基於高頻虛擬組件的運載器水下導航及海洋遙感技術

《基於高頻虛擬組件的運載器水下導航及海洋遙感技術》是2015年國防工業出版社出版的圖書，作者是王秋瀅、董千慧、田軍。

基本介紹

• 書名：基於高頻虛擬組件的運載器水下導航及海洋遙感技術
• 作者：王秋瀅、董千慧、田軍
• 出版社：國防工業出版社
• 出版時間：2015年8月
• 頁數：106 頁
• 開本：32 開
• 裝幀：平裝
• ISBN：978-7-118-10003-7

內容簡介

本書為Springer 出版社出版的“造船學、海洋工程、造船業和船舶”系列叢書之一由Chrystel Gelin 編寫 書中首先闡述了本書研究內容的原因和意義並對本書的研究內容進行了簡單介紹使讀者充分了解。

本書的發展脈絡 然後介紹了水面無人艇的基本概念、各類感測器和數據採集系統讓讀者對水面無人艇有了簡單並全面的認識 在此基礎上詳細介紹了水面無人艇的數據處理技術並基於該技術進行大量試驗通過對試驗數據的詳細分析、深入處理以及試驗結果的列舉充分驗證了水面無人艇數據採集系統的信息處理能力使讀者對該技術的理論正確性與工程適用性有了充分的了解。

