慣性傳感器在船舶運動測量中的應(yīng)用

文章出處：新聞動態(tài) 責(zé)任編輯：百世精工科技發(fā)表時間：2023-05-18 10:40:09

一、實時船舶運動

除了 EKF，SBG Systems 慣性傳感器還計算來自加速度計二重積分的 50Hz 船舶運動數(shù)據(jù)。由于這種雙重積分會因方向誤差或傳感器偏差而產(chǎn)生漂移，因此獲得穩(wěn)定輸出的最佳方法是使用高通濾波器設(shè)計，以消除運動中的任何恒定分量。

此外，自動過濾器調(diào)整可確保在長達 25 秒的膨脹周期內(nèi)獲得適當(dāng)?shù)男袨椤?/p>

由于采用高通濾波器設(shè)計，在靜態(tài)條件下，起伏、浪涌和搖擺數(shù)據(jù)將始終歸零。

如果執(zhí)行了一個步驟，起伏輸出將顯示該步驟，然后將平穩(wěn)地返回到零。一個步驟后輸出可能需要幾分鐘才能穩(wěn)定下來。

1、膨脹模式

在高性能產(chǎn)品上，可以根據(jù)海況啟用膨脹模式，以優(yōu)化升沉算法性能。此模式以智能方式將 GNSS 信息與加速度計融合，以限制升沉算法固有的相位和幅度誤差。這種模式在較高振幅涌浪條件下特別有效。

系統(tǒng)根據(jù)海況自動確定最佳的升沉計算模式。

二、延遲升沉

延遲升沉算法可用于更高等級的裝置（例如 Ekinox 和 Apogee），它利用過去的測量值來大大提高升沉性能。在實時起伏操作中觀察到的常見相位誤差得到無縫校正，過濾器將在長涌浪周期條件下提供更好的性能。

延遲升沉算法具有 150 秒的固定延遲。輸出消息具有與實時船舶運動模式相同的格式，并且可以使用時間戳來正確確定船舶運動數(shù)據(jù)的日期。

該算法非常適合不需要嚴(yán)格實時操作的應(yīng)用程序，例如海底測繪。在延遲的升沉數(shù)據(jù)變得可用之前，實時升沉操作仍然可用以獲得第一升沉估計。

1、時間考慮

由于延遲升沉是一種延遲算法，因此該裝置必須在執(zhí)行實際測量路徑之前至少 5 分鐘和在執(zhí)行實際測量路徑后 3 分鐘保持正常運行條件下的開啟狀態(tài)，以實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集。

2、延遲浪涌和搖擺？

在此延遲升沉輸出中僅提供垂直船舶運動（升沉）。此操作模式下不提供浪涌和搖擺。

三、旋轉(zhuǎn)中心和驅(qū)逐波浪操作

在分析升沉運動時，我們可以發(fā)現(xiàn)部分升沉運動是由于容器旋轉(zhuǎn)引起的。

此部分因位置而異，并在旋轉(zhuǎn)中心處取消。另一部分以恒定的方式影響整個容器。

下圖顯示了旋轉(zhuǎn)在船上不同位置引起的升沉的影響：

旋轉(zhuǎn)在船上不同位置引起的升沉的影響

通常，在船舶旋轉(zhuǎn)中心計算時，升沉計算是最準(zhǔn)確的，因為傳感器測量的運動比船舶上其他任何地方都少。

然而，SBG Systems 設(shè)計了特定的算法，考慮了旋轉(zhuǎn)中心的杠桿臂（主杠桿臂），以便即使在將傳感器放置在遠(yuǎn)離該位置的情況下也能獲得最佳的起伏性能。此算法要求您在傳感器設(shè)置中正確測量和輸入主杠桿臂。因此，建議將傳感器放置在盡可能靠近監(jiān)測點的位置（即靠近聲納頭）。

對于大型船舶或長主杠桿臂（例如 10 米或以上），如果應(yīng)提供升沉測量，我們建議將慣性傳感器保持在靠近旋轉(zhuǎn)中心的位置。

當(dāng)關(guān)注點不在 IMU 位置時，可以配置一個或多個外部杠桿臂將升沉測量值傳送到那些監(jiān)測點。

IMU 失調(diào)

當(dāng)船靜止時，IMU 慣性測量單元與船只的未對準(zhǔn)應(yīng)通過機械設(shè)計或軟件配置進行精確計算，以便在次要點上提供一致的升沉值。

四、提升高度

在海洋測量行業(yè)中，經(jīng)常存在使用升沉輸出還是卡爾曼濾波高度輸出的問題。在良好的 GNSS 條件下，RTK 高度可以非常精確并簡化設(shè)置，因為測量員不需要為潮汐補償而煩惱。然而，即使與慣性傳感器融合，RTK 高度也可能在困難的 GNSS 環(huán)境（例如過橋）的情況下受到干擾。

另一方面，升沉算法允許精確的相對測量，在困難的 GNSS 條件下沒有特定的錯誤。然而，由于需要潮汐補償，使用起來更復(fù)雜。增強型高度模式算法通過將升沉輸出與 RTK 高度合并，充分利用這兩個世界，在良好和具有挑戰(zhàn)性的 GNSS 條件下提供準(zhǔn)確和絕對的高度測量。

該算法只能與海洋運動剖面一起使用，并與具有固定載波模糊度的精確位置（如 RTK 或 PPP）結(jié)合使用。如果需要，可以禁用此增強海拔模式。