CN112461234B - 垂直出水航行体特征位置到达时刻估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直出水航行体特征位置到达时刻估计方法，其步骤包括：利用航行体上安装的惯性传感器获取视加速度、角速率的时间序列测量数据；建立参考质点水下运动全过程的速度、位移以及俯仰角、偏航角时间序列；将所述质点运动轨迹换算到航行体头部和尾部的特征点，并迭加航行体姿态修正，分别得到头部特征点和尾部特征点的运动轨迹，由航行体尺寸和运载平台水下航行深度等信息确定特征位置，通过线性插值得到特征位置的到达时刻信息。本发明解决了出水航行体设计、测试中的特征位置到达时刻估计问题，实现了对大尺度水下航行体在舱内段、水中段、出水段的运动过程进行准确界定，为航行体在水下不同阶段的性能差异性分析提供了依据。
Description
技术领域
本发明属于垂直出水航行体设计、测试领域，尤其涉及航行体在出水过程中的水下段特征位置到达时刻估计方法。
背景技术
垂直出水航行体的水下运动，历经舱内段(从启动到尾部出舱)、水中段(从尾部出舱到头部触水)、出水段(从头部触水到尾部出水)等关键过程，这些关键过程为航行体水下运动的特征段。在航行体的设计、测试过程中，通常在航行体内部安装惯性传感器，通过获取视加速度、角速率等信息来得到水下段全过程的轨迹、姿态等信息。
由于舱内段、水中段、出水段所处的工况条件和环境条件有显著差异，需在评价过程中对其各段分别进行分析研究。在海上外场测试中，对垂直出水航行体的高精度外测技术很难实现，只能通过惯性传感器数据推断来不同特征段在时间序列上的分布，因此需要对垂直出水航行体到达相应特征位置的时刻进行准确估计。
对于垂直出水航行体到达特征位置的时刻，现有技术通常对垂向加速度数据进行积分获取垂直运动的速度、位置信息，再通过航行体与运载平台的几何关系推算特征点到达时刻信息，未考虑垂直出水航行体运动过程中的姿态变化带来的影响，在大姿态运动条件下将产生较大误差。本发明针对垂直出水航行体测试工程应用场景，提出一种基于航行体视加速度、角速率时间序列信息的水下段特征位置到达时刻估计方法，以满足垂直出水航行体在水下不同特征阶段的分析评价要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于航行体视加速度、角速率时间序列信息的水下段特征位置到达时刻估计方法，实现对航行体垂直出水过程舱内段、水中段、出水段相关特征位置到达时刻的有效估计，用于海上测试中的出水性能分析与评价。
本发明提供了一种垂直出水航行体特征位置到达时刻估计方法，其步骤包括：
S1，待测航行体于水下运载平台上以一定的垂向作用力释放，在经历舱内段、水中段、出水段三个过程后完成出水，航行体上安装的惯性传感器获取视加速度、角速率的时间序列测量数据，航行体释放时刻为时间序列测量数据的时间零点。
S2，以惯性传感器安装位置为参考质点，建立参考质点水下运动全过程的速度、位移以及俯仰角、偏航角时间序列。
S3，将所述质点运动轨迹换算到航行体头部和尾部的特征点，并迭加航行体姿态修正，分别得到头部特征点和尾部特征点的运动轨迹。以头部特征点和尾部特征点轨迹随时间变化序列为依据，由航行体尺寸和运载平台水下航行深度等信息确定特征位置，通过线性插值得到特征位置的到达时刻信息。
所述的步骤S1具体包括，
S11，建立坐标系，选取航行体从运载平台上释放时惯性传感器所在位置为原点，X轴铅直指向海面，Y轴指向运载平台航行方向，Z轴与X轴、Y轴构成右手坐标系。
S12，已知航行体长度为L，根据惯性传感器安装位置，沿航行体轴向，将其分为上、下2段，长度分别为La和Lb，L＝La+Lb；运载平台航行深度，即从舱外甲板到水面的距离，为Hwar，航行体运载舱深度，即从舱外甲板到舱底的距离，为Hcan。
S13，航行体从运载平台上的释放时刻记为T0，尾部出舱时刻记为T1，头部触水时刻记为T2，尾部出水时刻记为T3。
S14，获取的时间序列数据包括X轴、Y轴和Z轴三个方向的视加速度aX(ti)、aY(ti)、aZ(ti)，以及俯仰角速率
