本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，該方法分為六個步驟：獲取轉(zhuǎn)彎過程前后兩航路段及轉(zhuǎn)彎圓弧的基本信息；計算中轉(zhuǎn)點到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心的方向角；計算中轉(zhuǎn)點與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心之間距離；計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心的經(jīng)緯度；獲取船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，計算船舶到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心距離；計算船舶航行轉(zhuǎn)彎過程中航跡偏差。本發(fā)明專利技術(shù)有利于船舶在轉(zhuǎn)彎階段快速修正航向，縮短航行時間并且節(jié)約航行成本；應(yīng)用本轉(zhuǎn)彎過程中航跡偏差的測定方法，可以實時精確的計算出船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差，有利于提高船舶航跡控制精度，并且可以控制船舶更經(jīng)濟、可靠的完成該航段航行。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及的是一種船舶海上航行時的航跡控制技術(shù)，特別涉及到一種船舶在航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法。
技術(shù)介紹
在船舶航行過程中，人們都期望船舶在計劃航跡上航行，如果偏離了計劃航跡，可能使船舶航行產(chǎn)生危險，所以航行中的航跡控制十分重要。航跡控制可以使航行過程節(jié)約能源消耗、避免發(fā)生觸礁等危險。船舶航行中，難免要進行轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎過程中進行航跡控制，需要對轉(zhuǎn)彎過程中的航跡偏差進行計算。船舶的轉(zhuǎn)彎軌跡是一條圓弧，船舶偏離計劃航跡時，距離轉(zhuǎn)彎航跡的最短距離，可以認為是船舶轉(zhuǎn)彎時的航跡偏差。為了計算這一最短距離，傳統(tǒng)方法通常使用墨卡托投影法，將地球表面投射再一個平面上進行計算，傳統(tǒng)方法當(dāng)航行的緯度差較大時，會產(chǎn)生較大程度的失真，本方法提出一種可行的計算方法，可以直接計算出轉(zhuǎn)彎圓弧圓心的經(jīng)緯度坐標，更加直觀方便的計算轉(zhuǎn)彎時的航跡偏差。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種船舶在轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，旨在改善船舶在航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡控制效果，達到節(jié)約航行時間及能源的目的，使海洋運輸更加安全便捷。本專利技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的，一種用于船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，具體包括以下幾個步驟：1)獲取轉(zhuǎn)彎過程前后兩航路段及轉(zhuǎn)彎圓弧的基本信息：轉(zhuǎn)彎起點和終點經(jīng)緯度坐標分別為和中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標為轉(zhuǎn)彎圓弧半徑為R；2)計算中轉(zhuǎn)點P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的方向角；在已知坐標P2到坐標P1、坐標P2到坐標P3的方向角分別為為θ1、θ2后，根據(jù)這兩個方向角角度值，可計算出三角形P1P2P3中∠P1P2P3大小θ3；∠P1P2P3平分線與正北方向夾角即為OP2方向角θ；3)計算中轉(zhuǎn)點P2與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O之間距離；計算出坐標P2到坐標P1的距離，結(jié)合航跡規(guī)劃中給定的轉(zhuǎn)彎半徑R，在三角形P1P2O中計算坐標P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離s；4)計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的經(jīng)緯度；中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的兩點間距離為s，計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O點經(jīng)緯度方法具體為：P2、O兩點緯度差：Re為地球半徑；O點緯度：由于不同緯度下，經(jīng)度的變化率不同，假設(shè)一艘船舶以船速v沿OP2方向航行，航行時間為Δt，為船舶當(dāng)前位置的緯度值，所以該段時間內(nèi)的經(jīng)度變化值為：取經(jīng)度對時間的微分：上式右側(cè)無時間變量t，不能對dλ求積分，故將上式左側(cè)變換為：取Δt時間內(nèi)緯度的變化值為：取緯度對時間的微分：將上式代入后得到：對上式中dλ求積分：O點經(jīng)度：λO＝λ2+Δλ；5)獲取船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，計算船舶到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離L；獲取船舶經(jīng)緯度計算船舶到圓心距離L；6)計算船舶航行轉(zhuǎn)彎過程中航跡偏差，并回到步驟五。