基于自適應頻率估計的艦船瞬時線運動測量方法

袁書明，程建華，馬 斌

（1. 海軍裝備研究院艦船所，北京 100086；哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001；3. 中國船舶重工集團第701研究所，武漢 430064）

基于自適應頻率估計的艦船瞬時線運動測量方法

袁書明1，程建華2，馬 斌3

（1. 海軍裝備研究院艦船所，北京 100086；哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001；3. 中國船舶重工集團第701研究所，武漢 430064）

針對傳統艦船瞬時線運動信息測量過程中，IIR數字高通濾波器的輸出會存在相位超前，從而使輸出信號相對于實際信號存在時間上超前的問題。分析了超前相位對瞬時線運動信息測量的影響，提出了一種基于自適應頻率估計的艦船瞬時線運動測量方法。針對IIR數字高通濾波器超前相位的大小隨輸入信號頻率變化的問題，引入了WFLC頻率估計算法來實時估計輸入信號的頻率，提出了自適應延時校正算法來校正由數字高通濾波器帶來的輸出信息在時間上的超前量。仿真結果表明：提出的改進艦船捷聯瞬時線運動測量方法能夠很好地解決傳統信息測量方法中輸出信息在時間上存在超前的問題，實現了實時艦船瞬時線運動信息精確測量，測量精度由0.13 m提高到了0.02 m。

瞬時線運動；加權傅立葉線性組合；自適應頻率估計；自適應延時校正

艦船在海上航行時會產生包括三維線運動和三維角運動在內的六自由度運動，其中，沿載體系軸向的瞬時線運動分量是順利安全開展遠洋艦船間物資補給、艦載機起降和艦載武器發射所必須的重要運動信息。捷聯式慣性導航系統（簡稱捷聯慣導系統）具有自主性強，且能夠連續地、實時地輸出沿載體系軸向的比力信息。因此，對艦船瞬時線運動信息測量往往是基于捷聯慣導系統原理實現[1-6]。

在基于捷聯慣導系統進行瞬時線運動信息解算時，不僅會受到低頻舒勒周期信號干擾，同時垂向信息還存在發散問題。針對這種情況，需要通過添加數字高通濾波器的方式來濾除低頻的舒勒周期信號及解決垂向信息發散的問題。文獻[7]采用添加數字高通濾波器的方法來濾除低頻的舒勒周期信號及解決垂向信息發散的問題，并分析對比了 FIR（Finite Impulse Response）和IIR（Infinite Impulse Response）兩種濾波器的優缺點，最終選擇了使用IIR濾波器，但是沒有解決由于采用IIR數字高通濾波器帶來的輸出信息相位超前的問題；文獻[8][9]在添加IIR數字高通濾波器的基礎上，提出將多普勒計程儀與慣導系統做組合，并利用卡爾曼濾波實現對艦船姿態角誤差的準確估計，從而提高了瞬時線運動測量精度；針對輸出信息存在相位差超前的問題，文獻[10]采用了基于卡爾曼濾波法和應用時間序列法兩種方法對艦船縱橫搖和升沉運動進行了預報，但只實現了短期的預報，隨著時間的增長，預報精度會大大降低，不適合長時間的瞬時線運動的測量；文獻[11]簡要介紹了一種自適應頻率估計算法，即加權傅立葉線性組合算法（Weightedfrequency Fourier Linear Combiner, WFLC），并說明了其在電腦輸入濾波、臨床震顫的量化和顯微外科的主動震顫取消上的應用。

基于此，本文擬引入WFLC算法，設計一種基于自適應頻率估計的艦船瞬時線運動測量方法。通過自適應頻率估計算法估計瞬時線運動信號頻率，然后計算出超前相角及超前時間，進而通過延時校正算法對超前量進行校正，有效地對數字高通濾波器導致的超前時間量進行校正，實現IIR實時瞬時線運動信息精確測量。

1 傳統瞬時線運動信息測量方法

1.1 基于捷聯慣導算法的瞬時線運動測量

艦船的瞬時線運動運動，包括橫蕩、縱蕩和升沉運動，是艦船沿半固定坐標系（簡稱d系，由地理坐標系順時針轉向艦船的航向角φ得到）的三個軸向相對于海平面的一種線運動的高頻分量，分別包括沿xd、yd、zd軸向的速度和位移量。由于捷聯慣導系統能輸出艦船的三維線運動和角運動信息，因此通過對捷聯慣導算法進行調整，即可實現對瞬時線運動信息的提取。

