CN101872195A - 船舶海上航行航迹解析偏差生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船舶海上航行航迹解析偏差生成方法。(1)输入出发地的经纬度坐标Q(x_q，y_q，z_q)、目的地的经纬度坐标M(x_m，y_m，z_m)；(2)计算期望最优航迹；(3)分段修正期望航迹；(4)计算船舶与航迹段的偏差；(5)判断船舶是否处于当前航迹段；(6)是则重复步骤(4)，否则进入下一航迹段计算，并重复步骤(4)。本发明得到的航迹能实现更经济、更安全的航海，并利于领航且极大的方便了自动舵航行，却只是增加了较小的航行距离；更利于航迹控制，同时也提高了航迹控制精度。

Description

船舶海上航行航迹解析偏差生成方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶航迹与姿态控制技术，特别涉及到一种船舶航迹舵的航迹偏差解析生成技术。

背景技术

在船舶航行运营中，航迹控制是最基本的，都期望沿着一条规划的航线准确的航行，一来可以节省航行运营成本，二来可以确保船舶在安全航线上运行减少触礁、搁浅的危险。船舶航迹控制主要靠不断的改变期望航向来实现。然而，要构成闭环控制，前提条件是整个过程都离不开对船舶当前航迹偏差的测量。

传统的方法是采取三角形相似原理，粗略的折算船舶航迹偏差或者采取等角航海法。一方面粗略的折算方式存在误差较大的不足，另一方面等角航海法存在航迹并非最优的特点，尤其是远洋航海等角航海法比大圆航海法要多出很大的一段无效距离。如从非洲的好望角到澳大利亚的墨尔本，沿等角航线航行，航程是6020海里，沿大圆航线航行5450海里，二者相差570海里(约1000公里)。为了提高船舶的航迹控制精度，一种可行的方法是研究一种精度高、易于解算的航迹解析偏差生成技术，便于精确的沿大圆航迹航海，从而提高航迹自动舵***航迹控制性能的同时节约航海成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于改善船舶的航迹控制效果和降低航海成本，使航海运营更经济、更安全的船舶海上航行航迹解析偏差生成方法。

本发明的目的是这样实现的：

具体包括以下几个步骤：

(1)输入出发地的经纬度坐标Q(x_q，y_q，z_q)、目的地的经纬度坐标M(x_m，y_m，z_m)；

(2)计算期望最优航迹；

(3)分段修正期望航迹；

(4)计算船舶与航迹段的偏差；

(5)判断船舶是否处于当前航迹段；

(6)是则重复步骤(4)，否则进入下一航迹段计算，并重复步骤(4)。

本发明还可以包括：

1、所述的计算得到的期望最优航迹是用地球上的大圆方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ax}}_q+{\mathrm{By}}_q+{\mathrm{Cz}}_q=0\\ {\mathrm{Ax}}_m+{\mathrm{By}}_m+{\mathrm{Cz}}_m=0\end{array}\right.$

其中A、B、C表示平面方程系数。

2、所述的分段修正期望航迹的方法为：

把大圆最优期望航迹展绘到墨卡托投影的海图上，然后把大圆最优期望航迹分成几段，每一段连成直线，就是等角航线。

3、所述的计算船舶与航迹段的偏差中，船舶与航迹段的偏差实质为船舶自身位置点到由该等角航行航段起始点和终点

所决定直线的距离，计算得到的船舶与航迹段的偏差为：

4、所述的判断船舶是否处于当前航迹段包括：计算船舶坐标在航迹段上的垂足，计算航迹段起始点

到垂足点

的距离，计算航迹段起始点

和航迹段终点

的距离；

计算得到的船舶坐标在航迹段上的垂足坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\⊥=-\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{By}}_p-\frac{B^2}{A}{x}_p+C)}\\ y_{\⊥}=\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{Ay}}_p-{\mathrm{Bx}}_p+\frac{\mathrm{AC}}{B})-\frac{C}{B}\end{array}\right.;$