本書不僅介紹了水面無人艇的相關理論知識還對相關技術的工程適用性進行了充分驗證對該領域的相關研究工作具有重要的參考價值"。

目錄

圖Ⅸ

表

第1章概論1

1.1水文數據採集自主水面艇2

1.2網關USV3

1.3目標系統5

1.4問題陳述5

1.5本書貢獻7

1.5.1本書提綱8

第2章測量儀器和數據採集系統9

2.1感測器9

2.1.1聲學都卜勒流速剖面儀9

2.1.2慣性測量單元13

2.1.3TCM2型羅經14

2.1.4傾斜計15

2.1.5全球定位系統15

2.2數據採集系統17

2.2.1主機17

2.2.2目標機17

2.2.3USV硬體結構18

2.2.4計算機網路20

2.2.5軟體概述20

第3章數據處理技術22

3.1參考坐標系22

3.1.1地球參考坐標系23

3.1.2北東地參考坐標系23

3.1.3載體坐標系24

3.1.4船舶狀態量24

3.2坐標系轉換26

3.2.1地理坐標繫到ECEF和ECEF到NED的坐標系轉換26

3.2.2器件坐標繫到載體坐標系的轉換28

3.2.3載體坐標繫到NED坐標系的轉換28

3.3數據融合29

3.3.1數據融合概述30

3.3.2歐拉角估算31

3.4ADCP處理過程39

第4章運動觀測和試驗結果42

4.1垂直運動42

4.1.1加速度研究42

4.1.2速度計算46

4.1.3垂直位置計算51

4.2數據採集系統實驗室測試53

4.2.1步驟一：獨立測量原始數據處理55

4.2.2步驟二：確定數據融合方式62

4.2.3步驟三：用於DGPS測量數據與已融合數據的

數據融合低通濾波器以及基於互相關方法的相關性結論65

4.2.4步驟四：信號混合高通濾波器以及信號標準差計算66

第5章數據採集系統海上試驗68

5.1運動數據採集系統和導航數據融合結果69

5.2ADCP原始測量數據與校正結果71

5.2.1沿聲束坐標系的ADCP數據校正72

5.2.2沿北東上坐標系、ADCP地球參考坐標系的ADCP數據校正84

5.3海上試驗總結92

第6章總結93

附錄A儀器輸出信息格式101

附錄BADCP設定與採集103

參考文獻105

圖1自主水面艇ACES2

圖2自主水面艇DELFIM（ASIMOV項目的子課題，始於1998年，

該艦艇由系統與機器人研究院製造）4

圖3 FAU自主水面艇示意圖5

圖4美國RDI公司生產的ADCP10

圖5從船底下方向上看，ADCP聲束3的方向與船艏向夾角為45°10

圖6 ADCP傳播原理示意圖（ADCP安裝在船舶甲板上，圖中為沿4個方向的4束聲束）11

圖7 ADCP測速標準差（與每次均值/總體脈衝數和測深單元大小有關）12

圖8美國BEI SDI公司製造的Motion Pack Ⅱ型慣性測量單元13

圖9 TCM220型羅經（包含一個兩軸傾角計和一個三軸磁力計）14

圖10由Fredericks公司製造的傾斜計（測角範圍±60°）15

圖11 GPS 24顆衛星位置示意圖16

圖12 GARMIN 76型GPS接收機圖片16

圖13數據採集系統整體框圖（包括感測器、計算機和連結部分）17

圖14數據採集結構示意圖19

圖15數據採集系統硬體結構圖（包括感測器、計算機和連結部分)19

圖16 Belkin 802.11g型無線Cable/DSL網關路由器和802.11g輕便型無線網卡20

圖17主機、PC104目標機存儲棧、感測器與作業系統連結結構框圖21

圖18 ECEF坐標系和ECI坐標系與其坐標軸示意圖23

圖19 NED參考坐標系示意圖24

圖20船舶固連參考坐標系與載體運動的6個自由度（縱盪、橫盪、升沉、縱搖、橫搖、方位）示意圖（Fossen,1994）25

圖21感測器測量輸出參數與坐標系轉換示意圖26

圖22橢球體參數示意圖27

圖23與旋轉角度有關的角速度測量32

圖24 IMU（藍）和傾斜計（紅）估算低頻歐拉角L（θL）結果比較曲線32

圖25 IMU/TCM2/傾斜計信息融合估算歐拉角β結構圖34

圖26加速度計計算歐拉角L、θL（藍）與數據融合計算歐拉

角、θ（紅）比較結果， 羅經計算ψL（藍）與信息融合

計算ψ（紅）比較結果，黑色曲線為信息融合計算歐拉角

與IMU計算歐拉角的差值35

圖27運動方式3情況下， 積分歐拉角速率〖AK·〗、 〖AKθ·〗、 〖AKψ·〗的高頻

分量（藍）與信息融合計算歐拉角、θ、ψ的高頻分量

（紅）的比較結果，黑色曲線為兩信號的差值37

圖28紅色曲線為數據融合歐拉角、θ、ψ的PSD值，藍色

曲線為傾斜計計算得到的歐拉角L、θL、ψL的PSD

