船舶海上航行航跡解析偏差生成方法

2023-10-11 23:11:39

專利名稱：船舶海上航行航跡解析偏差生成方法
技術領域：
本發明涉及的是一種船舶航跡與姿態控制技術，特別涉及到一種船舶航跡舵的航 跡偏差解析生成技術。
背景技術：
在船舶航行運營中，航跡控制是最基本的，都期望沿著一條規劃的航線準確的航 行，一來可以節省航行運營成本，二來可以確保船舶在安全航線上運行減少觸礁、擱淺的危 險。船舶航跡控制主要靠不斷的改變期望航向來實現。然而，要構成閉環控制，前提條件是 整個過程都離不開對船舶當前航跡偏差的測量。傳統的方法是採取三角形相似原理，粗略的折算船舶航跡偏差或者採取等角航海 法。一方面粗略的折算方式存在誤差較大的不足，另一方面等角航海法存在航跡並非最優 的特點，尤其是遠洋航海等角航海法比大圓航海法要多出很大的一段無效距離。如從非洲 的好望角到澳大利亞的墨爾本，沿等角航線航行，航程是6020海裡，沿大圓航線航行5450 海裡，二者相差570海裡(約1000公裡)。為了提高船舶的航跡控制精度，一種可行的方法 是研究一種精度高、易於解算的航跡解析偏差生成技術，便於精確的沿大圓航跡航海，從而 提高航跡自動舵系統航跡控制性能的同時節約航海成本。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於改善船舶的航跡控制效果和降低航海成本，使航 海運營更經濟、更安全的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法。本發明的目的是這樣實現的
具體包括以下幾個步驟
⑴輸入出發地的經緯度坐標Q(xq，yq，zq)、目的地的經緯度坐標M(Xm，yffl, zffl)；
(2)計算期望最優航跡；
(3)分段修正期望航跡；
(4)計算船舶與航跡段的偏差；
(5)判斷船舶是否處於當前航跡段；
(6)是則重複步驟(4)，否則進入下一航跡段計算，並重複步驟(4)。
本發明還可以包括
1、所述的計算得到的期望最優航跡是用地球上的大圓方程
[Axq+Byq+Cz^0{Axm+Bym+Czm=0
其中A、B、C表示平面方程係數。
2、所述的分段修正期望航跡的方法為
把大圓最優期望航跡展繪到墨卡託投影的海圖上，然後把大圓最優期望航跡分成幾段，每-一段連成直線，就是等角航線。
3、所述的計算船舶與航跡段的偏差中，船舶與航跡段的偏差實質為船舶自身位置 點屍(V %)，到由該等角航行航段起始點釣)和終點爐2)所決定直線的距離，計
算得到的船舶與航跡段的偏差為 4、所述的判斷船舶是否處於當前航跡段包括計算船舶坐標在航跡段上的垂足，
計算航跡段起始點」(鬥仍)到垂足點扎)的距離，計算航跡段起始點釣)和航
跡段終點朽)的距離；
計算得到的船舶坐標在航跡段上的垂足坐標為
計算得到的航跡段起始點夠)到垂足點劄)的距離為
計算得到的航跡段起始點Jd仍)和航跡段終點朽)的距離為
所述船舶是否處於當前航跡段判斷方法為判斷dp和屯大小，如果dp (屯成立 則仍選用起始點釣)和終點5(毛，作所處航跡段；否則該段航跡段終點作為新的 起始點，後續一個變航向點為終點。本發明的技術方案的實質是首先設定出發地、目的地的經緯度坐標，根據給定的 坐標點計算期望最優航跡，考慮地理環境的限制因素，對期望最優航跡進行分段修正，然後 根據船舶當前的位置計算船舶與航跡段的偏差，根據計算得到的偏差判斷船舶是否處於當 前航跡段，如果是則重複計算船舶與航跡段的偏差，如果否則進入下一航跡段計算，並重複 計算船舶與航跡段的偏差。該技術方案的優點在於(1)基於大圓航海法生成地球橢球面上的期望理論航跡，結合現實地理條件進行 修正得到本次航海的規劃航跡，能更經濟、更安全的航海；(2)將大圓航海法生成的理論期望航跡，進行分段等角航海法逼近，利於領航且極 大的方便了自動舵航行，卻只是增加了較小的航行距離；(3)應用航跡解析偏差生成技術能夠實時的、較為精確的得到當前的航跡偏差值， 更利於航跡控制，同時也提高了航跡控制精度。


