CN103176451A - 一种舰船辅助航行及编队指挥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，确定目的地和编队类型后，由旗舰规划各舰船在规定的时间点到达的规定位置；各舰船将水动力系统视为黑箱，反演舰船沿规划航迹所受的合力，根据各舰船当前的实时航行参数以及历史航行状态参数，预测各舰船下一时刻的预测航迹，同时将预测航迹曲线、规划航迹曲线和实时航迹曲线共同绘制在实时航行界面图中，控制各舰船沿预测航迹运行；监测各舰船的实时位置、实时航行参数，并将其作为历史航行状态参数反馈用于预测各船舶在下一时刻的预测航迹，同时将实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量。本发明采用了分布式控制系统，控制灵活，操作方便，具有高度的容错性和扩展性。

Description

一种舰船辅助航行及编队指挥的方法

技术领域

本发明涉及舰船编队控制技术领域，尤其是涉及舰船航迹控制和辅助航行技术领域。

背景技术

舰船编队航行能够充分获取海洋环境的有效信息，完成单个舰船难以实现的复杂任务，并提高任务执行效率。因此，舰船编队控制技术在舰队之间协同作战、大洋航行补给、自动牵引作业、环境监测、石油和天然气探测等方面已有广泛的应用。

编队控制方式基本可以划分为三类：领导-跟随法（Leader-followerapproach）、虚拟结构法（Virtual structure）和基于行为法(Behavior-basedmethod)，并分别在无人机编队飞行、多机器人编队、舰船编队、潜艇编队和卫星编队等领域有所发展。由于船舶运动模型具有本质非线性、非完整约束和时变环境干扰等特性，使得舰船编队控制技术的研究起步较晚。直到二十一世纪初，在单船舶运动控制方法日趋成熟的背景下，船舶运动控制与其它领域建立的编队控制方法相互交融发展，吸收各种不同控制思想的特点和精华，取得了一系列重要进展。

目前舰船编队控制中存在两方面的问题，一是大部分舰船编队控制器都是针对精确的数学模型而设计，而实际中船舶运动模型存在着高度的非线性和不确定，使得控制效果不佳；二是目前大多数舰船编队控制器采用集中式控制结构，通过主控单元实施对每个编队个体的控制，这种控制方式易受实际的物理环境约束，灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确性高、操作方便灵活的舰船编队指挥和辅助航行方法。

本发明的技术解决方案是：一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，它包括以下步骤：1）、确定目的地和编队类型后，由旗舰规划编队中各舰船的航迹，即规划各舰船在规定的时间点到达的规定位置，并将各舰船的规划航迹分别传输至各舰船；2）、各舰船接收规划航迹后，将水动力系统视为黑箱，反演舰船沿规划航迹所受的合力，根据各舰船当前的实时航行参数以及历史航行状态参数，预测各舰船下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时将预测航迹曲线、规划航迹曲线和实时航迹曲线共同绘制在实时航行界面图中，并控制各舰船沿预测航迹运行；3）、监测各舰船的实时位置、实时航行参数，并将其作为历史航行状态参数反馈用于预测各船舶在下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时在实时航行界面图中，将实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量。

由旗舰根据目的地和编队类型，规划编队中各舰船的优化航线，规划航线中仅要求各舰船在规定时间点到达的规定位置，具体实现的航迹由各舰船自行控制，因此舰队采用分布式控制，提高了控制的灵活性，方便操作，而各舰船对水力系统进行非线性系统识别，将水利系统视为黑箱，反演出沿规划航迹所受的合理，并结合当前的实时的航行参数和自身历史航行状态数据，预测在下一时刻完成在规定时间点到达规定位置的最佳的预测航迹，可以快速获得最佳的预测航迹，同时将预测航迹、规划航迹和实时航迹共同绘制在实时航行界面图中，并将船舶实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量，可以直观的反映出船舶当前的状态以及预测航迹的变化状况，方便观察实际航线、预测航线与规划航线的差异，有利于辅助驾驶员作出准确的航行判断，整个编队运行和航行反馈及时，可视性高，操作方便。

所述实时航行参数为驱动功率及舵角，所述操作矢量长度表示驱动功率大小，操作矢量的方向表示舵角。驱动功率和舵角变化对于航迹影响最大，直观的显示在航行界面图中更有利于辅助驾驶员作出准确的航行判断。