偏航角速率wψ(ti)、滚动角速率wγ(ti)，取样的离散时间向量为T＝[t0,t1,…,tN]。
所述的步骤S2具体包括，
S21，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据X方向的视加速度时间序列可得到该质点速度参数的时间序列：
其中，aX(ti)、aX(ti+1)分别为与时间点ti、ti+1对应的X方向视加速度数据，i＝0,1,...,N；vi+1、vi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向速度，v0＝0；g为重力加速度。
进一步可得到该质点在X方向位移参数的时间序列：
其中，xi+1、xi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向位移，x0＝Lb-Hcan。
S22，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据俯仰角速率、偏航角速率的时间序列可得到俯仰角、偏航角参数的时间序列：
其中，
分别为俯仰角速率时间序列与时间点ti、ti+1对应的数据，i＝0,1,...,N；wψ(ti)、wψ(ti+1)分别为偏航角速率时间序列与时间点ti、ti+1对应的数据；
分别为第i+1个、第i个时间点的俯仰角，
ψi+1、ψi分别为第i+1个、第i个时间点的偏航角，ψ0＝0。
所述的步骤S3具体包括，
S31，将航行体作为刚体，对俯仰角和偏航角变化产生的头部和尾部到达位置偏差进行修正；将以惯性传感器的位置作为参考质点的航行体运动轨迹变换为以头部和尾部作为参考质点的轨迹：
由此，得到与时间标度T＝[t0,t1,…,tN]对应的沿X方向的航行体头部位移序列
和航行体尾部位移序列
S32，根据数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝0的时刻，即为尾部出舱时刻T1。
S33，根据数据序列Xu(ti)和T，通过线性插值求出满足Xu(t*)＝Hwar的时刻，即为头部触水时刻T2。
S34，根据数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝Hwar的时刻，即为尾部出水时刻T3。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明解决了垂向出水航行体设计和测试中的特征位置到达时刻估计问题，为区分评价航行体在水下不同阶段的性能提供了基础信息。搭载在水下航行运载平台上的垂向运动航行体在海上条件下很难从外部进行有效观测，而通过加装在水下航行体中的惯性传感器获取视加速度和角速率数据是易于实现的。传统方法将航行体视为质点运动，通过视加速度直接积分得出位移作为判据，未考虑姿态变化产生的影响，当航行体尺寸相对于工作水深的尺度不可忽略时，基于质点的估计将产生较大误差。
(2)本发明通过将航行体的刚体运动特性与工程几何条件相结合，建立基于惯性传感器数据的、有几何约束的、可姿态连续修正的特征点到达时刻估计算法，实现对较大尺度水下航行体在舱内段、水中段、出水段的运动过程进行准确界定，为不同阶段的性能差异性分析提供依据。
附图说明
图1为航行体出水典型过程及特征时刻示意图。
图2为实施例中的航行体出水特征时刻估计结果。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
本实施例提供了一种垂直出水航行体特征位置到达时刻估计方法，其步骤包括：
S1，待测航行体于水下运载平台上以一定的垂向作用力释放，在经历舱内段、水中段、出水段三个过程后完成出水，航行体上安装的惯性传感器获取视加速度、角速率的时间序列测量数据，航行体释放时刻为时间序列测量数据的时间零点。
S2，以惯性传感器安装位置为参考质点，建立参考质点水下运动全过程的速度、位移以及俯仰角、偏航角时间序列。
S3，将所述质点运动轨迹换算到航行体头部和尾部的特征点，并迭加航行体姿态修正，分别得到头部特征点和尾部特征点的运动轨迹。以头部特征点和尾部特征点轨迹随时间变化序列为依据，由航行体尺寸和运载平台水下航行深度等信息确定特征位置，通过线性插值得到特征位置的到达时刻信息。
