專利名稱：船舶航跡優(yōu)化分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，屬通用船舶航行測(cè)量與分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在船舶建造和船舶大修后，將會(huì)進(jìn)行船舶試航，以測(cè)試船舶各方面的性能， 其中船舶的操縱性能以及船舶運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試是兩個(gè)重要的內(nèi)容，測(cè)試結(jié)果將作 為評(píng)價(jià)船舶航行性能的重要依據(jù)。
傳統(tǒng)的船舶操縱性能以及船舶運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試是通過對(duì)DGPS和電羅經(jīng)裝置 的信號(hào)采集以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)分析處理，為船舶航行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性提供
相應(yīng)數(shù)據(jù)。主要包括(l)船舶前進(jìn)或后退速度；(2)船艏橫移速度；(3)船艉橫移 速度；(4)船舶旋轉(zhuǎn)速度；(5)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡；(6)船舶運(yùn)動(dòng)平均速度計(jì)算與分析；
(7)船舶運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算。上述參數(shù)的結(jié)果主要通過船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的分析計(jì)算得到。
然而，船舶在試航過程中，外界干擾因素(風(fēng)力和風(fēng)流等)將對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)
特性產(chǎn)生影響，由DGPS和電羅經(jīng)裝置得到的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條理想的船 舶運(yùn)動(dòng)軌跡，由此得到的船舶航行態(tài)勢(shì)和運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)不能充分反映船舶的實(shí) 際操縱性能和船舶運(yùn)動(dòng)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種船舶航跡優(yōu)化分析方法。 一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，其特征在于包括以下步驟
a) 初始^檢測(cè)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)
間間隔；
b) 已知船舶實(shí)際航速為r，采用船艏DGPS接收機(jī)和船艉DGPS接收機(jī) 接收GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)，采用電羅經(jīng)檢測(cè)得到船舶的實(shí)際航向角 P,采用風(fēng)向儀檢測(cè)都得到風(fēng)流的速度I^和方向^將所述船舶實(shí)際航 速r、 GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)、船舶實(shí)際航向角^、風(fēng)流速度^和風(fēng)流
方向P通過網(wǎng)關(guān)輸出至計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)；
c) 采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算船舶理想航速^:
在極坐標(biāo)中，由船舶理想航速F。與船舶實(shí)際航速r、船舶實(shí)際航向角^、
風(fēng)流速度和風(fēng)流方向P的關(guān)系<formula>formula see original document page 4</formula>d) 采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)中，分別以兩
個(gè)相鄰采集時(shí)間點(diǎn)采集的定位信號(hào)為基準(zhǔn)計(jì)算時(shí)刻船舶位于；, 點(diǎn)，r"時(shí)刻船舶位于A點(diǎn)，其中f為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，尸 為船舶在極坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)，w為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的個(gè)數(shù)，
/ -/ —,為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間間隔；把；,P"弧視作直線，根據(jù) ^ = Kcosp-^ cosP + /(r sinp- ^ sin0)計(jì)算得到船舶理想航速F。，其中風(fēng) 流速度^和風(fēng)流方向^分別取^時(shí)刻的風(fēng)流速度、—和風(fēng)流方向^ ,;
e) 將計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的各個(gè)點(diǎn)的船舶理想li速r。輸出至分i及