计算得到的航迹段起始点到垂足点

的距离为：

计算得到的航迹段起始点

和航迹段终点

的距离为：

所述船舶是否处于当前航迹段判断方法为：判断d_p和d_l大小，如果d_p≤d_l成立则仍选用起始点

和终点

作所处航迹段；否则该段航迹段终点作为新的起始点，后续一个变航向点为终点。

本发明的技术方案的实质是：首先设定出发地、目的地的经纬度坐标，根据给定的坐标点计算期望最优航迹，考虑地理环境的限制因素，对期望最优航迹进行分段修正，然后根据船舶当前的位置计算船舶与航迹段的偏差，根据计算得到的偏差判断船舶是否处于当前航迹段，如果是则重复计算船舶与航迹段的偏差，如果否则进入下一航迹段计算，并重复计算船舶与航迹段的偏差。该技术方案的优点在于：

(1)基于大圆航海法生成地球椭球面上的期望理论航迹，结合现实地理条件进行修正得到本次航海的规划航迹，能更经济、更安全的航海；

(2)将大圆航海法生成的理论期望航迹，进行分段等角航海法逼近，利于领航且极大的方便了自动舵航行，却只是增加了较小的航行距离；

(3)应用航迹解析偏差生成技术能够实时的、较为精确的得到当前的航迹偏差值，更利于航迹控制，同时也提高了航迹控制精度。

附图说明

图1为航迹解析偏差生成技术流程图；

图2为等角航线在地球上的投影图；

图3为大圆航线在地球上的投影图；

图4为等角航行和大圆航行在地球表面的轨迹图；

图5为航迹偏差解析计算图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的处理流程如下：首先设定出发地、目的地的经纬度坐标，根据给定的坐标点计算期望最优航迹，考虑地理环境的限制因素，对期望最优航迹进行分段修正，然后根据船舶当前的位置计算船舶与航迹段的偏差，根据计算得到的偏差判断船舶是否处于当前航迹段，如果是则重复计算船舶与航迹段的偏差，如果否则进入下一航迹段计算，并重复计算船舶与航迹段的偏差。

具体实施步骤如下：

步骤(1)，设定出发地、目的地的经纬度坐标分别为Q(x_q，y_q，z_q)、M(x_m，y_m，z_m)。

步骤(2)，计算期望最优航迹即大圆方程的方法为：

(a)地球椭球面方程：

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1---\left(1\right)$

(b)一般平面方程的坐标原点，不妨就取在地球球心，从而一般平面方程表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0                            (2)

已知出发地Q(x_q，y_q，z_q)、目的地M(x_m，y_m，z_m)两点的坐标，求取通过Q、M和地球球心O(0，0，0)三点的平面方程，可以推导得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ax}}_q+{\mathrm{By}}_q+{\mathrm{Cz}}_q+D=0\\ {\mathrm{Ax}}_m+{\mathrm{By}}_m+{\mathrm{Cz}}_m+D=0\\ D=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

即：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ax}}_q+{\mathrm{By}}_q+{\mathrm{Cz}}_q=0\\ {\mathrm{Ax}}_m+{\mathrm{By}}_m+{\mathrm{Cz}}_m=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

上式可推算出A、B、C之间的关系，代回一般方程就得到通过A、B和地球球心O(0，0，0)三点的平面方程。

(c)得到期望最优航迹的大圆方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1\\ \mathrm{Ax}+\mathrm{By}+\mathrm{Cz}+D=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤(3)，分段修正期望航迹的方法为：如图2、图3所示实际上在远洋航行时，考虑地理环境的限制因素，如海岸线几何形状、航线的划定、气象环境等，一般把大圆航线展绘到墨卡托投影的海图上(是一条曲线)，然后把大圆航线分成几段(例如按等间隔经度划分)，每一段连成直线，就是等角航线。船只航行时，总的情况来说，大致是沿大圆航线航行。因而走的是一条较近路线，但就每一段来说，走的又是等角航线，不用随时改变航向，从而领航十分方便。

