近年来,在海洋资源开发、海洋科考等活动中,各种海洋工程船舶被广泛应用到相关领域的海上工程作业中。这些船舶在海上航行、作业时受海浪、海风、洋流等环境因素的影响,会产生多种摇荡运动。其中,船舶的纵摇、横摇和升沉运动危害最大。实际应用和研究表明,对船舶纵摇、横摇和升沉运动的准确测量具有重要的意义,它可以为船舶控制及高效波浪补偿系统的设计打下良好的基础。根据以上情况,本文开展了对船舶纵摇、横摇和升沉运动测量技术研究,主要包括以下几个方面的研究:(1)在充分了解捷联惯性导航系统基本原理和导航解算过程的基础上,给出船舶纵摇、横摇和升沉运动测量原理。根据捷联惯导系统的误差方程分析影响船舶纵横摇测量的关键因素,根据舒勒振荡和捷联惯导高度通道解算特性分析影响船舶升沉测量的关键因素。搭建用于船舶纵横摇和升沉测量的实验环境,为本文所设计的纵横摇和升沉测量算法提供数据支持和验证方法。(2)针对船舶纵横摇测量问题,设计纵横摇测量的整体方案。为得到准确的传感器输出数据,建立惯性器件输出模型,通过设计转台实验对惯性器件进行标定及补偿。基于四元数扩展卡尔曼滤波算法对陀螺仪和加速度计输出信息进行数据融合实现载体的纵横摇测量,通过纵横摇测量实验对所设计算法进行验证。(3)基于数字高通滤波的船舶升沉信息测量并对所研究方法进行实验验证。给出IIR数字高通滤波器的实现原理和设计方法,分析IIR数字高通滤波器技术指标中滤波器阶数和滤波器截止频率对滤波器性能的影响,进而确定滤波器的最优技术指标并设计用于船舶升沉测量的最优IIR数字高通滤波器。围绕数字高通滤波器存在相位超前的问题,通过先设计满足技术指标的IIR数字低通滤波器,再基于互补的思想转换为数字高通滤波器的方法来解决相位误差问题,实验验证所设计算法的可行性。(4)为避免使用数字高通滤波测量船舶升沉信息存在相位超前的问题,本文提出了基于无迹卡尔曼滤波的船舶升沉信息测量方法。根据船舶升沉运动模型,建立船舶升沉运动的位置、速度、加速度和频率的关系模型。对于模型中所依赖的频率信息,引入快速傅里叶变换和峰值检测算法对船舶升沉加速度信号进行频谱分析,进而得到所需升沉运动频率信息。推导船舶升沉运动测量的状态空间模型,进而根据此模型建立船舶升沉测量系统的状态方程和量测方程,最后基于无迹卡尔曼滤波进行解算。仿真和平台实验证明该方法不存在相位问题,可以得到准确的升沉信息。