所述规划航迹曲线、预测航迹曲线均为带有时间刻度的曲线。方便观察实际航迹、预测航迹的变化情况，更有利于辅助驾驶员的判断。

在监测各舰船的实际航迹时，设定各舰船的误差允许半径，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离小于误差允许半径时，各船舶按预测航迹继续运行，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离大于误差允许半径时，重新预测各舰船在下一个规定的时间点到达规定位置的最佳航迹。通过设定误差运行半径，在减少调节次数的同时可以及时修正误差，减少误差的传递，同时方便各舰船根据自身情况灵活控制到达规定位置的航迹，可操作性更强。

旗舰以离散时间点序列对的方式分别给出各舰船在规定的时间点到达的规定位置： $(t\left(0\right),X_{t\left(0\right)}^m),$ $(t\left(1\right),X_{t\left(1\right)}^m),$ $(t\left(2\right),X_{t\left(2\right)}^m),$ … $(t\left(i\right),X_{t\left(i\right)}^m),$ … $(t\left(n\right),X_{t\left(n\right)}^m),$ 其中m=1,2,3...l，l为舰队中舰船的数目，t(n)为规定的时间点，

为第m艘舰船在t(n)时间点的规定位置。

本发明的优点是：采用了分布式控制系统，在控制方法上更加灵活，操作方便，具有高度的容错性和扩展性，在离散时间点处进行误差控制，避免误差的传递。

附图说明

附图1为本发明实施例的舰船编队指挥和辅助航行的方法原理图；

附图2为本发明实施例中水动力反演及航迹预测的一种工作方式原理图；

附图3为本发明实施例中水动力反演及航迹预测的另一种工作方式原理图；

附图4为本发明实施例中对误差控制的原理图；

附图5为本发明实施例中实时航行界面示意图；

附图6为本发明实施例中以舵角调节方式进行的预测航迹调整示意图；

附图7为图6中舵角偏转α时的预测航迹调整示意图；

附图8为图6中舵角偏转2α时的预测航迹调整示意图；

附图9为本发明实施例中以驱动功率调节方式进行的预测航迹调整示意图；

附图10为图9中增大驱动功率时的预测航迹调整示意图；

1、旗舰通讯模块，2、各舰船通讯模块，3、驾驶员，4、操作矢量，A、规划航迹曲线，B、实际航迹曲线，C、预测航迹曲线，D、预测航迹曲线，E、预测航迹曲线。

具体实施方式

实施例：

参阅图1，为一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，它包括以下步骤：

对于旗舰：

Z01、由旗舰指挥员确定目的地和编队类型；

Z02、规划编队中各舰船的航迹，以离散时间点序列对的方式分别给出各舰船在规定的时间点到达的规定位置：

$(t\left(0\right),X_{t\left(0\right)}^m),$ $(t\left(1\right),X_{t\left(1\right)}^m),$ $(t\left(2\right),X_{t\left(2\right)}^m),$ … $(t\left(i\right),X_{t\left(i\right)}^m),$ … $(t\left(n\right),X_{t\left(n\right)}^m),$ 其中m=1,2,3...l，l为舰队中舰船的数目，t(n)为规定的时间点，

为第m艘舰船在t(n)时间点的规定位置即规划各舰船在规定的时间点到达的规定位置，并通过旗舰通讯模块1将各舰船的规划航迹分别传输至各舰船；

对于各舰船：

S01、各舰船通讯模块2接收规划航迹后，将水动力系统视为黑箱，反演舰船沿规划航迹所受的合力，根据各舰船当前的实时航行参数以及历史航行状态参数，预测各舰船下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹；

S02、根据预测航迹输出控制参数（如舵角、驱动功率的推荐值等），或者由驾驶员3根据经验调整舵角、驱动功率等参数，控制各舰船按照预测航迹运行；

S03、将预测航迹曲线、规划航迹曲线和实时航迹曲线共同绘制在实时航行界面图中，其中规划航迹曲线、预测航迹曲线均为带有时间刻度的曲线；

S04、监测各舰船的实时位置、实时航行参数（包括位置、航迹、姿态、加速度、角加速度等），并将其作为历史航行状态参数反馈用于预测各船舶在下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时在实时航行界面图中，将实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量4，其中实时航行参数为驱动功率及舵角，操作矢量长度表示驱动功率大小，操作矢量的方向表示舵角；在监测各舰船的实际航迹时，设定各舰船的误差允许半径，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离小于误差允许半径时，各船舶按预测航迹继续运行，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离大于误差允许半径时，重新预测各舰船在下一个规定的时间点到达规定位置的最佳航迹。