優(yōu)化軟件得到船舶運(yùn)動(dòng)的新航跡。 本發(fā)明船舶航跡優(yōu)化分析系統(tǒng)將根據(jù)DGPS和電羅經(jīng)裝置測(cè)出船舶實(shí)際的 航行路線，結(jié)合傳感器測(cè)出風(fēng)力干擾變量參數(shù)，對(duì)實(shí)際的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列 的矢量合成和動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過優(yōu)化計(jì)算以修正船舶運(yùn)動(dòng)航跡，由此得出船舶在 風(fēng)平浪靜狀態(tài)下船舶航行所對(duì)應(yīng)的航跡路線，從而確定在船舶試航時(shí)更為精確 的運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)。本發(fā)明測(cè)量精確，適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)。


圖l:本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖; 圖2:本發(fā)明速度矢量合成圖； 圖3:本發(fā)明船舶部分航跡圖； 圖4:本發(fā)明船舶的實(shí)際航跡圖； 圖5:本發(fā)明優(yōu)化后的航跡合成圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l，圖2所示， 一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，包括以下步驟
a) 初始g檢測(cè)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí) 間間隔；
b) 己知船舶實(shí)際航速為r，采用船艏DGPS接收機(jī)和船艉DGPS接收機(jī) 接收GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)，采用電羅經(jīng)檢測(cè)得到船舶的實(shí)際航向角 P，采用風(fēng)向儀檢測(cè)都得到風(fēng)流的速度r,和方向e，將所述船舶實(shí)際航 速K、 GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)、船舶實(shí)際航向角^、風(fēng)流速度F,和風(fēng)流 方向^通過網(wǎng)關(guān)輸出至計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)；
C)采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算船舶理想航速r。
在極坐標(biāo)中，由船舶理想航速r。與船舶實(shí)際航速r、船舶實(shí)際航向角p、
風(fēng)流速度^和風(fēng)流方向P的關(guān)系
=F(cosp + Jsinp) —F,(cos^十乂'sin^) =rcosp — K,cos0 + /(卩sinp — r/sin0)
d) 采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)中，分別以兩
個(gè)相鄰采集時(shí)間點(diǎn)采集的定位信號(hào)為基準(zhǔn)計(jì)算時(shí)刻船舶位于i^
點(diǎn)，/ 時(shí)刻船舶位于尸 點(diǎn)，其中z為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，P
為船舶在極坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)，n為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的個(gè)數(shù)， ^-"為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間間隔；把弧視作直線，根據(jù)
^ = ycosp-r/CosP + _/(7sinp-F,sin0)計(jì)算得到船舶理想航速F。，其中風(fēng)
流速度^和風(fēng)流方向S分別取^時(shí)刻的風(fēng)流速度和風(fēng)流方向;
e) 將計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的各個(gè)點(diǎn)的船舶理想航lir。輸出至分i 及
優(yōu)化軟件得到船舶運(yùn)動(dòng)的新航跡。
檢測(cè)系統(tǒng)由船艏DGPS接收機(jī)、船艉DGPS接收機(jī)、電羅經(jīng)、風(fēng)向儀、網(wǎng)關(guān)、 計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和分析與優(yōu)化軟件等組成，其中DGPS接收機(jī)、電羅經(jīng)和風(fēng)向儀 為信號(hào)測(cè)量裝置，選用具有RS232接口的通用產(chǎn)品。上述測(cè)量裝置的信號(hào)通過專 用網(wǎng)關(guān)將信號(hào)轉(zhuǎn)輸?shù)接?jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，完成船舶運(yùn)動(dòng)特性的基本測(cè)量，根據(jù)風(fēng) 向風(fēng)速、流向流速、航向航速和一般的船舶操縱特性，在分析與優(yōu)化軟件的處 理下給出船舶運(yùn)動(dòng)特性。
如圖3所7^,由于GPS系統(tǒng)每一次定位所需的時(shí)間很短，接近于實(shí)時(shí)的導(dǎo)航， 則相對(duì)于一條航跡而言，兩點(diǎn)之間的航跡段非常短。因此在航跡轉(zhuǎn)彎處把兩點(diǎn) 間的弧線視做作直線進(jìn)行計(jì)算討論。GPS采集的定位信號(hào)，^時(shí)刻船舶位于《點(diǎn)； ^時(shí)刻位于A點(diǎn)；依次類推/3,/"5，/6.......各時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)于？3，戶4,戶5,7>6......位置。計(jì)
算時(shí)由于航跡點(diǎn)之間的采集時(shí)間短，《A段在整個(gè)航跡中所占的比例很小，這里 把/^弧視作直線。即該小段可以按直線航行時(shí)那樣進(jìn)行矢量計(jì)算，航向看成沿
S點(diǎn)的切線方向，iy^,/yviy^......段的計(jì)算方法跟^A段一樣。
如圖4所示，為船舶的一條實(shí)際航行路線圖。0-^段為船舶勻速直線航行，
A-A段為船舶順時(shí)針轉(zhuǎn)彎的航跡段，戶5- 8為船舶逆時(shí)針轉(zhuǎn)彎的航跡段，戶z。船 舶恢復(fù)直線勻速航行。
