船体变形的监测方法及其对航向姿态信息的修正

分析了船体变形的原因、种类，以及船体变形对航姿信息的影响；介绍了监测船体变形的四种结构力学方法和包括惯性测量匹配法在内的三种船舶航行实时监测法，以及GPS姿态测量在船体变形监测中的应用。着重讨论了惯性测量匹配法测定船体变形技术在火控系统、舰载飞机和舰载导弹惯导系统传递对准、磁测量船、其它物理测量船等方面的应用。最后针对位于舰船的中心航姿系统和局部基准部位的陀螺和加速度计等测量部件的不同配置，详细给出了用惯性测量匹配法测定并消除船体变形影响的三种实施方案，比较了各方案的特点、计算过程和系统输出数据。这些方案对于在役舰船和现代舰船的船体变形监测和航向姿态修正具有借鉴作用。     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

激光陀螺组合体自主测量船体角变形的最优估计法

根据激光陀螺组合体测量的角增量计算得到的惯性姿态匹配测量方程,结合动态变形模型和静态变形模型,构建了船体角变形测量的最优滤波器,实现了角变形的最优估计。该方法将角变形和激光陀螺的随机漂移误差近似为平稳随机过程并分别构建滤波器,静态变形建模为白噪声驱动的一阶随机游走过程,动态变形建模为二阶马尔可夫平稳随机过程。通过角速度匹配测量方程进行了角变形的观测性分析得知:动态变形的估计精度与激光陀螺的测量精度相当,静态变形的估计精度依赖于船体摇摆频率和幅度,因此最优估计法的误差主要为静态角变形模型的估计误差。仿真结果表明,通过设置合适的静态角变形模型参数,该最优估计法测量角变形的误差小于10"。     

一种改进的姿态匹配船体变形测量方法

针对船体变形测量系统中模型不确定以及未知噪声影响导致的误差问题,分析并推导了模型偏差对滤波估计的影响,提出一种基于姿态匹配的强跟踪最大互相关熵卡尔曼滤波(STMCKF)算法,用于船体变形估计。该算法采用姿态匹配,基于两套惯性系统的姿态信息确立滤波观测量并建立线性量测方程,通过自适应在线调整多个渐消因子对多个数据通道进行渐消,减小模型失配导致的误差,并设计基于最大互相关熵准则为最优准则的滤波算法,减小量测过程中受到的非高斯噪声产生的误差。最后,在模型不匹配及噪声不确定的条件下进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,变形估计精度提高10%～30%,提高了系统鲁棒性和环境适应性。     

航天测量船船体变形摄像测量技术研究进展

航天测量船是一座海上活动测控站,在辽阔的海洋上对导弹、航天器进行跟踪、测量和控制.航天测量船在海上工作状态下,随着航速、航向的变化,以及海浪冲击、温度变化等影响,会产生不可忽视的弹性变形.这种变形会带来航天测量船的测量误差,特别是雷达和光电经纬仪等测控设备相对船体基准的动态变形,如果不能测量并修正,这些设备就无法完成高精度测量的任务[1].     

舰载角速度匹配传递对准方法研究

为了提高舰载局部捷联惯导系统的导航精度，希望能够在传递对准过程中，对船体甲板变形进行估计，对惯性器件的某些误差进行标定，并进行补偿。作为参数匹配传递对准方法之一的角速度匹配法为此提供了可能。文中对角速度匹配法中的三种不同海况下的系统状态可观测性进行了详细的分析，并对船体甲板变形和陀螺漂移进行了Kalman滤波估计及精度分析。研究结果表明，这一方法具有较好的对准精度和快速性，但具体情况随船体的运动情况而不同。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

考虑旋转调制 INS 轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。     

某型惯性平台安装标校方法

为有效地提高惯性平台的维修性和互换性,给某型惯性平台设计了独特的安装及标校方式。此方法中惯性平台在安装标校时,本身不提供姿态调整的手段,而是通过带有代表惯性平台的水平及方位基准的安装检测平板作为安装标校工具。标校时,使用光学经纬仪及电子水平仪对安装检测平板上的代表惯性平台的水平及方位的光学六面体及水平基准面进行标定。以陀螺经纬仪、光学经纬仪为过渡基准,通过旋转艏向安装固定销达到将安装检测平板的光学方位基准与船体方位基准对齐的目的。以差分电子水平仪为基准,通过研磨安装固定销下垫片的厚度达到安装检测平板的水平姿态与船体基准水平平板水平姿态一致的目的。最终使用螺钉将安装固定销固紧。这样同型号的惯性平台在舰船的任意情况下将实现安装上的互换,而不需要进行二次标校。     

考虑准静态缓变量的船体角形变测量

针对船体静态角形变缓慢变化的特征,在Mochalov船体角形变理论和姿态匹配算法的基础上,提出了一种用角速度的一阶Markov过程来描述静态角形变缓慢变化行为的方法。考虑到静态形变角速度变化较慢、相关时间较长的实际情况,一阶Markov过程可进一步简化为随机游走过程。仿真结果表明,视准静态角形变为常量的Mochalov角形变模型无法跟踪准静态角形变的缓慢变化,精度较差;而新的形变模型不仅能够跟踪缓慢变化的准静态角形变,对于转舵等因素引起的短时大幅角形变也同样有效,总形变测量精度优于30″(RMS),这为激光陀螺船体形变测量技术进入工程应用打下了基础。     