所述的步骤S1具体包括，
S11，建立坐标系，选取航行体从运载平台上释放时惯性传感器所在位置为原点，X轴铅直指向海面，Y轴指向运载平台航行方向，Z轴与X轴、Y轴构成右手坐标系。
S12，已知航行体长度为L，根据惯性传感器安装位置，沿航行体轴向，将其分为上、下2段，长度分别为La和Lb，L＝La+Lb；运载平台航行深度，即从舱外甲板到水面的距离，为Hwar，航行体运载舱深度，即从舱外甲板到舱底的距离，为Hcan。
S13，航行体从运载平台上的释放时刻记为T0，尾部出舱时刻记为T1，头部触水时刻记为T2，尾部出水时刻记为T3。
S14，获取的时间序列数据包括X轴、Y轴和Z轴三个方向的视加速度aX(ti)、aY(ti)、aZ(ti)，以及俯仰角速率
偏航角速率wψ(ti)、滚动角速率wγ(ti)，取样的离散时间向量为T＝[t0,t1,…,tN]。
所述的步骤S2具体包括，
S21，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据X方向的视加速度时间序列可得到该质点速度参数的时间序列：
其中，aX(ti)、aX(ti+1)分别为与时间点ti、ti+1对应的X方向视加速度数据，i＝0,1,...,N；vi+1、vi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向速度，v0＝0；g为重力加速度。
进一步可得到该质点在X方向位移参数的时间序列：
其中，xi+1、xi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向位移，x0＝Lb-Hcan。
S22，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据俯仰角速率、偏航角速率的时间序列可得到俯仰角、偏航角参数的时间序列：
其中，
分别为俯仰角速率时间序列与时间点ti、ti+1对应的数据，i＝0,1,...,N；wψ(ti)、wψ(ti+1)分别为偏航角速率时间序列与时间点ti、ti+1对应的数据；
分别为第i+1个、第i个时间点的俯仰角，
ψi+1、ψi分别为第i+1个、第i个时间点的偏航角，ψ0＝0。
所述的步骤S3具体包括，
S31，将航行体作为刚体，对俯仰角和偏航角变化产生的头部和尾部到达位置偏差进行修正；将以惯性传感器的位置作为参考质点的航行体运动轨迹变换为以头部和尾部作为参考质点的轨迹：
由此，得到与时间标度T＝[t0,t1,…,tN]对应的沿X方向的航行体头部位移序列
和航行体尾部位移序列
S32，根据数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝0的时刻，即为尾部出舱时刻T1。
S33，根据数据序列Xu(ti)和T，通过线性插值求出满足Xu(t*)＝Hwar的时刻，即为头部触水时刻T2。
S34，根据数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝Hwar的时刻，即为尾部出水时刻T3。
水下运载平台携带航行体在测试海区内沿预定航线航行，航行深度为航行体长度2倍，惯性传感器安装载航行体上部。运载平台将航行体释放后，航行体做垂向运动直至出水。
如图1所示，航行体在出水过程中经历舱内段、水中段、出水段，需要基于在此过程中获取视加速度和角速率的时间序列数据对尾部出舱时刻T1、头部触水时刻T2、尾部出水时刻T3进行估计。
根据X方向视加速度数据序列按式(1)计算以传感器位置作为参考质点的速度序列，如图2中的图a所示；进而由式(2)计算其位移序列，如图2中的图b所示。
根据俯仰角速率、偏航角速率数据序列，按式(3)计算以传感器位置作为参考质点的俯仰角序列，如图2中的图c所示；再由式(4)计算其偏航角序列，如图2中的图d所示。
结合获取的俯仰角、偏航角序列，按式(5)将以传感器位置作为参考质点的位置序列变换为以头部作为参考质点的轨迹，按式(6)将以传感器位置作为参考质点的位置序列变换为以尾部作为参考质点的轨迹。
