专利名称：船舶航迹优化分析方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶航迹优化分析方法，属通用船舶航行测量与分析领域。
背景技术：
在船舶建造和船舶大修后，将会进行船舶试航，以测试船舶各方面的性能， 其中船舶的操纵性能以及船舶运动特性测试是两个重要的内容，测试结果将作 为评价船舶航行性能的重要依据。
传统的船舶操纵性能以及船舶运动特性测试是通过对DGPS和电罗经装置 的信号采集以及计算机系统的信号分析处理，为船舶航行姿态和运动特性提供
相应数据。主要包括(l)船舶前进或后退速度；(2)船艏横移速度；(3)船艉横移 速度；(4)船舶旋转速度；(5)船舶运动轨迹；(6)船舶运动平均速度计算与分析；
(7)船舶运动回转半径计算。上述参数的结果主要通过船舶运动轨迹的分析计算得到。
然而，船舶在试航过程中，外界干扰因素(风力和风流等)将对船舶运动
特性产生影响，由DGPS和电罗经装置得到的船舶运动轨迹不是一条理想的船 舶运动轨迹，由此得到的船舶航行态势和运动特性数据不能充分反映船舶的实 际操纵性能和船舶运动特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种船舶航迹优化分析方法。 一种船舶航迹优化分析方法，其特征在于包括以下步骤
a) 初始^检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时
间间隔；
b) 已知船舶实际航速为r，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机 接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角 P,采用风向仪检测都得到风流的速度I^和方向^将所述船舶实际航 速r、 GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角^、风流速度^和风流
方向P通过网关输出至计算机测量系统；
c) 采用计算机测量系统计算船舶理想航速^:
在极坐标中，由船舶理想航速F。与船舶实际航速r、船舶实际航向角^、
风流速度和风流方向P的关系<formula>formula see original document page 4</formula>d) 采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两
个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算时刻船舶位于；, 点，r"时刻船舶位于A点，其中f为GPS采集定位点信号的时间点，尸 为船舶在极坐标中对应位置点，w为GPS采集定位点信号的个数，
/ -/ —,为GPS采集定位点信号的时间间隔；把；,P"弧视作直线，根据 ^ = Kcosp-^ cosP + /(r sinp- ^ sin0)计算得到船舶理想航速F。，其中风 流速度^和风流方向^分别取^时刻的风流速度、—和风流方向^ ,;
e) 将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想li速r。输出至分i及
优化软件得到船舶运动的新航迹。 本发明船舶航迹优化分析系统将根据DGPS和电罗经装置测出船舶实际的 航行路线，结合传感器测出风力干扰变量参数，对实际的航迹数据进行一系列 的矢量合成和动态调整，通过优化计算以修正船舶运动航迹，由此得出船舶在 风平浪静状态下船舶航行所对应的航迹路线，从而确定在船舶试航时更为精确 的运动性能参数。本发明测量精确，适用于实时检测。
图l:本发明测量系统原理结构图; 图2:本发明速度矢量合成图； 图3:本发明船舶部分航迹图； 图4:本发明船舶的实际航迹图； 图5:本发明优化后的航迹合成图。
具体实施例方式
如图l，图2所示， 一种船舶航迹优化分析方法，包括以下步骤
a) 初始g检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时 间间隔；
b) 己知船舶实际航速为r，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机 接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角 P，采用风向仪检测都得到风流的速度r,和方向e，将所述船舶实际航 速K、 GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角^、风流速度F,和风流 方向^通过网关输出至计算机测量系统；
C)采用计算机测量系统计算船舶理想航速r。
在极坐标中，由船舶理想航速r。与船舶实际航速r、船舶实际航向角p、
风流速度^和风流方向P的关系
=F(cosp + Jsinp) —F,(cos^十乂'sin^) =rcosp — K,cos0 + /(卩sinp — r/sin0)
d) 采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两
个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算时刻船舶位于i^