圖1為航跡解析偏差生成技術流程圖；圖2為等角航線在地球上的投影圖；圖3為大圓航線在地球上的投影圖；圖4為等角航行和大圓航行在地球表面的軌跡圖；圖5為航跡偏差解析計算圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1，本發明的處理流程如下首先設定出發地、目的地的經緯度坐標，根據 給定的坐標點計算期望最優航跡，考慮地理環境的限制因素，對期望最優航跡進行分段修 正，然後根據船舶當前的位置計算船舶與航跡段的偏差，根據計算得到的偏差判斷船舶是 否處於當前航跡段，如果是則重複計算船舶與航跡段的偏差，如果否則進入下一航跡段計 算，並重複計算船舶與航跡段的偏差。具體實施步驟如下步驟(1)，設定出發地、目的地的經緯度坐標分別為Q(xq，yq，zq)、M(xm，yffl, zffl)。步驟(2)，計算期望最優航跡即大圓方程的方法為(a)地球橢球面方程 (b) 一般平面方程的坐標原點，不妨就取在地球球心，從而一般平面方程表達式為Ax+By+Cz+D＝0(2)
已知出發地Q(xq，yq，zq)、目的地M(xm，ym，zm)兩點的坐標，求取通過Q、M和地球球 心0(0，0，0)三點的平面方程，可以推導得到 即 上式可推算出A、B、C之間的關係，代回一般方程就得到通過A、B和地球球心0(0， 0,0)三點的平面方程。(c)得到期望最優航跡的大圓方程為 步驟(3)，分段修正期望航跡的方法為如圖2、圖3所示實際上在遠洋航行時，考 慮地理環境的限制因素，如海岸線幾何形狀、航線的劃定、氣象環境等，一般把大圓航線展繪到墨卡託投影的海圖上(是一條曲線)，然後把大圓航線分成幾段(例如按等間隔經度 劃分)，每一段連成直線，就是等角航線。船隻航行時，總的情況來說，大致是沿大圓航線航 行。因而走的是一條較近路線，但就每一段來說，走的又是等角航線，不用隨時改變航向，從 而領航十分方便。步驟⑷，因合理的分段，小範圍的球面可以近似為平面處理，如圖4、圖5航跡偏 差解析計算圖所示簡化計算。根據大圓航行法進行分段等角航行，可以得到每段等角航行航向角改變點的經 緯度坐標值。航跡偏差實質為艦船自身位置點屍(\，％)，到由該等角航行航段起始點
夠)和終點對知約)所決定直線的距離。直線標準形式Ax+By+C = 0，點P(xp，yp)到直線距離公式為
起始點式，仍)和終點i (知灼)所決定直線。船舶與航跡段的偏差即艦船自身位置點到直線距離為 步驟(5)，判斷船舶是否處於當前航跡段包括計算船舶坐標在航跡段上的垂足， 計算航跡段起始點乂(A,釣)到垂足點 )的距離，計算航跡段起始點jd釣)和航 跡段終點對知朽)的距離。其中垂足點的計算方法為直線標準形式Ax+By+C = 0 ；斜率& 二；則垂線的斜率為:k' = g，得:y =
k' x+b ；過點 P(xp，yp)可知6 = j^-7Xp。得到垂線方程為
(U)計算得到的航跡段起始點](A，釣)到垂足點Α)的距離為
(12)計算得到的航跡段起始點乂(冬，灼)和航跡段終點朽)的距離為
(13)船舶是否處於當前航跡段判斷方法為比較dp和Cl1大小步驟(6)，如果dp≤Cl1成立則仍選用起始點乂(式，仍)和終點5(々，朽)作所處航
跡段。否則該段航跡段終點作為新的起始點，後續一個變航向點為終點，重複步驟(4)的計算。
權利要求
一種船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特徵是具體包括以下幾個步驟(1)輸入出發地的經緯度坐標Q(xq，yq，zq)、目的地的經緯度坐標M(xm，ym，zm)；(2)計算期望最優航跡；(3)分段修正期望航跡；(4)計算船舶與航跡段的偏差；(5)判斷船舶是否處於當前航跡段；(6)是則重複步驟(4)，否則進入下一航跡段計算，並重複步驟(4)。
2.根據權利要求1所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特徵是所述的計算 得到的期望最優航跡是用地球上的大圓方程 其中A、B、C表示平面方程係數。
3.根據權利要求2所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特徵是所述的分段 修正期望航跡的方法為把大圓最優期望航跡展繪到墨卡託投影的海圖上，然後把大圓最優期望航跡分成幾 段，每一段連成直線，就是等角航線。
4.根據權利要求3所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特徵是所述的計算船舶與航跡段的偏差中，船舶與航跡段的偏差實質為船舶自身位置點P(~，％)，到由該等角航行航段起始點J(A，仍)和終點灼)所決定直線的距離，計算得到的船舶與航跡段 的偏差為
5.根據權利要求4所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特徵是所述的判 斷船舶是否處於當前航跡段包括計算船舶坐標在航跡段上的垂足，計算航跡段起始佔仍)到垂足點G(A±，仏)的距離，計算航跡段起始點々A,約)和航跡段終點<P2) 的距離；計算得到的船舶坐標在航跡段上的垂足坐標為 計算得到的航跡段起始點釣)到垂足點仏)的距離為 計算得到的航跡段起始點^式，釣)和航跡段終點對乜釣)的距離為 所述船舶是否處於當前航跡段判斷方法為判斷dp和Cl1大小，如果dp ( Cl1成立則仍選 用起始點釣)和終點朽)作所處航跡段；否則該段航跡段終點作為新的起始點，後續一個變航向點為終點。
全文摘要
本發明提供的是一種船舶海上航行航跡解析偏差生成方法。(1)輸入出發地的經緯度坐標Q(xq，yq，zq)、目的地的經緯度坐標M(xm，ym，zm)；(2)計算期望最優航跡；(3)分段修正期望航跡；(4)計算船舶與航跡段的偏差；(5)判斷船舶是否處於當前航跡段；(6)是則重複步驟(4)，否則進入下一航跡段計算，並重複步驟(4)。本發明得到的航跡能實現更經濟、更安全的航海，並利於領航且極大的方便了自動舵航行，卻只是增加了較小的航行距離；更利於航跡控制，同時也提高了航跡控制精度。
文檔編號G05D1/02GK101872195SQ20101020341
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者劉勝, 常緒成, 李冰, 李高雲, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學