值，黑色曲線為積分歐拉角速率〖AK·〗、〖AKθ·〗、〖AKψ·〗的PSD值38

圖29 IMU與GPS數據融合估算船舶速度V的結構框圖39

圖30 ADCP聲束與參考坐標系40

圖31垂直運動測量裝置43

圖32垂直運動試驗(原始垂直加速度Az)43

圖33 Az功率譜示意圖（從上到下左側一列曲線的設定周期分

別為5s、15s和25s，右側曲線為左側相應信號濾波結果）44

圖34周期分別為5s、15s、25s的加速度測量值（黑）和濾波結果（紅）曲線45

圖35 Az的PSD值(運動周期1、2、3的設定值分別為5s、10s、

15s，運動周期4、5、6的設定值分別為20s、25s、35s)46

圖36加速度曲線(運動周期1、3、5的設定值分別為5s、15s、25s為紅色曲線，系統測量加速度為藍色曲線，兩信號的

差值為黑色曲線)〖HT6SS〗47

圖37真實速度Vz（紅）、利用detrend函式和積分加速度解算

速度（藍）以及兩信號的差值（黑）（設定周期1、3、5）48

圖38真實速度Vz（紅）、加速度積分後通過高通濾波器解算

速度（藍）以及兩信號的差值（黑）（設定周期1、3、5）〖HT6SS〗49

圖39真實速度Vz（紅）、數據融合解算速度（藍）以及兩信號

的差值（黑）(設定周期1、3、5）50

圖40真實位置Z（紅）、積分速度後採用高通濾波器解算位

置（藍）以及兩信號的差值（黑）（設定周期1、3、5）51

圖41真實位置Z（紅）、數據融合解算位置（藍）以及兩信號

的差值（黑）(設定周期1、3、5）52

圖42安裝在手推車剛性鋼板上的IMU、傾斜計和TCM2型羅經54

圖43 IMU與GPS測量結果的數據融合方法(包括估算系統位置和速度的全頻段信息)〖JP〗54

圖44利用DGPS測量數據描繪的方形路徑55

圖45利用DGPS測量數據描繪的端點間鋸齒形運動路徑56

圖46利用DGPS測量數據描繪的圓形路徑56

圖47傾斜計測量手推車橫搖角和縱搖角曲線57

圖48沿方形軌跡、端點間鋸齒運動的方[JP3]形軌跡和圓形軌跡IMU

測量加速度沿北向（藍）、東向（紅）分量的PSD結果59

圖49沿三種軌跡運動的測試中，頻率高於2Hz的信號對數據

採集系統IMU測量加速度的影響60

圖50方形路徑下DGPS位置信號、DGPS速度信號、IMU加速

度信號的PSD曲線（藍色曲線為量測值的北向分量，紅色曲線為量測值的東向分量）61

圖51 IMU測量加速度與DGPS測速數據融合估算速度增強信號結構圖62

圖52 DGPS北向速度分量和IMU北向加速度分量的數據融合其中幾步的PSD結果63

圖53融合後的速度時域信號（紅）與直接積分IMU加速度信號（黑）的比較曲線，藍色曲線為DGPS測速64

圖54 DGPS定位與速度的數據融合結構框圖(速度為IMU加速度測量數據和DGPS測速數據融合結果)65

圖55 DGPS測速北向（或東向）分量與融合速度估算結果北向

（或東向）分量的相關性， DGPS定位北向（或東向）分量

與融合位置估算結果北向（或東向）分量的相關性66

圖56佛羅里達洋流示意圖68

圖57基於DGPS測量數據的兩種海上運動軌跡69

圖58數據融合頻率點0.05Hz附近DGPS測速PSD（藍）、IMU

加速度估算結果的PSD（黑）、數據融合得到速度

強化估算結果（紅）70

圖59第一種和第二種運動路徑下，通過數據融合得到船舶運

動強化速度信號估算結果時域分量， 其中北向（東向、

地向）分量為藍色（紅色、黑色）曲線71

圖60數據採集系統解算船舶運動強化速度信號投影至ADCP

聲束坐標系的旋轉過程示意圖73

圖61載體在第一種運動路徑下，船舶運動速度（藍）沿聲束2

（a）和聲束3（d）方向投影、 水[KG*9]流[KG*9]速度測量結果（黑）沿

聲束2（b）和聲束3（e）方向投影、水流速度真實值（紅）

沿聲束2（c）和聲束3（f）方向投影比較曲線，聲束2和

聲束3均指向前方74

圖62載體在第一種運動路徑下，船舶運動速度（藍）沿聲束1

（a）和聲束4（d）方向投影、水流速度測量結果（黑）沿聲

束1（b）和聲束4（e）方向投影、 水流速度真實值（紅）沿聲

束1（c）和聲束4（f）方向投影比較曲線，聲束1和聲束4均

指向船尾75

圖63第一種運動路徑（向南後向東）下，原始ADCP測速沿聲束2投影，聲束2指向前76

圖64第一種運動路徑（向南後向東）下，校正後的ADCP測速沿聲束2投影，聲束2指向前77

圖65第一種運動路徑（向南後向東）下，原始ADCP測速沿聲束3投影，聲束3指向前77

圖66第一種運動路徑（向南後向東）下，校正後的ADCP測速沿聲束3投影，聲束3指向前78

