舰船变形状态监测与预报.doc

摘 要
为了提供舰船的高精度姿态基准和提高传递对准精度，必须消除船体变形的影响以及预测预报出船体的变形角。本文首先分析了船体的变形原因，列举出一些常用的测量船体变形的方法。
通过建立船体的有限元模型分析在各种工况和载荷下的变形和应力，对船体变形规律做出了归纳，同时也分析了船体动态变形对姿态基准的影响。针对船体变形规律建立了一种实时监测船体变形的系统方案，构建了一个舰船的弹性变形实时测量系统，对船体多部位变形同步实时测量。
建立卡尔曼滤波算法的数学模型，然后利用卡尔曼滤波器的高效率的递归性，以主/子惯导的输出角速度的差值作为卡尔曼滤波器的观测量，静态变形角和动态变形角作为滤波器的状态量，对船体姿态误差角、静态变形角和动态变形角进行估算。
利用MATLAB简单的编程环境以及人机交互性强等特点，完成基于卡尔曼滤波器算法对舰船变形的仿真。并利用他强大的科学计算及数据处理能力来解算数学模型。完成船体变形预报软件的开发。

关键词：船体变形；卡尔曼滤波；传递对准；变形角

Abstract
In order to provide a ship’s high-precision attitude reference and improve the accuracy of its transfer benchmark, we should eliminate the influence of hull deformation and forecast the deformation angle of the hull. This paper analyzed some reasons of the hull deformation and listed several common methods of measuring the hull deformation.
By establishing a finite element model to analyze the deformation and stress of the hull under different operating conditions and loads, we got some basic laws of the hull deformation and also analyzed the influences of the hull deformation to the attitude reference. We established a kind of real-time monitoring system on base of the deformation laws. The real-time elastic deformation measuring system can measure much hull deformation at the same time.
We established kalman filtering model to take full use of the efficiency of the kalman filter recursion character, and made the MINS/ SINS angular velocity difference as kalman filter observed quantity, and static deformation angle and dynamic distortion angle as the filter state quantity, to calculate the variable attitude reference error, static deformation angle and dynamic distortion angle of the hull.
We used the simple MATLAB programming environment and the strong interactive characteristic between man and machine to complete the simulation for ship deformation based on kalman filter algorithm. And we used its strong scientific computing and data processing power to decoding the mathematical model to complete the prediction software of the hull deformation.

Key words hull deformation; Kalman filter; transfer alignmeut; angular distortion

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2国内外发展的历程和研究现状 2
1.2.1第一类方法 3
1.2.2第二类方法 3
1.2.3 GPS姿态测量及其在船体变形监测中的应用 4
1.3课题研究的主要内容 4
1.4课题的主要章节安排 5
1.5本章小结 6
第二章 船体变形模型分析 7
2.1 结构力学方法 7
2.1.1 静水中船体外力的确定 7
2.1.2 波浪中船体外力的确定 7
2.1.3 航行引起的船体外力的确定 8
2.2 有限元分析方法 9
2.2.1 舰船三维有限元建模 9
2.2.2 舰船多浪向与波浪载荷分析 16
2.2.3 波浪载荷的理论预报 16
2.3 基于MSC.PATRAN/NASTRAN对船体变形和应力分析 19
2.3.1 计算工况 19
2.3.2 边界条件约束 19
2.3.3 模型变形和应力分析结果…………………………………………..19
2.3.4 平衡调整……………………………………………………………..23
2.4 本章小结 24
第三章基于卡尔曼滤波的船体变形预报分析 25
3.1 卡尔曼滤波 25
3.2 卡尔曼滤波算法分析 25
3.2.1 离散化概念 25
3.2.2 卡尔曼滤波算法流程 26
3.3 卡尔曼滤波算法设计 28
3.3.1 角速度匹配原理 28
3.3.2 系统状态方程的建立 30
3.3.3 系统测量方程的建立 31
3.3.4 离散式卡尔曼滤波公式 32
3.4 本章小结 33
第四章 舰船变形预报软件的开发 35
4.1 MATLAB软件的基本介绍 35
4.2 变形预报软件的开发. 35
4.2.1 人机界面的设计…………………………………………………….37
4.2.2 MATLAB中的编程及主界面 38
4.2.3 仿真结果 40
4.3 本章小结 45
第五章 舰船变形实时测量的方法研究 47
5.1 引言 47
5.2 舰船弹性变形测量设备分析 48
5.3 舰船弹性变形实时测量系统的构建及测量方案设计 49
5.4 本章小结 50
结论与展望 53
结论 53
展望 53
参考文献 55