船舶與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離L，計算L與轉(zhuǎn)彎半徑R的差值為當(dāng)前的航跡偏差d，差值的符號可以反映為當(dāng)前船舶的偏離位置在轉(zhuǎn)彎圓弧的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，航跡偏差的計算方法為：d＝L-R。本專利技術(shù)的技術(shù)方案實質(zhì)是：首先獲取船舶的轉(zhuǎn)彎半徑，以及轉(zhuǎn)彎的起點、終點和中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標，其次根據(jù)已獲取的經(jīng)緯度坐標以及轉(zhuǎn)彎半徑，計算轉(zhuǎn)彎圓弧的圓心經(jīng)緯度坐標；再根據(jù)船舶當(dāng)前所處的經(jīng)緯度坐標，通過其對于圓心的位置關(guān)系，最后計算出當(dāng)前時刻的航跡偏差。本專利技術(shù)的優(yōu)點在于：(1)針對于傳統(tǒng)墨卡托投影在高緯度產(chǎn)生的嚴重失真問題，本專利技術(shù)在地球表面計算航跡偏差的方式更接近真實情況；(2)已知起點、終點以及中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標可求出轉(zhuǎn)彎圓弧圓心與中轉(zhuǎn)點的方向角，以及轉(zhuǎn)彎圓弧圓心與中轉(zhuǎn)點的距離；(3)在經(jīng)度變化率隨緯度變化而產(chǎn)生差異的情況下，已知轉(zhuǎn)彎圓弧圓心與中轉(zhuǎn)點的方向角及距離，可直接求出轉(zhuǎn)彎圓弧圓心經(jīng)緯度坐標；(4)應(yīng)用該轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，可以實時精確的計算出船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差，有利于提高航跡控制精度。附圖說明圖1為船舶航行轉(zhuǎn)彎階段航跡偏差測定方法解析圖；圖2為地球表面的參量表示圖；圖3為船舶航行轉(zhuǎn)彎階段航跡偏差測定流程圖。具體實施方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例對本專利技術(shù)進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本專利技術(shù)，并不用于限定本專利技術(shù)。如圖1和圖2所示，本專利技術(shù)是這樣實現(xiàn)的，具體包括以下幾個步驟：S101：獲取轉(zhuǎn)彎過程的起點、終點、中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標；S102：計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心與中轉(zhuǎn)點的方向角；S103：計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心與中轉(zhuǎn)點的距離；S104：計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心經(jīng)緯度；S105：獲取船舶當(dāng)前位置信息；S106：計算航跡偏差，并回到步驟S105；步驟S101：結(jié)合圖1，獲取轉(zhuǎn)彎起點坐標P1(0.6′W,0.6′N)、中轉(zhuǎn)點坐標P2(O,1.2′N)、終點坐標P3(0.6′E,0.6′N)。步驟S102：獲得P2、P1兩點經(jīng)緯度的差值與得到P2到P1的方向角為：同理得到P2到P3的方向角θ2，具體得：步驟S103：結(jié)合圖1，在已知P2到P1、P2到P3的方向角后，通過幾何推導(dǎo)，可以求出∠P1P2P3的角平分線，即轉(zhuǎn)彎圓弧圓心所在射線，∠P1P2P3大小與θ3相同；其∠P1P2P3的角平分線方向指向轉(zhuǎn)彎圓弧的圓心，求得OP2方向角θ＝0；步驟S104：結(jié)合圖1，計算出P2到P1的距離，結(jié)合航跡規(guī)劃中給定的轉(zhuǎn)彎半徑，根據(jù)勾股定理，在ΔOP1P2中計算P2到O的距離s＝1.2nmile(海里)。步驟S105:在計算出P2到O的方向角及距離后，計算圓心經(jīng)緯度的方法為：P2與O緯度差：其中Re為地球半徑長度,s為P2到O的距離；O點緯度：計算得由于不同緯度下，經(jīng)度的變化率不同。假設(shè)一艘船舶以船速為v沿方向角θ航行，航行時間為Δt，為船舶當(dāng)前位置的緯度值，所以該段時間內(nèi)的經(jīng)度變化值為：求公式(4)對時間的微分：由于上式右側(cè)無時間變量t，不能對dλ求積分，故將上式左側(cè)變換為：其中引入公式(2)，即緯度變化值的計算公式：求公式(7)對時間的微分：將上式代入公式(6)后變?yōu)椋簩λ求積分：計算結(jié)果△λ即為P2、O兩點的經(jīng)度差，最后計算O點經(jīng)度：λo＝λ2+Δλ (11)計算得λo＝0；得到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O(0,0)。步驟S105：獲取某船當(dāng)前經(jīng)緯度坐標信息，經(jīng)緯度由羅經(jīng)獲得。步驟S106：獲取船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息，計算船舶與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心的距離L，L與轉(zhuǎn)彎半徑R的差值為當(dāng)前的航跡偏差，差值的符號可以反映為當(dāng)前船舶的偏離位置在轉(zhuǎn)彎圓弧的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)。航跡偏差的計算方法為：d＝L-R (12)由式(12)得到某船航跡偏差，初始航跡偏差0.215海里，有航跡制導(dǎo)控制使船舶逼近計劃航跡，取1min為周期返回步驟S105，更新船舶位置信息。再次獲取航跡偏差0.211海里，以1min為間隔在步驟S105與步驟S106中循環(huán)計算，后三組航跡偏差數(shù)據(jù)為0.207海里、0.201海里、0.197海里。