步骤(4)，因合理的分段，小范围的球面可以近似为平面处理，如图4、图5航迹偏差解析计算图所示简化计算。

根据大圆航行法进行分段等角航行，可以得到每段等角航行航向角改变点的经纬度坐标值。航迹偏差实质为舰船自身位置点

到由该等角航行航段起始点

和终点所决定直线的距离。

直线标准形式：Ax+By+C＝0，点P(x_p，y_p)到直线距离公式为，起始点

和终点

所决定直线。

船舶与航迹段的偏差即舰船自身位置点

到直线距离为：

步骤(5)，判断船舶是否处于当前航迹段包括：计算船舶坐标在航迹段上的垂足，计算航迹段起始点

到垂足点

的距离，计算航迹段起始点

和航迹段终点

的距离。

其中垂足点的计算方法为：

直线标准形式：Ax+By+C＝0；斜率

则垂线的斜率为：

得：y＝k′x+b；过点P(x_p，y_p)可知：

得到垂线方程为：

$y=k^{\′}x+(y_p-\frac{B}{A}{x}_p)---\left(9\right)$

联立直线方程可以得到交点，即垂足点：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Ax}+\mathrm{By}+C=0\\ y=\frac{B}{A}x+(y_p-\frac{B}{A}{x}_p)\end{array}\right.---\left(10\right)$

垂足点坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\⊥}=-\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{By}}_p-\frac{B^2}{A}{x}_p+C)\\ y_{\⊥}=\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{Ay}}_p-{\mathrm{Bx}}_p+\frac{\mathrm{AC}}{B})-\frac{C}{B}\end{array}\right.---\left(11\right)$

计算得到的航迹段起始点到垂足点

的距离为：

计算得到的航迹段起始点

和航迹段终点

的距离为

船舶是否处于当前航迹段判断方法为：比较d_p和d_l大小

步骤(6)，如果d_p≤d_l成立则仍选用起始点

和终点

作所处航迹段。否则该段航迹段终点作为新的起始点，后续一个变航向点为终点，重复步骤(4)的计算。

Claims (5)

1.一种船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，其特征是具体包括以下几个步骤：

(1)输入出发地的经纬度坐标Q(x_q，y_q，z_q)、目的地的经纬度坐标M(x_m，y_m，z_m)；

(2)计算期望最优航迹；

(3)分段修正期望航迹；

(4)计算船舶与航迹段的偏差；

(5)判断船舶是否处于当前航迹段；

(6)是则重复步骤(4)，否则进入下一航迹段计算，并重复步骤(4)。

2.根据权利要求1所述的船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，其特征是所述的计算得到的期望最优航迹是用地球上的大圆方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Ax}}_q+{\mathrm{By}}_q+{\mathrm{Cz}}_q=0\\ {\mathrm{Ax}}_m+{\mathrm{By}}_m+{\mathrm{Cz}}_m=0\end{array}\right.$

其中A、B、C表示平面方程系数。

3.根据权利要求2所述的船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，其特征是所述的分段修正期望航迹的方法为：

把大圆最优期望航迹展绘到墨卡托投影的海图上，然后把大圆最优期望航迹分成几段，每一段连成直线，就是等角航线。

4.根据权利要求3所述的船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，其特征是所述的计算船舶与航迹段的偏差中，船舶与航迹段的偏差实质为船舶自身位置点

到由该等角航行航段起始点

和终点

所决定直线的距离，计算得到的船舶与航迹段的偏差为：

5.根据权利要求4所述的船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，其特征是所述的判断船舶是否处于当前航迹段包括：计算船舶坐标在航迹段上的垂足，计算航迹段起始占

到垂足点

的距离，计算航迹段起始点和航迹段终点

的距离；

计算得到的船舶坐标在航迹段上的垂足坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\⊥}=-\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{By}}_p-\frac{B^2}{A}{x}_p+C)\\ y_{\⊥}=\frac{A}{A^2+B^2}({\mathrm{Ay}}_p-{\mathrm{Bx}}_p+\frac{\mathrm{AC}}{B})-\frac{C}{B}\end{array}\right.;$

计算得到的航迹段起始点

到垂足点

的距离为：

计算得到的航迹段起始点

和航迹段终点

的距离为：

所述船舶是否处于当前航迹段判断方法为：判断d_p和d_l大小，如果d_p≤d_l成立则仍选用起始点

和终点

作所处航迹段；否则该段航迹段终点作为新的起始点，后续一个变航向点为终点。

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