[发明专利]一种捷联惯导式测波方法及系统

说明书

本发明公开一种捷联惯导式测波方法及系统，包括有：步骤1，获取载体随波浪在三维空间的运动轨迹数据和运动姿态数据；步骤2，对运动轨迹数据和运动姿态数据进行捷联惯导姿态解算，获取载体的欧拉姿态角和姿态矩阵，并根据姿态矩阵获得载体在自然地理坐标系下的加速度；步骤3，对自然地理坐标系下的加速度，进行二次积分，获取载体的位移量；步骤4，根据载体的位移量，进行跨零法波浪统计，将最大出现率的方向角作为主波向。本发明可实现实时采样及计算输出姿态、速度和位移信息，并提高了仪器的实时观测能力及标准化，提高了仪器性能，并降低了仪器成本、体积和质量。

技术领域

本发明涉及海洋波浪观测领域，具体涉及一种捷联惯导式测波方法及系统。

背景技术

在海洋波浪观测领域，加速度式波浪观测设备因其不受时空范围影响、观测周期范围广等优势，自问世30余年来一直是海洋波浪观测的主要手段。长期以来，人们对加速度测波技术(加速度-位移积分，信号滤波等)和波浪数据处理方法(时域特征统计，频域谱分析等)倾注了极大的关注。对基于高性能嵌入式技术的加速度波浪传感器的研制，则是随着电子技术的发展始于最近20余年。加速度测波技术中，一个重要的环节就是通过惯性测量单元IMU(3轴角加速度计、3轴加速度计、3轴磁力计或电子罗盘)获取载体平台(浮标、船舶、海洋平台)在自然地理坐标系下的的加速度、姿态角，进而通过二次积分、数字滤波技术、跨零法统计获取波浪的特征参数。目前，波浪传感器中通过IMU单元获取自然地理坐标系下加速度和姿态角的方法，主要分为平台惯导式和捷联惯导式这两类。

平台惯导系统机电结构复杂，精度要求较高，对系统的加工工艺、装配精度都需要很高的要求，成本更高，往往一个惯性平台的加工费用就高达整个惯导系统40％以上，且系统稳定性较差，不利于在小体积的波浪传感器上使用。捷联惯导式通过固定在载体上的“数字惯导平台”代替机电式惯性平台，大大减少了系统的体积和制造成本，提高系统的稳定性，但对姿态解算算法、嵌入式计算机处理性能、惯性敏感元件的精度提出了更高要求。因此，基于捷联惯导式波浪测量技术会是下一代波浪传感器的发展方向。捷联惯导式测波技术能够有效的消除海洋浮动平台自身在动态测量环境中带来的不利影响(升沉、纵摇、横摇等)，可稳定获取载体平台在自然地理坐标系下姿态角、航向角、加速度等参数，提高波浪特征参数的计算精度。

根据惯性导航系统的基本原理，运动载体的速度及位移都是基于载体坐标系下加速度2次积分获取位移获取，在积分过程中误差及初始速度不确定性会随着积分在速度和位移中不断累加，需采用合理的数值积分策略和滤波技术方能得到可靠的位移精度。以往的研究多采用硬件积分和硬件滤波器的方法实现，Ribiero的研究表明硬件积分器对正弦稳态信号积分效果较理想，而对于随机性较强的波浪信号积分则误差很大，相对来说数值积分可取得较高的精度并且更加灵活。硬件滤波器的滤波性能是固定的，对于周期随机性较强的波浪来说，不具有自适应性。不同的数值积分处理策略产生的积分结果差别很大，探索合理的加速度-位移积分策略是目前研究的热点，其中包括加速度信号滤波方法选取(FIR,IIR)，不同采样频率下积分方案选取(梯形，Simpson等)，位移趋势项剔除(滑动滤波、最小二乘、经验模态分解等)。

在数据处理平台方面，因为受限于嵌入式微处理的性能，前期的波浪传感器多是按照指定的采样频率(2Hz,4Hz或者8Hz)进行IMU单元采样，完成一段时间的采样后(10min，20min或60min)，再进行积分运算得到相同频率的姿态角、位移数组，然后按照跨零法进行该观测时间段内的波浪特征统计。随着嵌入式处理器性能的快速发展，按照较高的频率边采样边实时计算输出姿态、速度、位移等信息已变为可行，这样可提高仪器的实时观测能力及标准化。

基于以上几点，目前基于稳定惯性平台式波浪传感器存在的仪器成本高、系统可靠性低、缺乏实时观测计算能力、体积和质量较大不利于安装使用等问题。因此，从提高波浪传感器观测精度，提高仪器性能，降低仪器成本、体积和质量，促进仪器标准化和创新自主知识产权的角度出发，捷联惯导式波浪观测技术将是下一代主流。

发明内容