由具體實施例可得出結(jié)論：船舶航行轉(zhuǎn)彎過程中使用本專利技術(shù)使用的方法，可以計算出有效的航跡偏差值，利用該航跡偏差值做后期航向控制，糾正船舶位置到指令航路，本專利技術(shù)的功能在于可以有效跟蹤船舶航跡偏差值。為方便實施例演示，航跡偏差變化率較大，本數(shù)據(jù)不用于限定此專利技術(shù)。上述雖然結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的具體實施方式進行了描述，但并非對本專利技術(shù)保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本專利技術(shù)的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可做出的各種修改或變形仍在本專利技術(shù)的保護范圍之內(nèi)。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種用于船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，其特征在于：1)獲取轉(zhuǎn)彎過程前后兩航路段及轉(zhuǎn)彎圓弧的基本信息：轉(zhuǎn)彎起點和終點經(jīng)緯度坐標分別為和中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標為轉(zhuǎn)彎圓弧半徑為R；2)計算中轉(zhuǎn)點P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的方向角；在已知坐標P2到坐標P1、坐標P2到坐標P3的方向角分別為為θ1、θ2后，根據(jù)這兩個方向角角度值，可計算出三角形P1P2P3中∠P1P2P3大小θ3；∠P1P2P3平分線與正北方向夾角即為OP2方向角θ；3)計算中轉(zhuǎn)點P2與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O之間距離；計算出坐標P2到坐標P1的距離，結(jié)合航跡規(guī)劃中給定的轉(zhuǎn)彎半徑R，在三角形P1P2O中計算坐標P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離s；4)計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的經(jīng)緯度；中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的兩點間距離為s，計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O點經(jīng)緯度方法具體為：P2、O兩點緯度差：Re為地球半徑；O點緯度：由于不同緯度下，經(jīng)度的變化率不同，假設(shè)一艘船舶以船速v沿OP2方向航行，航行時間為Δt，為船舶當(dāng)前位置的緯度值，所以該段時間內(nèi)的經(jīng)度變化值為：取經(jīng)度對時間的微分：上式右側(cè)無時間變量t，不能對dλ求積分，故將上式左側(cè)變換為：取Δt時間內(nèi)緯度的變化值為：取緯度對時間的微分：將上式代入后得到：對上式中dλ求積分：O點經(jīng)度：λO＝λ2+Δλ；5)獲取船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，計算船舶到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離L；獲取船舶經(jīng)緯度計算船舶到圓心距離L；6)計算船舶航行轉(zhuǎn)彎過程中航跡偏差，并回到步驟五；船舶與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離L，計算L與轉(zhuǎn)彎半徑R的差值為當(dāng)前的航跡偏差d，差值的符號可以反映為當(dāng)前船舶的偏離位置在轉(zhuǎn)彎圓弧的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，航跡偏差的計算方法為：d＝L?R。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于船舶航行轉(zhuǎn)彎階段的航跡偏差測定方法，其特征在于：1)獲取轉(zhuǎn)彎過程前后兩航路段及轉(zhuǎn)彎圓弧的基本信息：轉(zhuǎn)彎起點和終點經(jīng)緯度坐標分別為和中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標為轉(zhuǎn)彎圓弧半徑為R；2)計算中轉(zhuǎn)點P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的方向角；在已知坐標P2到坐標P1、坐標P2到坐標P3的方向角分別為為θ1、θ2后，根據(jù)這兩個方向角角度值，可計算出三角形P1P2P3中∠P1P2P3大小θ3；∠P1P2P3平分線與正北方向夾角即為OP2方向角θ；3)計算中轉(zhuǎn)點P2與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O之間距離；計算出坐標P2到坐標P1的距離，結(jié)合航跡規(guī)劃中給定的轉(zhuǎn)彎半徑R，在三角形P1P2O中計算坐標P2到轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的距離s；4)計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的經(jīng)緯度；中轉(zhuǎn)點經(jīng)緯度坐標與轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O的兩點間距離為s，計算轉(zhuǎn)彎圓弧圓心O點經(jīng)緯度方法具體...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王紅波，孫志鵬，劉東迪，陳佳羽，楊樹仁，劉洋，
申請(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：吉林;22
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