点，/ 时刻船舶位于尸 点，其中z为GPS采集定位点信号的时间点，P
为船舶在极坐标中对应位置点，n为GPS采集定位点信号的个数， ^-"为GPS采集定位点信号的时间间隔；把弧视作直线，根据
^ = ycosp-r/CosP + _/(7sinp-F,sin0)计算得到船舶理想航速F。，其中风
流速度^和风流方向S分别取^时刻的风流速度和风流方向;
e) 将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想航lir。输出至分i 及
优化软件得到船舶运动的新航迹。
检测系统由船艏DGPS接收机、船艉DGPS接收机、电罗经、风向仪、网关、 计算机测量系统和分析与优化软件等组成，其中DGPS接收机、电罗经和风向仪 为信号测量装置，选用具有RS232接口的通用产品。上述测量装置的信号通过专 用网关将信号转输到计算机测量系统，完成船舶运动特性的基本测量，根据风 向风速、流向流速、航向航速和一般的船舶操纵特性，在分析与优化软件的处 理下给出船舶运动特性。
如图3所7^,由于GPS系统每一次定位所需的时间很短，接近于实时的导航， 则相对于一条航迹而言，两点之间的航迹段非常短。因此在航迹转弯处把两点 间的弧线视做作直线进行计算讨论。GPS采集的定位信号，^时刻船舶位于《点； ^时刻位于A点；依次类推/3,/"5，/6.......各时刻分别对应于？3，户4,户5,7>6......位置。计
算时由于航迹点之间的采集时间短，《A段在整个航迹中所占的比例很小，这里 把/^弧视作直线。即该小段可以按直线航行时那样进行矢量计算，航向看成沿
S点的切线方向，iy^,/yviy^......段的计算方法跟^A段一样。
如图4所示，为船舶的一条实际航行路线图。0-^段为船舶匀速直线航行，
A-A段为船舶顺时针转弯的航迹段，户5- 8为船舶逆时针转弯的航迹段，户z。船 舶恢复直线匀速航行。
考虑到风流的速度和方向是时刻变化的，那么对船舶每时每刻的影响就会 不一样，假设在非常短的时间内风流的速度和大小是没有发生改变的，在此时 间段里来计算不受风流影响下船舶瞬时理想航速K和时间t的函数关系。
现在就船舶的实际航迹分段讨论
O-A航迹段匀速直线航行，由于6)和"，G)为GPS采集航迹点
的间隔时间，在这么短的时间里可以认为风流状态保持不变。所以t在(,。，G)时，风流速度和方向分别是&。，气，则有
T在/2)时，风流速度和方向分别是&,，《，则有 g = /(，《)=「 cos p _cos《+j O s— - FA sin《) A - P5段和P: - A段转弯处的4算方法与上M相N 。
如图5所示。本发明在给出的假设航迹段上作计算修正，得出经过计算优 化后的新航迹。S点修正后的位置是iT点，？2点修正后的位置是尸2点，A点修正 后的位置是A点......。
随着^角在0°-360°的范围里不断变化，上述的计算函数其实是四象限的循 环式，每一小段的计算方法都相同。
权利要求
1.一种船舶航迹优化分析方法，其特征在于包括以下步骤a)初始化检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时间间隔；b)已知船舶实际航速为V，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角采用风向仪检测都得到风流的速度Vf和方向θ，将所述船舶实际航速V、GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角风流速度Vf和风流方向θ通过网关输出至计算机测量系统；c)采用计算机测量系统计算船舶理想航速V0在极坐标中，由船舶理想航速V0与船舶实际航速V、船舶实际航向角风流速度Vf和风流方向θ的关系得到d)采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算tn-1时刻船舶位于Pn-1点，tn时刻船舶位于Pn点，其中t为GPS采集定位点信号的时间点，P为船舶在极坐标中对应位置点，n为GPS采集定位点信号的个数，tn-tn-1为GPS采集定位点信号的时间间隔；把Pn-1Pn弧视作直线，根据计算得到船舶理想航速V0，其中风流速度Vf和风流方向θ分别取tn-1时刻的风流速度和风流方向e)将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想航速V0输出至分析及优化软件得到船舶运动的新航迹。
全文摘要
本发明公布了一种船舶航迹优化分析方法，属通用船舶航行测量与分析领域。本发明根据船艏DGPS接收机、船艉DGPS接收机和电罗经装置测出船舶实际的航行路线，结合风向仪测出风流和风力干扰变量参数，对实际的航迹数据进行一系列的矢量合成和动态调整，通过优化计算以修正船舶运动航迹，由此得出船舶在风平浪静状态下船舶航行所对应的航迹路线，从而确定在船舶试航时更为精确的运动性能参数。本发明测量精确，适用于实时检测。
文档编号B63B9/00GK101372257SQ20081015595
公开日2009年2月25日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者何祖军, 佘建国, 俞孟蕻, 张永林, 彦 李, 潘宇星, 伟 袁, 陈红卫, 黎敏雅, 亮 齐 申请人:江苏科技大学