圖67第一種運動路徑（向南後向東）下，原始ADCP測速沿聲束1投影，聲束1指向尾78

圖68第一種運動路徑（向南後向東）下，校正後的ADCP測速沿聲束1投影，聲束1指向尾78

圖69第一種運動路徑（向南後向東）下，原始ADCP測速沿聲束4投影，聲束4指向尾79

圖70第一種運動路徑（向南後向東）下，校正後的ADCP測速沿聲束4投影，聲束4指向尾79

圖71載體在第二種運動路徑下，船舶運動速度（藍）沿聲束2（a）

和聲束3（d）方向投影、水流速度測量結果（黑）沿聲束2

（b）和聲束3（e）方向投影、水流速度真實值（紅）沿聲束2

（c）和聲束3（f）方向投影比較曲線，聲束2和聲束3均指向前方81

圖72載體在第二種運動路徑下，船舶運動速度（藍）沿聲束1（a）

和聲束4（d）方向投影、水流速度測量結果（黑）沿聲束1

（b）和聲束4（e）方向投影、水流速度真實值（紅）沿聲束

1（c）和聲束4（f）方向投影比較曲線，聲束1和聲束4均指向尾部82

圖73 ADCP測量數據轉換至北東上坐標系的旋轉過程示意

圖(該坐標系用於計算船舶速度強化測量結果)85

圖74在第一種和第二種運動路徑的時域範圍內，船舶運動北向

分量（藍）、在第一個測深單元中心處ADCP水流速度測量

結果（黑）、沿NEU坐標系水流速度校正結果（紅）86

圖75在第一種和第二種運動路徑的時域範圍內，船舶運動東向

分量（藍）、在第一個測深單元中心處ADCP水流速度測量

結果（黑）、沿NEU坐標系水流速度校正結果（紅）86

圖76第一種運動路徑（L形，向南後向東）下，[KG*5]原始ADCP測速

北向分量87

圖77第一種運動路徑（L形，向南後向東）下， 校正後的ADCP測速北向分量88

圖78第一種運動路徑（L形，向南後向東）下， 原始ADCP測速東向分量88

圖79第一種運動路徑（L形，向南後向東）下， 校正後的ADCP測速東向分量89

圖80第二種運動路徑（直線形，向南後向北）下，[KG*9]原始ADCP測速北向分量89

圖81第二種運動路徑（直線形，向南後向北）下，校正後的ADCP測速北向分量90

圖82第二種運動路徑（直線形，向南後向北）下，原始ADCP測速東向分量90

圖83第二種運動路徑（直線形，向南後向北）下，校正後的ADCP測速東向分量91

圖84 IMU/TCM2/傾斜計估算歐拉角β結構圖95

圖85 IMU測量加速度與DGPS測速估算速度強化信號的數據融合過程結構圖96

圖86 DGPS定位結果與速度融合估算結果的數據融合過程結構圖（融合速度通過IMU加速度與DGPS測速融合得到）97

圖87海上試驗兩次機動（先東南向後東北向）情況下的GoogleEarth可視化效果圖100

[LM]

表[KG*3]目[KG*3]錄

表1美國RDI公司生產的駿馬系列300kHz寬頻ADCP主要性能指標11

表2 Motion Pack Ⅱ型慣性測量單元規格性能指標13

表3 TCM220型羅經（包含一個兩軸傾角計和一個三軸磁力計）規格性能指標14

表4由Fredericks公司製造的傾斜計（測角範圍±60°）的性能指標15

表5 GARMIN 76型GPS接收機規格性能指標16

表6三種陸地運動路徑下，數據採集系統傾斜計測量手推車橫搖角和縱搖角的均值和方差統〖JP2〗計結果， 以及該水平傾角對

〖JP〗

IMU測量結果的影響58

表7三種運動軌跡下手推車運動等價頻率統計結果62

表8三種運動軌跡下信息採集系統融合速度信號的標準差結果統計67

表9第一種運動路徑下，在第一個測深單元位置船舶運動強化速度、原始與校正後的ADCP水流速度沿聲束坐標系投影的測量結

果75

表10第一種運動路徑下，沿聲束坐標系測速得到的原始與校正後的ADCP水流速度估算結果80

表11第二種運動路徑下，在第一個測深單元位置沿聲束坐標

系的船舶速度、原始與校正後的ADCP水流速度測量結

果83

表12第二種運動路徑下，沿聲束坐標系測速得到的原始與校正後的ADCP水流速度估算結果84

表13兩種運動路徑下，在第一個測深單元處沿北東上坐標系的船舶速度、原始與校正後的ADCP水流速度測量結

果87

表14兩種運動路徑下，沿NEU坐標系測速得到的原始與校正

後的ADCP水流速度91

表15數據採集系統陸用三種運動路徑下，融合速度信號標準

差統計結果98

表16海上試驗兩種運動路徑下,ADCP數據校正後水流速度估算結果總結99

表17兩種海上運動路徑，在不同測深單元處利用速度誤差標

準差估算ADCP測速標準差結果100

表18 RS232暫存器103

表19 PD0標準輸出數據快取格式104"