CN103791900A - 一种确定拖体在水下位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于流体力学的拖体水下定位方法。本发明是利用流体力学的基本原理，根据拖体在水下力的平衡，求得拖体和拖揽连接处的拖揽张力和拖拽角，然后利用逐步逼近法计算拖体在拖船后的距离以及在水下深度，再由拖船导航信息计算出拖体所在的经纬度。本方法计算简单可靠，应用成本低，为确定拖体在水下位置提供了一种简易方法。

Description

一种确定拖体在水下位置的方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下定位方法，尤其涉及一种估算拖体在水下位置的简易方法。

背景技术

拖曳声纳在拖曳过程中，拖体的定位是拖曳声纳使用中极为重要的问题，也是拖曳声纳拖曳系统设计的重要指标。但从所见到的资料来看，大多数水下定位方法是基于水声学，利用GPS、电罗经和姿态传感器等设备进行定位。这种方法虽然精度高，但成本也相对较大。因此，为了降低对拖拽系统拖体水下定位的成本，需要开发一种简易低成本的估算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现成本低、简单可靠的确定拖体在水下位置的方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)测量拖揽导流套的最大厚度d、流体密度ρ以及拖船速度V，由下式得出拖揽的阻力R

$R=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{C}_{R}d$

式中：C_R为拖揽与水流垂直时在水流中运动的阻力系数；

(2)测算拖揽在水中单位长度的重量W_d，由下式确定拖揽的重力角ψ

$\mathrm{\ψ}=\arctan \frac{W_d}{R};$

(3)根据步骤(2)得到的重力角ψ，由如下拖拽角方程求得拖拽角φ

$\begin{array}{c}(\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})[1+\mathrm{tg\ψ}\cot (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})]\\ =(\cos \mathrm{\φ}+\tan \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ})[\ln \cot \frac{\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})\\ -\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]\end{array}$

(4)测量拖揽的断裂强度q，确定拖揽的允许张力T

$T=\frac{q}{f}$

式中：f为拖揽的安全系数；

(5)根据步骤(3)中确定的拖拽角φ和步骤(2)中确定的重力角ψ，由如下拖揽函数得到拖揽函数的四个参数值τ、σ、ξ和η

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}}$

σ=cosψcosφcsc(ψ-φ)

$\mathrm{\ξ}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\cos (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\tan \mathrm{\ψ}\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}-\sec \mathrm{\ψ}+\tan \mathrm{\ψ}\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})];$

$\mathrm{\η}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})-\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]$

式中：τ为拖揽张力权值、σ为拖揽长度权值、ξ为拖后距离权值以及η为拖体深度权值；

(6)根据步骤(1)中确定的拖揽阻力R、步骤(4)中确定的张力T和步骤(5)中得到的参数值由下式得到拖体在水下的深度h

$h=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\τ}};$

(7)根据步骤(1)中得到的拖揽阻力R、步骤(4)中得到的张力T和步骤(5)中得到的参数值由式得到拖体在拖船后的距离L

$L=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\τ}};$

(8)由拖船的导航系统测量出拖船航向角θ、拖船东向速度V_E、拖船北向速度V_N、拖船所处纬度以及拖船所处经度λ_T，根据步骤(7)中得到的拖后距离L，由下式得到拖体所处的纬度

和经度λ

式中：R_e为地球半径。

本发明是为了解决拖拽系统中拖体定位的问题，而提供的一种利用流体力学的基本定理进行定位的简易方法。

本发明的方法是根据拖体在水下力的平衡，得到求得拖缆和拖体连接处的拖缆张力和拖曳角,然后用逐步逼近法获得各种放缆长度下拖缆的张力、拖体的深度，以及拖体在拖船后的距离等。本发明的方法无需任何测量设备，直接根据拖揽的相关参数，通过简单的公式计算出拖体的位置。

