專利名稱：船舶海上航行航跡解析偏差生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種船舶航跡與姿態(tài)控制技術(shù)，特別涉及到一種船舶航跡舵的航 跡偏差解析生成技術(shù)。
背景技術(shù)：
在船舶航行運(yùn)營(yíng)中，航跡控制是最基本的，都期望沿著一條規(guī)劃的航線準(zhǔn)確的航 行，一來可以節(jié)省航行運(yùn)營(yíng)成本，二來可以確保船舶在安全航線上運(yùn)行減少觸礁、擱淺的危 險(xiǎn)。船舶航跡控制主要靠不斷的改變期望航向來實(shí)現(xiàn)。然而，要構(gòu)成閉環(huán)控制，前提條件是 整個(gè)過程都離不開對(duì)船舶當(dāng)前航跡偏差的測(cè)量。傳統(tǒng)的方法是采取三角形相似原理，粗略的折算船舶航跡偏差或者采取等角航海 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并非最優(yōu) 的特點(diǎn)，尤其是遠(yuǎn)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海里，沿大圓航線航行5450 海里，二者相差570海里(約1000公里)。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、易于解算的航跡解析偏差生成技術(shù)，便于精確的沿大圓航跡航海，從而 提高航跡自動(dòng)舵系統(tǒng)航跡控制性能的同時(shí)節(jié)約航海成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于改善船舶的航跡控制效果和降低航海成本，使航 海運(yùn)營(yíng)更經(jīng)濟(jì)、更安全的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
具體包括以下幾個(gè)步驟
⑴輸入出發(fā)地的經(jīng)緯度坐標(biāo)Q(xq，yq，zq)、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)M(Xm，yffl, zffl)；
(2)計(jì)算期望最優(yōu)航跡；
(3)分段修正期望航跡；
(4)計(jì)算船舶與航跡段的偏差；
(5)判斷船舶是否處于當(dāng)前航跡段；
(6)是則重復(fù)步驟(4)，否則進(jìn)入下一航跡段計(jì)算，并重復(fù)步驟(4)。
本發(fā)明還可以包括
1、所述的計(jì)算得到的期望最優(yōu)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表示平面方程系數(shù)。
2、所述的分段修正期望航跡的方法為
把大圓最優(yōu)期望航跡展繪到墨卡托投影的海圖上，然后把大圓最優(yōu)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(jì)算船舶與航跡段的偏差中，船舶與航跡段的偏差實(shí)質(zhì)為船舶自身位置 點(diǎn)尸(V %)，到由該等角航行航段起始點(diǎn)釣)和終點(diǎn)爐2)所決定直線的距離，計(jì)
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于當(dāng)前航跡段包括計(jì)算船舶坐標(biāo)在航跡段上的垂足，
計(jì)算航跡段起始點(diǎn)」(斗仍)到垂足點(diǎn)扎)的距離，計(jì)算航跡段起始點(diǎn)釣)和航
跡段終點(diǎn)朽)的距離；
計(jì)算得到的船舶坐標(biāo)在航跡段上的垂足坐標(biāo)為
計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)夠)到垂足點(diǎn)札)的距離為
計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)Jd仍)和航跡段終點(diǎn)朽)的距離為
所述船舶是否處于當(dāng)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(diǎn)釣)和終點(diǎn)5(毛，作所處航跡段；否則該段航跡段終點(diǎn)作為新的 起始點(diǎn)，后續(xù)一個(gè)變航向點(diǎn)為終點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)是首先設(shè)定出發(fā)地、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)，根據(jù)給定的 坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算期望最優(yōu)航跡，考慮地理環(huán)境的限制因素，對(duì)期望最優(yōu)航跡進(jìn)行分段修正，然后 根據(jù)船舶當(dāng)前的位置計(jì)算船舶與航跡段的偏差，根據(jù)計(jì)算得到的偏差判斷船舶是否處于當(dāng) 前航跡段，如果是則重復(fù)計(jì)算船舶與航跡段的偏差，如果否則進(jìn)入下一航跡段計(jì)算，并重復(fù) 計(jì)算船舶與航跡段的偏差。