專利名稱：船舶航跡優(yōu)化分析方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，屬通用船舶航行測量與分析領域。
背景技術(shù)：
在船舶建造和船舶大修后，將會進行船舶試航，以測試船舶各方面的性能， 其中船舶的操縱性能以及船舶運動特性測試是兩個重要的內(nèi)容，測試結(jié)果將作 為評價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動特性測試是通過對DGPS和電羅經(jīng)裝置 的信號采集以及計算機系統(tǒng)的信號分析處理，為船舶航行姿態(tài)和運動特性提供
相應數(shù)據(jù)。主要包括(l)船舶前進或后退速度；(2)船艏橫移速度；(3)船艉橫移 速度；(4)船舶旋轉(zhuǎn)速度；(5)船舶運動軌跡；(6)船舶運動平均速度計算與分析；
(7)船舶運動回轉(zhuǎn)半徑計算。上述參數(shù)的結(jié)果主要通過船舶運動軌跡的分析計算得到。
然而，船舶在試航過程中，外界干擾因素(風力和風流等)將對船舶運動
特性產(chǎn)生影響，由DGPS和電羅經(jīng)裝置得到的船舶運動軌跡不是一條理想的船 舶運動軌跡，由此得到的船舶航行態(tài)勢和運動特性數(shù)據(jù)不能充分反映船舶的實 際操縱性能和船舶運動特性。

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^檢測系統(tǒng)，在計算機測量系統(tǒng)中設置GPS采集定位點信號的時
間間隔；
b) 已知船舶實際航速為r，采用船艏DGPS接收機和船艉DGPS接收機 接收GPS輸出的定位點信號，采用電羅經(jīng)檢測得到船舶的實際航向角 P,采用風向儀檢測都得到風流的速度I^和方向^將所述船舶實際航 速r、 GPS輸出的定位點信號、船舶實際航向角^、風流速度^和風流
方向P通過網(wǎng)關(guān)輸出至計算機測量系統(tǒng)；
c) 采用計算機測量系統(tǒng)計算船舶理想航速^:
在極坐標中，由船舶理想航速F。與船舶實際航速r、船舶實際航向角^、
風流速度和風流方向P的關(guān)系<formula>formula see original document page 4</formula>d) 采用計算機測量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點信號中，分別以兩
個相鄰采集時間點采集的定位信號為基準計算時刻船舶位于；, 點，r"時刻船舶位于A點，其中f為GPS采集定位點信號的時間點，尸 為船舶在極坐標中對應位置點，w為GPS采集定位點信號的個數(shù)，
/ -/ —,為GPS采集定位點信號的時間間隔；把；,P"弧視作直線，根據(jù) ^ = Kcosp-^ cosP + /(r sinp- ^ sin0)計算得到船舶理想航速F。，其中風 流速度^和風流方向^分別取^時刻的風流速度、—和風流方向^ ,;
e) 將計算機測量系統(tǒng)測量得到的各個點的船舶理想li速r。輸出至分i及
優(yōu)化軟件得到船舶運動的新航跡。 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)裝置測出船舶實際的 航行路線，結(jié)合傳感器測出風力干擾變量參數(shù)，對實際的航跡數(shù)據(jù)進行一系列 的矢量合成和動態(tài)調(diào)整，通過優(yōu)化計算以修正船舶運動航跡，由此得出船舶在 風平浪靜狀態(tài)下船舶航行所對應的航跡路線，從而確定在船舶試航時更為精確 的運動性能參數(shù)。本發(fā)明測量精確，適用于實時檢測。


圖l:本發(fā)明測量系統(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)明船舶的實際航跡圖； 圖5:本發(fā)明優(yōu)化后的航跡合成圖。
具體實施例方式
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檢測系統(tǒng)，在計算機測量系統(tǒng)中設置GPS采集定位點信號的時 間間隔；
b) 己知船舶實際航速為r，采用船艏DGPS接收機和船艉DGPS接收機 接收GPS輸出的定位點信號，采用電羅經(jīng)檢測得到船舶的實際航向角 P，采用風向儀檢測都得到風流的速度r,和方向e，將所述船舶實際航 速K、 GPS輸出的定位點信號、船舶實際航向角^、風流速度F,和風流 方向^通過網(wǎng)關(guān)輸出至計算機測量系統(tǒng)；
C)采用計算機測量系統(tǒng)計算船舶理想航速r。
在極坐標中，由船舶理想航速r。與船舶實際航速r、船舶實際航向角p、
風流速度^和風流方向P的關(guān)系
=F(cosp + Jsinp) —F,(cos^十乂'sin^) =rcosp — K,cos0 + /(卩sinp — r/sin0)
d) 采用計算機測量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點信號中，分別以兩
個相鄰采集時間點采集的定位信號為基準計算時刻船舶位于i^
點，/ 時刻船舶位于尸 點，其中z為GPS采集定位點信號的時間點，P
為船舶在極坐標中對應位置點，n為GPS采集定位點信號的個數(shù)， ^-"為GPS采集定位點信號的時間間隔；把弧視作直線，根據(jù)