本发明的基本依据如下：

(1)流体静压力对拖体定位和拖缆张力都有影响，但很小可以忽略不计；

(2)拖缆只受粘性阻力R的作用，在与流速垂直时，阻力可分为摩擦阻力和形状阻力，前者用μR表示，后者用(1-μ)R表示；

(3)在拖缆弦厚和拖曳角较大时，摩擦阻力与拖缆倾角无关，在流的方向起作用，所以在拖曳角为φ时，摩擦阻力的法向分量为μRsinφ，切向分量为μRcosφ；

(4)在拖缆与流倾斜时，速度的切向分量对围绕拖缆的压力分布的影响可以忽略，即压阻力仅由速度的法向分量引起，因此阻力为(1-μ)Rsin²φ。

本发明与现有的技术相比的优点在于：现有的技术多是基于水声学，利用GPS、电罗经和姿态传感器等设备进行定位。这种方法虽然精度高，但成本也非常大。而本发明的方法对拖体进行定位无需任何测量装备，利用流体力学的基本原理，计算拖体在水下力的平衡,求得拖缆和拖体连接处的拖缆张力和拖曳角。然后用逐步逼近法计算各种放缆长度下拖缆的张力、拖体的深度,以及拖体在拖船后的距离等。因此本方法实现成本低，算法简单可靠，为拖体的水下定位提供一种简易的计算方法。

对本发明的有益效果说明如下：

下面以法国CIT-AICatel公司的产品SS24拖曳声纳为例，按本方法的步骤计算14节时的拖体位置，包括深度、拖后距离和拖体在水中的重量等，并与法方介绍的14节时的实测作比较。

通过资料我们已知拖缆导流套的最大厚度为29毫米，阻力系数为0.18，拖缆密度为5公斤/米，断裂强度为20吨。

利用本方法计算结果和法方的实测结果比较如下：

(1)法方介绍的实测结果：拖曳速度为14节；拖体在水中的重量为1.5吨左右；放缆长度为200米；拖体深度为145米；拖体在拖船后的距离为105米。

(2)用本方法计算的结果：拖曳速度为14节；拖体在水中的重量为1.485吨；放缆长度为200米；拖体深度为152米；拖后距离为100.9米。

综上可得估算的误差小于5%，需要指出的是估算时因不知道拖缆导流套的线型，无法计算它的浮力，只是假设它的浮力为2公斤/米，因而净重为3公斤/米。这个数值偏大(一般拖缆在水中的重量都较小，稍有一点负浮力)，致使拖体的深度偏大，拖后距离偏小。而且据法方介绍，在进行5524试验时，用的是旧的DUBV-43拖体，它的重量比SS24拖体轻一些，因此所测得的深度偏小，而拖后距离偏大。考虑到这两方面的原因，可以推断，用本方法进行拖体在水下位置的计算是可行的，试验和实测数据之间是吻合的。

附图说明

图1是本发明对拖体定位的基本流程图；

图2是拖拽系统的示意图；

图3是发明具体实施方式结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明包括以下步骤：

(1)首先测量拖揽导流套的最大厚度d、流体密度ρ以及拖船速度V，然后根据下式得出拖揽的阻力R

$R=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{C}_{R}d$

式中：C_R为拖揽与水流垂直时在水流中运动的阻力系数；

(2)测算拖揽在水中单位长度的重量W_d，由下式确定拖揽的重力角ψ

$\mathrm{\ψ}=\arctan \frac{W_d}{R};$

(3)将步骤(2)求得的重力角ψ，代入如下拖拽角方程，求得拖拽角φ

$\begin{array}{c}(\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})[1+\mathrm{tg\ψ}\cot (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})]\\ =(\cos \mathrm{\φ}+\tan \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ})[\ln \cot \frac{\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})\\ -\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]\end{array}$

(4)经强度实验测量拖揽的断裂强度q，确定拖揽的允许张力T

$T=\frac{q}{f}$

式中：f为拖揽的安全系数；

(5)将步骤(3)中确定的拖拽角φ和步骤(2)中确定的重力角ψ，代入如下拖揽函数，求得拖揽函数的四个参数值τ、σ、ξ和η

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}}$

σ=cosψcosφcsc(ψ-φ)