捷聯慣導系統利用陀螺儀的測量信息，通過矩陣更新算法能實現姿態矩陣更新和姿態信息解算：

通過姿態矩陣可將捷聯慣導系統加速度計測量信息投影至地理系，實現沿地理系軸向線運動信息解算，即：

再通過對地理系方向速度信息的積分運算，即可獲得地理系方向的位置矢量信息r，包括經度、緯度和高度信息。

然而，捷聯慣導系統輸出的線運動與艦船瞬時線運動信息有所區別：

1）由于地理系與半固定坐標系指向差異性，需要將地理系的線運動信息投影至半固定坐標系，即：

式中，

式中，φ為艦船的航向角。

2）捷聯慣導輸出的線運動信息是相對地球、沿地理坐標系的絕對速度和絕對位置信息，需要通過數字濾波器實現其高頻分量的提取。因此，數字高通濾波器的性能指標直接決定了艦船瞬時線運動信息的測量精度。

1.2 傳統瞬時線運動測量方法性能分析

數字濾波器分為IIR濾波器和FIR濾波器兩種，在技術指標要求相同的情況下，FIR濾波器的階數要比IIR濾波器的階數高很多[12]。因此，瞬時線運動信息的提取選用IIR高通濾波器。

以垂向通道為例，艦船升沉運動的周期在1～20 s之間，由此可得IIR高通濾波器的各項參數為：

根據上述濾波器參數指標，可得數字濾波器的轉移函數如式(6)所示：

圖1和圖2按照上述的仿真條件及濾波器參數，給出了垂向速度和升沉運動的提取結果。

圖1 垂向速度信息測量仿真結果Fig.1 Vertical velocity information measurement simulation results

圖2 升沉信息測量仿真結果Fig.2 Simulation results of heave information measurement

通過圖1、圖2的仿真結果可以看出，由于IIR高通濾波器的相位超前效應，產生了濾波輸出與原始信號的相位差異。通過理論計算可知，當IIR濾波器相位超前為α，對信號產生的升沉測量誤差為即當超前相角為10°，升沉運動幅值為1 m時，由超前相角帶來的誤差大小為0.124 m。

因此，傳統方法采用高通濾波器提取瞬時線運動信息時，存在超前相角導致輸出信息在時間上超前的問題，進而影響到升沉信息測量的實時性與測量精度。

2 基于自適應頻率估計的瞬時線運動信息測量方法

通過傳統方法的問題分析可知，采用數字高通濾波器進行瞬時線運動信息提取，其問題在于濾波器對不同頻率線運動信息產生的相位超前，導致提取后的信息產生誤差。由于相位超前值與輸入信號頻率有關，因此無法設計固定的相位延遲進行補償[13]。為此，設計自適應頻率估計和自適應延時校正算法，實現對瞬時線運動信息的精確提取。

2.1 瞬時線運動信息的自適應頻率估計算法

由于IIR數字高通濾波器的超前相角的大小與濾波器輸入信號的頻率有關，因此需要實時地估計出濾波器輸入信號的頻率。

艦船瞬時線運動是一種準周期運動，可視為周期性信號來處理，即在滿足狄利克雷條件下，周期信號可以用傅里葉級數來表示，如下式所示：

FLC（Fourier Linear Combiner）算法通過選取合適的基頻和諧波次數，使擬合信號的頻帶能夠覆蓋原信號的頻率帶，實現對原信號的估計。由于是自適應算法，FLC在迭代過程中能根據輸入信號的變化自動調整各諧波分量的權值以達到最好的估計效果，但FLC算法中的估計信號基頻分量和諧波數量都是固定的，適用于頻率固定信號估計。對于艦船瞬時線運動信號，在不同海況下的信號頻率在實時發生變化，因此必須使FLC算法各頻率成分諧波的幅值能跟隨原始信號的頻率變化而實時調整。

WFLC算法是在FLC算法基礎上，在估計過程中對擬合信號的基頻分量不斷優化以實現對擬合信號基頻分量和各頻率分量幅值同時進行調整的目的，最終實現最優的估計效果[14-16]。

WFLC算法示意圖如圖3所示，相對應的加權線性傅里葉組合遞歸形式為

圖3 WFLC算法原理Fig.3 Algorithm of weighted-frequency Fourier linear combiner

式中：xk為輸入參考量，Wk為xk對應諧波分量權值；w0k為基頻分量；sk是k時刻瞬時線運動信號真實值；kε是k時刻瞬時線運動信號擬合誤差；μ是收斂系數，其決定是否收斂以及收斂的快慢；T是采樣時間。

通過式(8)～(11)的遞推算法可知，WFLC算法在遞推過程中實現了對基頻分量的實時調整，因此可以很好地解決了FLC算法只能適用于對固定頻率信號估計的問題，實現了對頻率變化的信號的估計。而在FLC算法中，基頻分量w0k為固定值，不參與實時遞推。

2.2 自適應延時校正算法

通過WFLC自適應頻率估計算法，可以估計瞬時線運動信號頻率，則可以計算出由IIR數字高通濾波器帶來的超前相角。以式(6)為例，其超前相角為

式中：ai和bi為濾波器的系數；T為采樣周期。

由式(12)可得超前時間為

通過對IIR數字高通濾波數據進行延時輸出，就可以得到真實的實時信息。例如，對于式(6)所示的IIR數字高通濾波器的設計結果，當輸入信號頻率為0.1 Hz，由式(22)可以計算得出超前相角θ()=0.381 78 rad，然后由式(13)就可以計算出此時的超前時間此時只需將信號延遲0.607 6 s即可。

