CN108489490B - 海测船上测线导航路径规划 - Google Patents

海测船上测线导航路径规划 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海测船上测线导航路径规划方法，在获悉海测船位置S、行驶方向Sangle、最小转体半径R，测线的起止点AB后即得到最佳上线路径，实施步骤如下：步骤1：根据测线起止点AB坐标得到
Figure DDA0001560672640000011
的方向，以此可得到船相对于
Figure DDA0001560672640000012
的行驶方向SAangle；步骤2：根据海测船所在位置对应情况获得最佳行驶路径，且设定转体半径都是最小转体半径。

Description

海测船上测线导航路径规划
技术领域
本发明属海洋测绘领域，涉及海测船上测线导航路径规划。
背景技术
海洋测绘是以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制工作。主要包括海道测量、海洋大地测量、海底地形测量、海洋专题测量，以及航海图、海底地形图、各种海洋专题图和海洋图集等的编制。测线布设是进行海洋测绘的一个重要环节，而确定测线位置后，规划合理的上线轨迹，使海测船能够合理上线测量，是海洋测绘工作中的重要一环。
最近几年,国内外学者都在致力于利用高精度GPS进行船载走航式测定研究工作。船载走航式测量模式，即在测区按一定间隔布设许多计划测线，然后海测船沿每条测线进行测量，这是海洋测量作业模式的重要特点。在这种测量模式中，能够及时得到海测船最佳上线路径显得格外重要，但是由于国内现今对此研究较少，主要依赖海测船驾驶者的经验驶向测线，其对航海经验存在很大的依赖性且存在极大的失误率，如何规划海测船合理的上线路径是一个值得研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以使船体能够更快更精确的上线的海测船上测线导航路径规划方法。技术方案如下：
一种海测船上测线导航路径规划方法，在获悉海测船位置S、行驶方向Sangle、最小转体半径R，测线的起止点AB后即得到最佳上线路径，实施步骤如下：
步骤1：根据测线起止点AB坐标得到
Figure BDA0001560672620000011
的方向，以此可得到船相对于
Figure BDA0001560672620000012
的行驶方向SAangle；
步骤2：根据海测船所在位置对应情况获得最佳行驶路径，且设定转体半径都是最小转体半径：
各区域划分情况如下：通过A、B点坐标计算出向量
Figure BDA0001560672620000013
的方向：相对于正北方向的夹角Aangle，同时以A点为坐标原点，向量
Figure BDA0001560672620000014
的方向为Y轴正向建立坐标系共划分为四个象限:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ，Ⅰ,Ⅳ象限和Ⅱ，Ⅲ象限对称，路径规划相同，下面对Ⅰ,Ⅳ象限说明：Ⅰ,Ⅳ象限又以经过测线起点A的最小转体半径R为半径的圆为基准将海测船S所在位置划分为：近点区域、距离测线为2R的直线L：分为以A'为起点的射线L1，方向与
Figure BDA0001560672620000015
同向，以A'为起点的射线L2，放向与
Figure BDA0001560672620000016
反向、远点区域，其中，A'点：位于Ⅰ,Ⅳ象限距离测线起始点A为2R的点；C点：第Ⅰ象限距离A'点为R的点；圆O：位于Ⅰ,Ⅳ象限恰好与测线AB相切于A点的半径为最小转体半径的圆；圆M：海测船逆时针最小转体圆；
1.以下对海测船位于射线L1上时进行上线路径规划，以海测船行驶方向相对于测线的夹角SAangle分为如下情况：
1)0-90°：
i.A’C之间：有海测船能够直接转体到圆O上的临界角θ，其随船的位置距离A’点的距离d而变；
SAangle小于等于临界角θ：此种情况下船S总是可以行驶一段距离后直接转体到圆O上，沿圆O即可到达A点；
SAangle大于临界角θ：依据M与O之间的距离可划分为以下两种情况：
①MO≥2R时：船原地逆时针方向转体后与圆O作公共切线，再经由圆O到达A点，这种方案在以下诸多情况中运用，我们将其标记为内切上线路径；
②MO＜2R时：上述方案已不合适，但仍采用逆时针转体到和射线L1与测线AB之间夹的圆上后，再走直线到达A点；
ii.C点以上：该区域的海测船在行驶方向为0～90°时均可直接转体再走直线到达测线起点A；
2)90°-180°：根据海M与O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.MO<2R：S顺时针转体与圆O作公共切线后再顺时针转体到达测线起始点A，该方法标记为外切上线路径；
ii.MO≥2R：有临界角σ
当SAangle小于临界角σ时船S总是可以行驶一段直线距离后转体到测线与L1之间夹着的圆上，然后在该圆与测线延长线的切点上直线行驶到测线起点A；
当SAangle大于临界角σ时，可布设的行驶路线有两种方案：外切上线路径和内切上线路径；在操作中根据具体位置具体角度比较两者的行驶距离择最优取之；
3)180°-360°：根据M与O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.与90°-180°的情况相似MO<2R时：外切上线路径到达测线起始点A
ii.MO≥2R：分为外切和内切上线两种方案；不同位置不同行驶方向的船具体情况具体分析后择取最佳路径；