根据以航行体尾部为参考质点的数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝0的时刻，即为尾部出舱时刻T1。
根据以航行体尾部为参考质点的数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xu(t*)＝Hwar的时刻，即为头部触水时刻则T2。
根据以航行体尾部为参考质点的数据序列Xd(ti)和T，通过线性插值求出满足Xd(t*)＝Hwar的时刻，即为尾部出水时刻则T3。
图2中的虚线标绘了T1、T2、T3在各时间序列曲线中的位置。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (1)
1.一种垂直出水航行体特征位置到达时刻估计方法，其特征在于，其步骤包括：
S1，待测航行体于水下运载平台上以一定的垂向作用力释放，在经历舱内段、水中段、出水段三个过程后完成出水，航行体上安装的惯性传感器获取视加速度、角速率的时间序列测量数据，航行体释放时刻为时间序列测量数据的时间零点；
S2，以惯性传感器安装位置为参考质点，建立参考质点水下运动全过程的速度、位移以及俯仰角、偏航角时间序列；
S3，将所述质点运动轨迹换算到航行体头部和尾部的特征点，并迭加航行体姿态修正，分别得到头部特征点和尾部特征点的运动轨迹；以头部特征点和尾部特征点轨迹随时间变化序列为依据，由航行体尺寸和运载平台水下航行深度信息确定特征位置，通过线性插值得到特征位置的到达时刻信息；
所述的步骤S1具体包括，
S11，建立坐标系，选取航行体从运载平台上释放时惯性传感器所在位置为原点，X轴铅直指向海面，Y轴指向运载平台航行方向，Z轴与X轴、Y轴构成右手坐标系；
S12，已知航行体长度为L，根据惯性传感器安装位置，沿航行体轴向，将其分为上、下2段，长度分别为La和Lb，L＝La+Lb；运载平台航行深度，即从舱外甲板到水面的距离，为Hwar，航行体运载舱深度，即从舱外甲板到舱底的距离，为Hcan；
S13，航行体从运载平台上的释放时刻记为T0，尾部出舱时刻记为T1，头部触水时刻记为T2，尾部出水时刻记为T3；
S14，获取的时间序列数据包括X轴、Y轴和Z轴三个方向的视加速度aX(ti)、aY(ti)、aZ(ti)，以及俯仰角速率
偏航角速率wψ(ti)、滚动角速率wγ(ti)，取样的离散时间向量为T＝[t0,t1,…,tN]；
所述的步骤S2具体包括，
S21，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据X方向的视加速度时间序列可得到该质点速度参数的时间序列：
其中，aX(ti)、aX(ti+1)分别为与时间点ti、ti+1对应的X方向视加速度数据，i＝0,1,...,N；vi+1、vi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向速度，v0＝0；g为重力加速度；
进一步可得到该质点在X方向位移参数的时间序列：
其中，xi+1、xi分别为第i+1个、第i个时间点的X方向位移，x0＝Lb-Hcan；
S22，以惯性传感器的位置作为参考质点，根据俯仰角速率、偏航角速率的时间序列可得到俯仰角、偏航角参数的时间序列：
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分别为第i+1个、第i个时间点的俯仰角，
ψi+1、ψi分别为第i+1个、第i个时间点的偏航角，ψ0＝0；
所述的步骤S3具体包括，
S31，将航行体作为刚体，对俯仰角和偏航角变化产生的头部和尾部到达位置偏差进行修正；将以惯性传感器的位置作为参考质点的航行体运动轨迹变换为以头部和尾部作为参考质点的轨迹：
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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