$\mathrm{\ξ}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\cos (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\tan \mathrm{\ψ}\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}-\sec \mathrm{\ψ}+\tan \mathrm{\ψ}\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})];$

$\mathrm{\η}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})-\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]$

式中：τ为拖揽张力权值、σ为拖揽长度权值、ξ为拖后距离权值以及η为拖体深度权值；

(6)将步骤(1)中确定的拖揽阻力R、步骤(4)中确定的张力T和步骤(5)中求得的参数值代入下式，得到拖体在水下的深度h

$h=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\τ}};$

(7)将步骤(1)中求得的拖揽阻力R、步骤(4)中求得的张力T和步骤(5)中求得的参数值代入下式，得到拖体在拖船后的距离L

$L=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\τ}};$

(8)由拖船的导航系统测量出拖船航向角θ、拖船东向速度V_E、拖船北向速度V_N、拖船所处纬度

以及拖船所处经度λ_T，将步骤(7)中求得的拖后距离L代入下式，计算拖体所处的纬度

和经度λ

式中：R_e为地球半径。

Claims (1)

1.一种确定拖体在水下位置的方法，其特征是：

(1)测量拖揽导流套的最大厚度d、流体密度ρ以及拖船速度V，由下式得出拖揽的阻力R

$R=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2{C}_{R}d$

式中：C_R为拖揽与水流垂直时在水流中运动的阻力系数；

(2)测算拖揽在水中单位长度的重量W_d，由下式确定拖揽的重力角ψ

$\mathrm{\ψ}=\arctan \frac{W_d}{R};$

(3)根据步骤(2)得到的重力角ψ，由如下拖拽角方程求得拖拽角φ

$\begin{array}{c}(\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})[1+\mathrm{tg\ψ}\cot (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})]\\ =(\cos \mathrm{\φ}+\tan \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ})[\ln \cot \frac{\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})\\ -\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]\end{array}$

(4)测量拖揽的断裂强度q，确定拖揽的允许张力T

$T=\frac{q}{f}$

式中：f为拖揽的安全系数；

(5)根据步骤(3)中确定的拖拽角φ和步骤(2)中确定的重力角ψ，由如下拖揽函数得到拖揽函数的四个参数值τ、σ、ξ和η

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{\sin \mathrm{\φ}-\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}}$

σ=cosψcosφcsc(ψ-φ)

$\mathrm{\ξ}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\cos (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\tan \mathrm{\ψ}\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}-\sec \mathrm{\ψ}+\tan \mathrm{\ψ}\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})];$

$\mathrm{\η}={\cos }^3\mathrm{\ψ}[\ln \cot \frac{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}}{2}+\tan \mathrm{\ψ}\csc (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})-\ln (\tan \mathrm{\ψ}+\sec \mathrm{\ψ})-\tan \mathrm{\ψ}\sec \mathrm{\ψ}]$

式中：τ为拖揽张力权值、σ为拖揽长度权值、ξ为拖后距离权值以及η为拖体深度权值；

(6)根据步骤(1)中确定的拖揽阻力R、步骤(4)中确定的张力T和步骤(5)中得到的参数值由下式得到拖体在水下的深度h

$h=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\τ}};$

(7)根据步骤(1)中得到的拖揽阻力R、步骤(4)中得到的张力T和步骤(5)中得到的参数值由式得到拖体在拖船后的距离L

$L=\frac{T}{R}\frac{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\τ}};$

(8)由拖船的导航系统测量出拖船航向角θ、拖船东向速度V_E、拖船北向速度V_N、拖船所处纬度

以及拖船所处经度λ_T，根据步骤(7)中得到的拖后距离L，由下式得到拖体所处的纬度

和经度λ

式中：R_e为地球半径。

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