motion under different sea conditions and motion conditions. method.

This dissertation relies on the inertial navigation system, uses the measurement value of the inertia component to carry on the navigation solution, obtains the integrated acceleration output of the ship's line motion after the coordinate transformation, solves the swaying, swaying and hesitation movement information through integral. This dissertation compares the ship's voyage motions in both mooring and sailing and completes the mathematical modeling of its heave motion. At the same time, based on the strapdown attitude system, using different filtering tools and Kalman filter to study the ship's heave motion, and find the optimal filter program.

Key words:Strapdown inertial navigation system , heave motion, filtering, instantaneous line movement, Kalman filtering

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 4

1.1 课题背景 4

1.2 舰船运动特性 4

1.3 课程研究意义 4

1.4 国内外发展 5

第二章 捷联惯导系统及舰船运动 6

2.1 捷联惯导的基础知识 6

2.1.1 陀螺仪 6

2.1.2 加速度计 6

2.2 捷联惯导的工作原理 6

2.3 常用坐标系的定义及转换 7

2.3.1 地理坐标系n系 7

2.3.2 载体坐标系b系 7

2.3.3 惯性坐标系i系 7

2.3.4 半固定坐标系s系 7

2.3.5 地理坐标系n系与载体坐标系b系之间的转换 7

2.3.6 地理坐标系n系与半固定坐标系s系之间的转换 8

2.4 舰船升沉运动数学模型的建立 8

2.5 舰船瞬时线运动测量方案 9

第三章 惯导解算与卡尔曼滤波器 11

3.1 四元数法 11

3.2 惯导解算 13

3.3 卡尔曼滤波 15

第四章 数字滤波器 18

4.1 FIR滤波器 18

4.2 IIR滤波器 18

4.3 滤波器的选择 21

第五章 仿真实验 24

5.1 系泊状态 24

5.2 航行状态 27

第六章 结论 32

致谢 33

参考文献 34

绪论

课题背景

在海上航行期间，船舶受到复杂的海洋环境因素，如海浪和海风的干扰。它们将使得船舶被动地产生六个摆动自由度，包括三个坐标轴的轴向移动和旋转运动。在沿轴向移动的三种运动模式中，方位轴上的周期性往复运动即升沉运动比船本身的水平和垂直摆动更重要。在严峻的海况下，提取船舶的瞬时升沉运动信息，这对于舰载机升空，舰载武器发射，气垫船登陆，舰船补给等海事活动的顺利进行具有重要意义。

捷联惯导系统是一种自主导航系统，现有的捷联惯性导航系统主要用于测量船舶的姿态、速度和位置信息，具有制造成本低，性能好等诸多特点，随着惯性测量技术的发展，惯性导航的精度获得提高。惯性导航已经成为导航系统中不可缺少的导航方法。惯性测量单元能够感应船舶运动的加速度并将它们整合来计算升沉速度和位移，是测量升沉最为广泛的设备。

本次毕业设计，在熟知和掌握捷联惯导的相关原理、舰船运动特点以及不同滤波器设计原理的基础上，完成舰船运动模型的建立、升沉运动的计算、分析与比较。

舰船运动特性

在航行过程中，船舶主要是航行，这是船舶的主动运动。 船只也可能受到波浪，海风，洋流和其他海洋环境因素的干扰，它会产生震动。 如果船舶被视为刚体，这些扰动将使船舶产生六种自由运动，即横摇、纵摇、舷摇、垂荡、横荡、纵荡。定义由干扰引起的这种运动是船舶的一种瞬时运动。

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