^ = ycosp-r/CosP + _/(7sinp-F,sin0)計算得到船舶理想航速F。，其中風
流速度^和風流方向S分別取^時刻的風流速度和風流方向;
e) 將計算機測量系統(tǒng)測量得到的各個點的船舶理想航lir。輸出至分i 及
優(yōu)化軟件得到船舶運動的新航跡。
檢測系統(tǒng)由船艏DGPS接收機、船艉DGPS接收機、電羅經(jīng)、風向儀、網(wǎng)關(guān)、 計算機測量系統(tǒng)和分析與優(yōu)化軟件等組成，其中DGPS接收機、電羅經(jīng)和風向儀 為信號測量裝置，選用具有RS232接口的通用產(chǎn)品。上述測量裝置的信號通過專 用網(wǎng)關(guān)將信號轉(zhuǎn)輸?shù)接嬎銠C測量系統(tǒng)，完成船舶運動特性的基本測量，根據(jù)風 向風速、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 理下給出船舶運動特性。
如圖3所7^,由于GPS系統(tǒng)每一次定位所需的時間很短，接近于實時的導航， 則相對于一條航跡而言，兩點之間的航跡段非常短。因此在航跡轉(zhuǎn)彎處把兩點 間的弧線視做作直線進行計算討論。GPS采集的定位信號，^時刻船舶位于《點； ^時刻位于A點；依次類推/3,/"5，/6.......各時刻分別對應于？3，戶4,戶5,7>6......位置。計
算時由于航跡點之間的采集時間短，《A段在整個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那樣進行矢量計算，航向看成沿
S點的切線方向，iy^,/yviy^......段的計算方法跟^A段一樣。
如圖4所示，為船舶的一條實際航行路線圖。0-^段為船舶勻速直線航行，
A-A段為船舶順時針轉(zhuǎn)彎的航跡段，戶5- 8為船舶逆時針轉(zhuǎn)彎的航跡段，戶z。船 舶恢復直線勻速航行。
考慮到風流的速度和方向是時刻變化的，那么對船舶每時每刻的影響就會 不一樣，假設在非常短的時間內(nèi)風流的速度和大小是沒有發(fā)生改變的，在此時 間段里來計算不受風流影響下船舶瞬時理想航速K和時間t的函數(shù)關(guān)系。
現(xiàn)在就船舶的實際航跡分段討論
O-A航跡段勻速直線航行，由于6)和"，G)為GPS采集航跡點
的間隔時間，在這么短的時間里可以認為風流狀態(tài)保持不變。所以t在(,。，G)時，風流速度和方向分別是&。，氣，則有
T在/2)時，風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)明在給出的假設航跡段上作計算修正，得出經(jīng)過計算優(yōu) 化后的新航跡。S點修正后的位置是iT點，？2點修正后的位置是尸2點，A點修正 后的位置是A點......。
隨著^角在0°-360°的范圍里不斷變化，上述的計算函數(shù)其實是四象限的循 環(huán)式，每一小段的計算方法都相同。
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)初始化檢測系統(tǒng)，在計算機測量系統(tǒng)中設置GPS采集定位點信號的時間間隔；b)已知船舶實際航速為V，采用船艏DGPS接收機和船艉DGPS接收機接收GPS輸出的定位點信號，采用電羅經(jīng)檢測得到船舶的實際航向角采用風向儀檢測都得到風流的速度Vf和方向θ，將所述船舶實際航速V、GPS輸出的定位點信號、船舶實際航向角風流速度Vf和風流方向θ通過網(wǎng)關(guān)輸出至計算機測量系統(tǒng)；c)采用計算機測量系統(tǒng)計算船舶理想航速V0在極坐標中，由船舶理想航速V0與船舶實際航速V、船舶實際航向角風流速度Vf和風流方向θ的關(guān)系得到d)采用計算機測量系統(tǒng)，在接收的GPS輸出的定位點信號中，分別以兩個相鄰采集時間點采集的定位信號為基準計算tn-1時刻船舶位于Pn-1點，tn時刻船舶位于Pn點，其中t為GPS采集定位點信號的時間點，P為船舶在極坐標中對應位置點，n為GPS采集定位點信號的個數(shù)，tn-tn-1為GPS采集定位點信號的時間間隔；把Pn-1Pn弧視作直線，根據(jù)計算得到船舶理想航速V0，其中風流速度Vf和風流方向θ分別取tn-1時刻的風流速度和風流方向e)將計算機測量系統(tǒng)測量得到的各個點的船舶理想航速V0輸出至分析及優(yōu)化軟件得到船舶運動的新航跡。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種船舶航跡優(yōu)化分析方法，屬通用船舶航行測量與分析領域。本發(fā)明根據(jù)船艏DGPS接收機、船艉DGPS接收機和電羅經(jīng)裝置測出船舶實際的航行路線，結(jié)合風向儀測出風流和風力干擾變量參數(shù)，對實際的航跡數(shù)據(jù)進行一系列的矢量合成和動態(tài)調(diào)整，通過優(yōu)化計算以修正船舶運動航跡，由此得出船舶在風平浪靜狀態(tài)下船舶航行所對應的航跡路線，從而確定在船舶試航時更為精確的運動性能參數(shù)。本發(fā)明測量精確，適用于實時檢測。
文檔編號B63B9/00GK101372257SQ20081015595
公開日2009年2月25日 申請日期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, 俞孟蕻, 張永林, 彥 李, 潘宇星, 偉 袁, 陳紅衛(wèi), 黎敏雅, 亮 齊 申請人:江蘇科技大學