考慮到風(fēng)流的速度和方向是時(shí)刻變化的，那么對(duì)船舶每時(shí)每刻的影響就會(huì) 不一樣，假設(shè)在非常短的時(shí)間內(nèi)風(fēng)流的速度和大小是沒有發(fā)生改變的，在此時(shí) 間段里來(lái)計(jì)算不受風(fēng)流影響下船舶瞬時(shí)理想航速K和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系。
現(xiàn)在就船舶的實(shí)際航跡分段討論
O-A航跡段勻速直線航行，由于6)和"，G)為GPS采集航跡點(diǎn)
的間隔時(shí)間，在這么短的時(shí)間里可以認(rèn)為風(fēng)流狀態(tài)保持不變。所以t在(,。，G)時(shí)，風(fēng)流速度和方向分別是&。，氣，則有
T在/2)時(shí)，風(fēng)流速度和方向分別是&,，《，則有 g = /(，《)=「 cos p _cos《+j O s— - FA sin《) A - P5段和P: - A段轉(zhuǎn)彎處的4算方法與上M相N 。
如圖5所示。本發(fā)明在給出的假設(shè)航跡段上作計(jì)算修正，得出經(jīng)過計(jì)算優(yōu) 化后的新航跡。S點(diǎn)修正后的位置是iT點(diǎn)，？2點(diǎn)修正后的位置是尸2點(diǎn)，A點(diǎn)修正 后的位置是A點(diǎn)......。
隨著^角在0°-360°的范圍里不斷變化，上述的計(jì)算函數(shù)其實(shí)是四象限的循 環(huán)式，每一小段的計(jì)算方法都相同。
權(quán)利要求
1.一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，其特征在于包括以下步驟a)初始化檢測(cè)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間間隔；b)已知船舶實(shí)際航速為V，采用船艏DGPS接收機(jī)和船艉DGPS接收機(jī)接收GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)，采用電羅經(jīng)檢測(cè)得到船舶的實(shí)際航向角采用風(fēng)向儀檢測(cè)都得到風(fēng)流的速度Vf和方向θ，將所述船舶實(shí)際航速V、GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)、船舶實(shí)際航向角風(fēng)流速度Vf和風(fēng)流方向θ通過網(wǎng)關(guān)輸出至計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)；c)采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算船舶理想航速V0在極坐標(biāo)中，由船舶理想航速V0與船舶實(shí)際航速V、船舶實(shí)際航向角風(fēng)流速度Vf和風(fēng)流方向θ的關(guān)系得到d)采用計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點(diǎn)信號(hào)中，分別以兩個(gè)相鄰采集時(shí)間點(diǎn)采集的定位信號(hào)為基準(zhǔn)計(jì)算tn-1時(shí)刻船舶位于Pn-1點(diǎn)，tn時(shí)刻船舶位于Pn點(diǎn)，其中t為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，P為船舶在極坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)，n為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的個(gè)數(shù)，tn-tn-1為GPS采集定位點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間間隔；把Pn-1Pn弧視作直線，根據(jù)計(jì)算得到船舶理想航速V0，其中風(fēng)流速度Vf和風(fēng)流方向θ分別取tn-1時(shí)刻的風(fēng)流速度和風(fēng)流方向e)將計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的各個(gè)點(diǎn)的船舶理想航速V0輸出至分析及優(yōu)化軟件得到船舶運(yùn)動(dòng)的新航跡。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，屬通用船舶航行測(cè)量與分析領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)船艏DGPS接收機(jī)、船艉DGPS接收機(jī)和電羅經(jīng)裝置測(cè)出船舶實(shí)際的航行路線，結(jié)合風(fēng)向儀測(cè)出風(fēng)流和風(fēng)力干擾變量參數(shù)，對(duì)實(shí)際的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的矢量合成和動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過優(yōu)化計(jì)算以修正船舶運(yùn)動(dòng)航跡，由此得出船舶在風(fēng)平浪靜狀態(tài)下船舶航行所對(duì)應(yīng)的航跡路線，從而確定在船舶試航時(shí)更為精確的運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)。本發(fā)明測(cè)量精確，適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)B63B9/00GK101372257SQ20081015595
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者何祖軍, 佘建國(guó), 俞孟蕻, 張永林, 彥 李, 潘宇星, 偉 袁, 陳紅衛(wèi), 黎敏雅, 亮 齊 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)