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于(1)基于大圓航海法生成地球橢球面上的期望理論航跡，結(jié)合現(xiàn)實(shí)地理?xiàng)l件進(jìn)行 修正得到本次航海的規(guī)劃航跡，能更經(jīng)濟(jì)、更安全的航海；(2)將大圓航海法生成的理論期望航跡，進(jìn)行分段等角航海法逼近，利于領(lǐng)航且極 大的方便了自動(dòng)舵航行，卻只是增加了較小的航行距離；(3)應(yīng)用航跡解析偏差生成技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)的、較為精確的得到當(dāng)前的航跡偏差值， 更利于航跡控制，同時(shí)也提高了航跡控制精度。


圖1為航跡解析偏差生成技術(shù)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(jì)算圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，本發(fā)明的處理流程如下首先設(shè)定出發(fā)地、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)，根據(jù) 給定的坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算期望最優(yōu)航跡，考慮地理環(huán)境的限制因素，對(duì)期望最優(yōu)航跡進(jìn)行分段修 正，然后根據(jù)船舶當(dāng)前的位置計(jì)算船舶與航跡段的偏差，根據(jù)計(jì)算得到的偏差判斷船舶是 否處于當(dāng)前航跡段，如果是則重復(fù)計(jì)算船舶與航跡段的偏差，如果否則進(jìn)入下一航跡段計(jì) 算，并重復(fù)計(jì)算船舶與航跡段的偏差。具體實(shí)施步驟如下步驟(1)，設(shè)定出發(fā)地、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為Q(xq，yq，zq)、M(xm，yffl, zffl)。步驟(2)，計(jì)算期望最優(yōu)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(biāo)原點(diǎn)，不妨就取在地球球心，從而一般平面方程表達(dá)式為Ax+By+Cz+D＝0(2)
已知出發(fā)地Q(xq，yq，zq)、目的地M(xm，ym，zm)兩點(diǎn)的坐標(biāo)，求取通過Q、M和地球球 心0(0，0，0)三點(diǎn)的平面方程，可以推導(dǎo)得到 即 上式可推算出A、B、C之間的關(guān)系，代回一般方程就得到通過A、B和地球球心0(0， 0,0)三點(diǎn)的平面方程。(c)得到期望最優(yōu)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(shí)際上在遠(yuǎn)洋航行時(shí)，考 慮地理環(huán)境的限制因素，如海岸線幾何形狀、航線的劃定、氣象環(huán)境等，一般把大圓航線展繪到墨卡托投影的海圖上(是一條曲線)，然后把大圓航線分成幾段(例如按等間隔經(jīng)度 劃分)，每一段連成直線，就是等角航線。船只航行時(shí)，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(shí)改變航向，從 而領(lǐng)航十分方便。步驟⑷，因合理的分段，小范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(jì)算圖所示簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)大圓航行法進(jìn)行分段等角航行，可以得到每段等角航行航向角改變點(diǎn)的經(jīng) 緯度坐標(biāo)值。航跡偏差實(shí)質(zhì)為艦船自身位置點(diǎn)尸(\，％)，到由該等角航行航段起始點(diǎn)
夠)和終點(diǎn)對(duì)知約)所決定直線的距離。直線標(biāo)準(zhǔn)形式Ax+By+C = 0，點(diǎn)P(xp，yp)到直線距離公式為
起始點(diǎn)式，仍)和終點(diǎn)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(diǎn)到直線距離為 步驟(5)，判斷船舶是否處于當(dāng)前航跡段包括計(jì)算船舶坐標(biāo)在航跡段上的垂足， 計(jì)算航跡段起始點(diǎn)乂(A,釣)到垂足點(diǎn) )的距離，計(jì)算航跡段起始點(diǎn)jd釣)和航 跡段終點(diǎn)對(duì)知朽)的距離。其中垂足點(diǎn)的計(jì)算方法為直線標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn) P(xp，yp)可知6 = j^-7Xp。得到垂線方程為