基于H_∞滤波的主/子惯导组合中挠曲变形补偿算法

针对舰载环境下,主/子惯导组合中主、子惯导间的挠曲变形问题,设计了H?滤波算法。算法将主、子惯导间的挠曲变形作为一种能量有限的量测噪声,通过H?滤波对不确定噪声的鲁棒性来保证滤波精度。在经典的"速度+姿态"匹配方法的基础上,仿真比较了:1)方案一,已知挠曲变形时的标准Kalman滤波算法;2)方案二,未知挠曲变形时的标准Kalman滤波算法;3)方案三,未知挠曲变形时的H?滤波算法。仿真误差曲线直观表明:基于H?滤波算法可以在未知挠曲变形时有效提高组合精度;统计结果表明:滤波方案三得到的姿态与速度的系统误差、随机误差均与理想条件下的方案一相当;相较于方案二,滤波方案三得到的姿态与速度的系统误差至少可减小40%,随机误差至少可减少15%。     

基于光纤光栅技术的船体变形修正技术

为进一步优化航天测量船变形测量系统,提出了基于光纤Bragg光栅技术的应变误差测量方法。首先通过对测量船变形系统的结构和光路进行几何分析,建立了应变量与误差角之间的转换模型。然后基于光纤光栅技术设计了测量船变形系统的应变误差测量方案。由应变与误差角的转换公式得到,运用常用的Si425型光纤光栅解调仪,其理论测量精度可达0.01″。     

舰船甲板动态变形惯性测量方法研究

结合舰船甲板动态变形实际情况，在卡尔曼滤波算法的基础上建立了舰船甲板动态变形惯性测量系统的模型，并对该模型进行了仿真。结果表明了该测量方法在实际工程应用中的可行性。     

一种基于应变模态分析的舰船分布式挠曲姿态测量方法

针对舰船所处的恶劣环境，以及舰船导航和武器系统对姿态测量精度日益提高的要求，根据应变模态分析理论，建立了应变信息与姿态信息的变换关系，并提出了利用光纤Bragg光栅(FBG)传感器测量甲板的应变，求取由挠曲变形引起的姿态信息误差的方法。通过对简易模型的实验，验证了这种方法是有效的并且具有较高的精度。     

基于交互式多模型滤波的船体变形惯性测量方法

基于惯性测量单元的匹配滤波算法是测量船体变形的发展趋势,然而在实际航行中,船体变形模型参数是未知或存在不确定性,模型参数的这一特性对滤波估计结果影响较大。针对此问题,利用"速度+角速度"匹配算法分析了模型参数未知对滤波估计效果的影响,引入交互式多模型卡尔曼滤波方法,利用不同模型参数的似然函数进行概率分配。最后通过仿真对提出的方法进行了验证,结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,估计精度提高了5%~10%,收敛时间提高了1倍,动态变形角的收敛时间在10 s以内,静态变形角的收敛时间在5s以内,提高了系统的环境适应性。     

Sampling-Based RBDO of Ship Hull Structures Considering Thermo-Elasto-Plastic Residual Deformation

We present a shape optimization method using a sampling-based RBDO method linked with a commercial finite element analysis (FEA) code ANSYS, which is applicable to residual deformation problems of the ship hull structure in welding process. The programming language ANSYS Parametric Design Language (APDL) and shell elements are used for the thermo-elasto-plastic analysis. The shape of the ship hull structure is modeled using the bicubic Ferguson patch and coordinate components of vertices, tangential vectors of boundary curves are selected as design variables. The sensitivity of probabilistic constraint is calculated from the probabilistic sensitivity analysis using the score function and Monte Carlo Simulation (MCS) on the surrogate model constructed by using the Dynamic Kriging (DKG) method. The sequential quadratic programming (SQP) algorithm is used for the optimization. In two numerical examples, the suggested optimization method is applied to practical residual deformation problems in welding ship hull structures, which proves the sampling-based RBDO can be successfully utilized for obtaining a reliable optimum design in highly nonlinear multi-physics problem of thermo-elasto-plasticity.     

Strain tensor for large three-dimensional surface deformation of sheet metal from an object grating

Grating techniques are used to determine the three-dimensional deformation and the tangential strain of sheet metal. A grating is fixed on the surface and taken by stereo CCD cameras in different deformation states. By suitable line-following software, the grating coordinates in the images are determined with subpixel accuracy. Using photogrammetric methods, the three-dimensional coordinates are calculated from the image coordinates. The strain usually is determined by means of a deformation gradient, which is calculated from every deformed triangle. In this paper, the gradient is determined in the center of four neighboring meshes using a polynomial approximation of the displacement function in a reference position. The influence of the nontangential deformation is considered. By simulation, a flat sheet metal is deformed to a rotational symmetric surface. The difference of the known exact strain is compared with the numerically derived strain with respect to different grating pitches. The proposed method yields good results even in the case of large spatial deformation. It is applied to the deformation of a hatlike test specimen.