舰船地理位置坐标采用GPS/GLONASS系统进行测量，可获得各舰船的经纬度、航速及航向等信息；同时，为避免由于天气、地形、定位星丢失以及船舶停驻等原因导致的GPS系统失效或部分失效，集成电子罗盘仪提供各舰船在各种情况下航向的稳定信息。船体姿态采用惯性传感器（也称惯性导航系统，INS）组合进行测量，以获得船体各轴向的加速度以及对各轴的角速度信号。

旗舰通讯模块1和各舰船通讯模块2之间采用无线通讯的方式，并进行加密，确保通讯协议设计可靠、安全。在此基础上，旗舰可以向从舰发送指令，从舰接受旗舰的指令，实现系统集散控制。

参阅图2-3，水动力反演及舰船航迹控制包括S011水动力系统辨识和S012航迹预测两步骤，其中S011水动力系统辨识步骤是在接收规划航迹并结合自身的历史航行状态数据后，反演舰船沿规划航迹所受的合力，S012航迹预测步骤是预测各舰船在规定的时间点到达规定位置的最佳航迹，并输出控制参数控制舰船运行。

S011、水动力系统辨识步骤：将水动力系统视为黑箱，利用非线性系统辨识方法进行辨识，将t(i-1)时刻舰船的实际航行数据（舵角θ′_t(i-1)、发动机功率ω′_t(i-1)）和实际状态参数（位置X′_t(i-1)、航向角α′_t(i-1)、航迹角β′_t(i-1)、加速度a′_t(i-1)、角加速度a′_α，t(i-1)）作为输入信号，t(i)时刻舰船的实际状态参数（位置X′_t(i)、航向角α′_t(i)、航迹角β′_t(i)、加速度a′_t(i)、角加速度a′_α，t(i)）作为输出信号，对t(i-1)时刻-t(i)时刻的平均水动力系统进行参数辨识，辨识获得的系统参数传递用于航迹预测步骤。

S012、航迹预测步骤预测步骤有两种方式，第一种如图2中所示，选取t(i)时刻舰船的实际状态参数，和t(i+1)时刻的规划位置点X_t(i+1)作为航迹预测的输入信号，输出的是t(i)时刻舰船编队行驶所需舵角及发动机功率的推荐值θ_t(i)、ω_t(i)，以及预测的t(i+1)时刻舰船位置点同时给出t(i)时刻-t(i+1)时刻舰船的预测航迹。

第二种如图3中所示，由有经验的驾驶员6自行决定t(i)时刻舰船的舵角θ′_t(i)和发动机功率ω′_t(i)，并与t(i)时刻舰船的状态参数一起作为航迹预测的输入信号，结合水动力系统辨识步骤中反演得到的t(i-1)时刻-t(i)时刻的平均水动力系统，输出的是t(i+1)时刻舰船位置点

同时给出t(i)时刻~t(i+1)时刻舰船的预测航迹。

上述两种工作方式采用的是单步预测的方法，适用于短期预测工况。当进行较长时间的行驶规划时，则需要对较长时间尺度的历史数据进行辨识，得到水动力系统在较长时间尺度里的平均状况，并结合气象预报进行预测。

实时显示的航行界面图作为辅助航行的重要工具，可以在多维度地图上显示规划航迹曲线A、实际航迹曲线B、当前预测航迹曲线C以及操作矢量4等多种信息，如图4所示，其中规划位置以圆圈表示。操作矢量4的长度可以代表驱动功率的大小，方向代表舰船的舵角，并在当前时刻与预测航迹曲线C相切。规划航迹曲线A及当前的预测航迹曲线C均为带时间刻度的曲线（规划航迹曲线A用点划线表示，预测航迹曲线C用实线表示），其中规划航迹曲线A上各规定的时间点处绘有误差圆。当更改航行操作参数时，操作矢量4随之变化，预测航迹曲线C也同步变化。带有时间刻度的预测航迹曲线直观地显示在指定的时间点舰船所到达的位置。