(U)計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)](A，釣)到垂足點(diǎn)Α)的距離為
(12)計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)乂(冬，灼)和航跡段終點(diǎn)朽)的距離為
(13)船舶是否處于當(dāng)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(diǎn)乂(式，仍)和終點(diǎn)5(々，朽)作所處航
跡段。否則該段航跡段終點(diǎn)作為新的起始點(diǎn)，后續(xù)一個(gè)變航向點(diǎn)為終點(diǎn)，重復(fù)步驟(4)的計(jì)算。
權(quán)利要求
一種船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特征是具體包括以下幾個(gè)步驟(1)輸入出發(fā)地的經(jīng)緯度坐標(biāo)Q(xq，yq，zq)、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)M(xm，ym，zm)；(2)計(jì)算期望最優(yōu)航跡；(3)分段修正期望航跡；(4)計(jì)算船舶與航跡段的偏差；(5)判斷船舶是否處于當(dāng)前航跡段；(6)是則重復(fù)步驟(4)，否則進(jìn)入下一航跡段計(jì)算，并重復(fù)步驟(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特征是所述的計(jì)算 得到的期望最優(yōu)航跡是用地球上的大圓方程 其中A、B、C表示平面方程系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特征是所述的分段 修正期望航跡的方法為把大圓最優(yōu)期望航跡展繪到墨卡托投影的海圖上，然后把大圓最優(yōu)期望航跡分成幾 段，每一段連成直線，就是等角航線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特征是所述的計(jì)算船舶與航跡段的偏差中，船舶與航跡段的偏差實(shí)質(zhì)為船舶自身位置點(diǎn)P(~，％)，到由該等角航行航段起始點(diǎn)J(A，仍)和終點(diǎn)灼)所決定直線的距離，計(jì)算得到的船舶與航跡段 的偏差為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船舶海上航行航跡解析偏差生成方法，其特征是所述的判 斷船舶是否處于當(dāng)前航跡段包括計(jì)算船舶坐標(biāo)在航跡段上的垂足，計(jì)算航跡段起始占仍)到垂足點(diǎn)G(A±，仏)的距離，計(jì)算航跡段起始點(diǎn)々A,約)和航跡段終點(diǎn)<P2) 的距離；計(jì)算得到的船舶坐標(biāo)在航跡段上的垂足坐標(biāo)為 計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)釣)到垂足點(diǎn)仏)的距離為 計(jì)算得到的航跡段起始點(diǎn)^式，釣)和航跡段終點(diǎn)對(duì)乜釣)的距離為 所述船舶是否處于當(dāng)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(diǎn)釣)和終點(diǎn)朽)作所處航跡段；否則該段航跡段終點(diǎn)作為新的起始點(diǎn)，后續(xù)一個(gè)變航向點(diǎn)為終點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)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(fā)地的經(jīng)緯度坐標(biāo)Q(xq，yq，zq)、目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)M(xm，ym，zm)；(2)計(jì)算期望最優(yōu)航跡；(3)分段修正期望航跡；(4)計(jì)算船舶與航跡段的偏差；(5)判斷船舶是否處于當(dāng)前航跡段；(6)是則重復(fù)步驟(4)，否則進(jìn)入下一航跡段計(jì)算，并重復(fù)步驟(4)。本發(fā)明得到的航跡能實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更安全的航海，并利于領(lǐng)航且極大的方便了自動(dòng)舵航行，卻只是增加了較小的航行距離；更利于航跡控制，同時(shí)也提高了航跡控制精度。
文檔編號(hào)G05D1/02GK101872195SQ20101020341
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者劉勝, 常緒成, 李冰, 李高云, 王宇超 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)