在已知信號采樣周期T的情況下，可根據超前時間t()和采樣周期T計算數據延時位數N在設計N位數據緩沖區，實現延時N位數據達到延時校正目的。具體算法如圖4所示。

圖4 自適應延時算法原理Fig.4 Principle of adaptive delay algorithm

IIR數字高通濾波器的輸出信息經過自適應頻率估計和自適應延時校正模塊，就可以得到實時的瞬時線運動信息，提高信息測量精度。

2.3 改進方法的測量實現步驟

改進的艦船瞬時線運動信息測量流程圖如圖5所示。

圖5 實時瞬時線運動信息測量流程圖Fig.5 Real-time measurement of the instantaneous linear motion information

由于仍然采用捷聯慣導系統測量瞬時線運動信息，因此改進方法相比傳統方法的區別主要是IIR數字高通濾波后的自適應頻率估計和自適應延時校正兩個模塊。其中，自適應頻率估計模塊能夠實時地估計出升沉信號的頻率大小，自適應延時校正可以根據自適應頻率估計模塊估計出的頻率計算出輸出信號超前量的大小并進行延時校正。通過添加這兩個模塊，能夠有效地解決由IIR數字高通濾波器帶來的輸出信息超前的問題，實現實時的瞬時線運動信息測量。

3 仿真驗證

基于自適應頻率估計和自適應延時校正的改進艦船瞬時線運動信息測量方法，可以有效抑制輸出信息相對于真實信息存在的超前相位差，并提高測量的精度。為了驗證改進的瞬時線運動信息測量方法可行性，按照與第2.2節相同的仿真初始條件，進行幅值頻率升沉信號的仿真，基于改進方法和傳統方法的瞬時線運動信息測量與傳統方法做對比的方式，驗證改進方法的實時性和精確性。仿真結果如圖6、圖7所示。

對于幅值為1 m的不同頻率的升沉運動進行了仿真，傳統方法和改進方法的誤差大小如表1所示。

從圖6、圖7和表1中可以看出，基于自適應頻率估計的艦船瞬時線測量方法能夠精確估計艦船瞬時線運動的頻率并對濾波器輸出值進行延時補償。多組仿真結果表明，通過精確延時將瞬時線運動信息的測量精度由之前的0.13 m提高到了0.02 m，驗證了算法的有效性。

圖6 改進前后垂向速度信息測量仿真對比結果Fig.6 Comparison on simulation results of vertical velocity information measurements before and after improvement

圖7 改進前后升沉信息測量仿真對比結果Fig.7 Comparison on simulation results of heave information measurements before and after improvement

表1 不同頻率的升沉運動仿真結果Tab.1 Simulation results of heave motion with different frequencies

4 結 論

針對艦艇瞬時線運動精確測量的需求，設計了一種基于自適應頻率估計的艦船瞬時線運動信息測量方法，解決了傳統方法因IIR數字高通濾波器相位超前存在測量誤差大的問題。仿真結果表明，改進方法能起到很好的頻率估計和延時校正作用，實現了實時、精確的瞬時線運動信息測量。這對于滿足艦艇海上作業具有重要的工程借鑒價值。

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Measurement method for ship instantaneous linear movement based on adaptive frequency estimation

YUAN Shu-ming1, CHENG Jian-hua2, MA Bin3
(1. The Research Institute of Ships, Navy Academy of Armament, Beijing 100086, China;2. Automation College, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;3. 701 Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430064, China)

In measuring the instantaneous linear motion by traditional ship, there usually exists phase advance in the output of IIR digital high-pass filter, which cause the phase of the output signal is ahead of the original signal. To solve this problem, a new measurement method for the instantaneous linear motion is proposed based on adaptive frequency estimation. In view that the magnitude of phase advance is varied with the frequency of the original signal, a WFLC (Weighted-frequency Fourier Linear Combiner) frequency estimation algorithm is used to estimate the frequency of the original signal, and an adaptive delay correction algorithm is designed to correct the phase advance caused by the digital high-pass filter. Simulation results show that the new measurement method based on adaptive frequency estimation can solve the phase advance problem and accurately measure the ship instantaneous linear movement information. The measurement accuracy is increased to 0.02 m from the original 0.13 m.

instantaneous linear movement; weighted-frequency Fourier linear combiner; adaptive frequency estimation; adaptive delay correction

U666.1

A

1005-6734(2016)05-0565-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.05.002

2016-06-13；

2016-08-03

國家自然科學基金（61374007，62173081，61104036）；中央高校基本科研業務費專項資金（HEUCFX41309）

袁書明（1965—），男，博士，高級工程師。E-mail : ysmnavigation@sina.com

聯 系 人：程建華（1977—），男，博士，教授，博士生導師，從事組合導航研究。E-mail: ins_cheng@163.com