参阅图5，为本发明实施例中误差控制的原理图。舰船由规划位置点X_t(i)，经过X_t(i+1)、X_t(i+2)，行驶至X_t(i+3)。S为误差允许半径。理想条件下，舰船的行驶不存在误差，在每个离散时间点刚好到达规划位置，如规划航迹曲线A所示。实际情况下，在每个离散时间点内，舰船可以到达规划位置的误差允许半径内，如预测航迹曲线C所示。若舰船的实际航迹如实际航迹曲线B所示，舰船的位置超出误差允许半径时，如t(i+1)时刻舰船的实际位置为X′_t(i+1)，此时误差系统报警，并重新设计航线。航线的设计有两个方案，一是在下一时刻t(i+2)到达指定的位置X_t(i+2)的误差允许半径内，如预测航迹曲线D所示；二是在t(i+3)才到达指定的位置X_t(i+3)的误差允许半径内，如预测航迹曲线E所示。

由于舰船编队航行要求各舰船应在规定的时间点到达规定位置，当带有时间刻度的预测航迹曲线显示舰船可到达指定位置，但时间有所延迟，则驾驶员可增大驱动功率，在实时航行界面图上的直观显示为操作矢量4方向不变，长度增大，预测航迹曲线等比放大，在规定的时间点通过误差圆；若预测航迹曲线显示舰船无法到达指定位置，则驾驶员需更改舰船舵角，在实时航行界面图上的直观显示为操作矢量4长度不变，方向改变，预测航迹曲线随之发生偏转，当舵角调节准确时，预测航迹曲线经过误差圆。

如图6所示，在当前时刻，舰船的实际位置（黑色实心圆表示）超出规划位置的误差允许半径（灰色实心圆表示）。当操作矢量4如图6中所示，实时航行界面图上显示的预测航迹曲线C与规划航迹曲线A上的误差圆不相交，也表明舰船在t(i+1)、t(i+2)时刻均无法到达指定位置。当舰船舵角偏转α时，如图7所示，预测航迹曲线C随之发生偏转，并在t(i+2)时刻进入规划航迹曲线A误差圆内（斜线填充）；当舰船舵角偏转2α时，如图8所示，预测航迹曲线C随之发生偏转，并在t(i+1)时刻即进入规划航迹曲线A误差圆内（斜线填充）。

如图9所示，在当前时刻，舰船的实际位置在规定位置的误差允许半径内（黑色实心圆在灰色实心圆内）。当操作矢量4如图9所示，实时航行界面图上显示的预测航迹曲线C与规划航迹曲线A上的误差圆相交，但进入误差圆的时间超过规定的时间点，无法完成编队要求。因此增大舰船的驱动功率，如图10中所示，舰船在t(i+1)、t(i+2)时刻均可到达指定位置（斜线填充），完成编队要求。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）、确定目的地和编队类型后，由旗舰规划编队中各舰船的航迹，即规划各舰船在规定的时间点到达的规定位置，并将各舰船的规划航迹分别传输至各舰船；

2）、各舰船接收规划航迹后，将水动力系统视为黑箱，反演舰船沿规划航迹所受的合力，根据各舰船当前的实时航行参数以及历史航行状态参数，预测各舰船下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时将预测航迹曲线、规划航迹曲线和实时航迹曲线共同绘制在实时航行界面图中，并控制各舰船沿预测航迹运行；

3）、监测各舰船的实时位置、实时航行参数，并将其作为历史航行状态参数反馈用于预测各船舶在下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时在实时航行界面图中，将实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量。

2.根据权利要求1所述的一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，其特征在于：所述实时航行参数为驱动功率及舵角，所述操作矢量长度表示驱动功率大小，操作矢量的方向表示舵角。

3.根据权利要求1或2所述的一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，其特征在于：所述规划航迹曲线、预测航迹曲线均为带有时间刻度的曲线。

4.根据权利要求3所述的一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，其特征在于：在监测各舰船的实际位置时，设定各舰船的误差允许半径，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离小于误差允许半径时，各船舶按预测航迹继续运行，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离大于误差允许半径时，重新预测各舰船在下时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹。

5.根据权利要求4所述的一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，其特征在于：旗舰以离散时间点序列对的方式分别给出各舰船在规定的时间点到达的规定位置： $(t\left(0\right),X_{t\left(0\right)}^m),$ $(t\left(1\right),X_{t\left(1\right)}^m),$ $(t\left(2\right),X_{t\left(2\right)}^m),$ … $(t\left(i\right),X_{t\left(i\right)}^m),$ … $(t\left(n\right),X_{t\left(n\right)}^m),$ 其中m=1,2,3...l，l为舰队中舰船的数目，t(n)为规定的时间点，

为第m艘舰船在t(n)时间点的规定位置。

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