一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種通過測量系統(tǒng)得到船體部分縱向姿態(tài)信息（含測量噪聲）的 基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法。
【背景技術】
[0002] 水翼雙體船經(jīng)常航行在具有隨機干擾作用的海情下，從而使船體發(fā)生搖擺，加之 測量儀器中也不可避免地存在著觀測噪聲。為了保持船體的姿態(tài)，尤其是高海情情況下，采 取一定的控制是必須的，而對此需要對船體搖擺時的狀態(tài)（姿態(tài)）量進行觀測，而在實際 中，并不是所有需要的狀態(tài)量都是可以觀測到的，即使對于部分可以觀測的狀態(tài)量，也含有 隨機噪聲，因此就需要對這些無法直接觀測到的和含有隨機噪聲的狀態(tài)量運用一些方法進 行估計或運用易于觀測的量間接求出來。
[0003] 水翼雙體船姿態(tài)運動具有較強的非線性，因此對水翼雙體船姿態(tài)估計要選擇非線 性估計方法，對于非線性估計問題的處理，常用的方法用EKF (擴展卡爾曼濾波）、PF (粒子 濾波）以及UKF (無跡卡爾曼濾波），EKF雖然使用廣泛，但是由于其自身存在的不足，可能 導致某些非線性問題不能準確解決，而PF雖然使用范圍廣且精度高，但是其計算大而導致 計算速度相對較慢。
[0004] 本發(fā)明依據(jù)水翼船在海浪中建立的縱向運動非線性方程為基礎，對船體縱向運動 姿態(tài)進行估計。在分析非線性估計方法的基礎上，提出一種融合濾波器。首先通過兩個濾 波器分別對水翼雙體船姿態(tài)進行估計，將濾波器單個估計誤差樣本的平方作為評價函數(shù)， 引入一個評價函數(shù)準則，進行兩個濾波器的切換，進而達到了兩個濾波器優(yōu)勢的融合，提高 了估計精度，兩個濾波器并行獨立運算，不會增加運算量和運算時間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] -種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，包括：
[0008] (1)船上測量系統(tǒng)測出船體部分縱向姿態(tài)信息，分別傳遞給第一濾波器和第二濾 波器，同時作用在船上的控制量也分別傳遞給第一濾波器和第二濾波器；
[0009] (2)由第一濾波器和第二濾波器得到船體縱向姿態(tài)估計值 xkiA), xkiB), k = L2,····,
[0010] (3)分別計算第一濾波器和第二濾波器的評價函數(shù)，通過評價函數(shù)準則，得到水翼 雙體船縱向姿態(tài)的融合估計毛。
[0011] 所述的第一濾波器和第二濾波器是通過Sigma點發(fā)生器獲取sigma點，經(jīng)過非線 性狀態(tài)函數(shù)進行時間更新獲得狀態(tài)一步預報和狀態(tài)一步預報協(xié)方差，經(jīng)過非線性觀測函數(shù) 進行測量更新獲得輸出預測、輸出預測自協(xié)方差和輸出預測互方差，將觀測量、輸出預測、 輸出預測自協(xié)方差、輸出預測互協(xié)方差、狀態(tài)一步預報和狀態(tài)一步預報協(xié)方差送給狀態(tài)估 計器后得到船體縱向姿態(tài)估計值毛~，.Vs>，& = 1，2,…。
[0012] 所述的非線性狀態(tài)函數(shù)和非線性觀測函數(shù)為：
【主權項】
1. 一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特征在于： (1)船上測量系統(tǒng)測出船體部分縱向姿態(tài)信息，分別傳遞給第一濾波器和第二濾波器， 同時作用在船上的控制量也分別傳遞給第一濾波器和第二濾波器； 0)由第一濾波器和第二濾波器得到船體縱向姿態(tài)估計值為">，為">，A二I，2,…. (3)分別計算第一濾波器和第二濾波器的評價函數(shù)，通過評價函數(shù)準則，得到水翼雙體 船縱向姿態(tài)的融合估計而。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特 征在于：所述的第一濾波器和第二濾波器是通過sigma點發(fā)生器獲取sigma點，經(jīng)過非線性 狀態(tài)函數(shù)進行時間更新獲得狀態(tài)一步預報和狀態(tài)一步預報協(xié)方差，經(jīng)過非線性觀測函數(shù)進 行測量更新獲得輸出預測、輸出預測自協(xié)方差和輸出預測互方差，將觀測量、輸出預測、輸 出預測自協(xié)方差、輸出預測互協(xié)方差、狀態(tài)一步預報和狀態(tài)一步預報協(xié)方差送給狀態(tài)估計 器后得到船體縱向姿態(tài)估計值社"，而W，A= 1，2,…。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特 征在于：所述的非線性狀態(tài)函數(shù)和非線性觀測函數(shù)為：
4. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特 征在于；所述的sigma點發(fā)生器是指按采樣策略獲取sigma點 第一濾波器按如下采樣策略獲取sigma點：
第二濾波器按如下采樣策略獲取sigma點：
5. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特 征在于：所述的時間更新是指將Sigma點集中的每一個點帶入到非線性狀態(tài)函數(shù)中去，
式中j=A或j=B代表第一濾波器或第二濾波器 狀態(tài)一步預報為
狀態(tài)一步預報協(xié)方差為
6. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其 特征在于；所述的測量更新是指基于時間更新中的和，利用sigma點發(fā)生器獲得 sigma點義;Yi，/二化VJn+l，經(jīng)過非線性觀測函數(shù)傳播
輸出預測為
輸出預測自協(xié)方差為
輸出預測互協(xié)方差為
7. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方 法，其特征在于：所述的狀態(tài)估計器是指運用新的觀測量得到船體縱向姿態(tài)估計值 電W，赴B作二1，2，...)：
8. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其特 征在于：所述的觀測量是指通過測量系統(tǒng)得到的船體部分縱向姿態(tài)信息；所述的船體部分 縱向姿態(tài)信息是指垂蕩位移和縱搖角位移；所述的測量系統(tǒng)是指在一定海情下，采集船舶 實際航向、航速、垂蕩和縱搖角的位移傳感器、巧螺儀，計程儀、船載經(jīng)紳儀。
9. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法， 其特征在于；所述的評價函數(shù)是指將濾波器單個估計誤差樣本的平方作為評價函數(shù)： 乂=巧技' ，i表示Xk的第i行元素；所述的評價函數(shù)準則是指將第一濾波器和第二 濾波器的每一時刻的評價函數(shù)*/尸>，乃:進行比較，評價函數(shù)小的濾波器的估計值即為水翼 雙體船縱向姿態(tài)的融合估計馬：
10. 根據(jù)權利要求9所述的一種基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法，其 特征在于：所述的水翼雙體船縱向姿態(tài)的融合估計是指達到第一濾波器和第二濾波器優(yōu)勢
【專利摘要】本發(fā)明具體涉及一種通過測量系統(tǒng)得到船體部分縱向姿態(tài)信息(含測量噪聲)的基于融合濾波器的水翼雙體船縱向姿態(tài)估計方法。本發(fā)明包括：一船上測量系統(tǒng)測出船體部分縱向姿態(tài)信息，分別傳遞給第一濾波器和第二濾波器，同時作用在船上的控制量也分別傳遞給第一濾波器和第二濾波器；由第一濾波器和第二濾波器得到船體縱向姿態(tài)估計值k＝1,2,…；分別計算第一濾波器和第二濾波器的評價函數(shù)，通過評價函數(shù)準則，得到水翼雙體船縱向姿態(tài)的融合估計本發(fā)明估計結果的統(tǒng)計特性達到很好估計精度，兩個濾波器獨立并行運算，不會增加運算時間，基于波浪有色干擾而沒進行狀態(tài)擴維，減少了濾波估計的計算量和復雜度，提高了運算速度。
【IPC分類】B63B39-00, B63B39-06
【公開號】CN104787260
【申請?zhí)枴緾N201510140991
【發(fā)明人】陳虹麗, 夏曉婧, 宋景慧, 陳雨薇, 龔洛, 沈丹, 宋東輝
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月27日