2.对海测船位于射线L2上时路径规划：行驶方案分为外切和内切上线两种方法，操作中择最短距离者取之；
3.对海测船位于远点区域时路径规划：远点区域行驶方案仍然分外切和内切上线两种，操作中经过距离比较后择最优取之。
本发明所提出的海测船上测线导航模型充分考虑海测船的位置、行驶方向，测线的方向，以及船体的最小可转体半径，在不考虑洋流以及行驶障碍物的前提下力求获得船体驶上测线的最短行驶路径。
附图说明
图1：海域划分图
图2：Sangle、SAangle、Aangle参考角度示意图
图3：临界角θ说明图
图4：0≤SAangle≤θ时的船体行驶路线
图5：θ＜SAangle≤90°,MO≥2R时船行驶路线
图6：θ＜SAangle≤90°,MO＜2R时船行驶路线
图7：C点以上0≤SAangle≤90°船行驶方案1
图8：C点以上0≤SAangle≤90°船行驶方案2
图9：C点以上0≤SAangle≤90°船行驶方案3(外切上线法)
图10：MO＜2R,90°≤SAangle≤180°行驶路线(外切上线法)
图11：临界角σ说明图
图12：MO≥2R,90°≤SAangle≤σ时海测船行驶路线
图13：MO≥2R,σ＜SAangle≤180°外切上线法
图14：MO≥2R,σ＜SAangle≤180°内切上线法
图15：MO＜2R,180°≤SAangle≤360°外切上线法
图16：MO≥2R,180°≤SAangle≤360°外切上线法
图17：MO≥2R,180°≤SAangle≤360°内切上线法
图18：S∈L2,外切上线法
图19：S∈L2,内切上线法
图20：远点区域外切上线法
图21：远点区域内切上线法
具体实施方式
在获悉海测船位置S、行驶方向Sangle、最小转体半径R，测线的起止点AB后即可得到最佳上线路径，具体实施步骤如下：
步骤1：根据测线起止点AB得到
Figure BDA0001560672620000041
的方向，以此可得到船相对于
Figure BDA0001560672620000042
的行驶方向SAangle
步骤2：根据海测船所在位置对应情况获得最佳行驶路径。
各区域划分情况如下：
通过A、B点坐标计算出向量
Figure BDA0001560672620000043
的方向：相对于正北方向的夹角Aangle。同时以A点为坐标原点，向量
Figure BDA0001560672620000044
的方向为Y轴正向建立坐标系共划分为四个象限:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ。Ⅰ,Ⅳ象限和Ⅱ，Ⅲ象限对称，路径规划相同。下面对Ⅰ,Ⅳ象限详细说明：Ⅰ,Ⅳ象限又以经过测线起点A的最小转体半径R为半径的圆为基准将海测船S所在位置划分为：近点区域、距离测线为2R的直线L：分为以A'为起点的射线L1，方向与
Figure BDA0001560672620000045
同向；以A'为起点的射线L2，放向与
Figure BDA0001560672620000046
反向、远点区域。
注：A'点：Ⅰ,Ⅳ象限距离测线起始点A为2R的点；C点：第Ⅰ象限距离A'点为R的点；圆O：Ⅰ,Ⅳ象限恰好与测线AB相切于A点的半径为最小转体半径的圆；圆M：海测船逆时针最小转体圆。
1.以下将对海测船位于射线L1上进行详细分析，以海测船行驶方向相对于测线的夹角SAangle分为如下情况：
1)0-90°：
i.A’C之间：通过计算可得能够直接转体到圆O上的临界角θ(其随船的位置距离A’点的距离d而变)。
Figure BDA0001560672620000047
Figure BDA0001560672620000048
SAangle小于临界角θ：若记此时与S行驶方向相切且与测线相交的圆半径为r，一定有r(1+cosθ)＝2R,可知r大于R，故在此种情况下船S总是可以行驶一段距离后直接转体到圆O上。
SAangle大于临界角θ：依据船所在位置的逆时针切线圆的圆心M与圆O之间的距离可划分为以下两种情况：
①MO≥2R时：船原地逆时针方向转体后与圆O作公共切线，再经由圆O到达A点，这种方案在以下诸多情况中运用，我们将其标记为内切上线法。
②MO＜2R时：上述方案已不合适，但仍采用逆时针旋转至和射线L与测线AB之间夹的任意圆上后走直线到达A点。
ii.C点以上：该区域的海测船在行驶方向为0～90°时均可直接转体到达测线起点A。此时海测船行驶路线有三种设计方案：
①按原方向行驶使行驶路线与夹在L1和测线延长线的任意一个圆相切，然后即可沿此圆直线到达测线起始点A。
②在原地转体本质是调整行驶角度使行驶方向能与夹在L1和测线延长线的任意一个圆以垂直测线的方向相切，然后即可沿此圆直线到达测线起始点A。
③在原地顺时针转体后与圆O作公共切线，经圆O到达测线起始点A，由于这种方法在下面的分析中比较常用，我们标注它为外切上线法；
记船S到A'点的距离为Δ,从S点到测线起点A所走的距离记为d。
d方案1＝(π-SAangle)*R+Δ 式(3)
d方案2＝(1-sin(SAangle)-cos(SAangle)+π-SAangle)*R+Δ 式(4)
当
Figure BDA0001560672620000051
时，1-sin(SAangle)-cos(SAangle)≤0，故d方案2<d方案1，但通过编写程序将方案2与方案3相对比，方案3路径距离更短，最佳。
2)90°-180°：根据海测船位置的逆时针最小转体圆的圆心M与圆O的圆心O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.MO<2R：采用外切上线法上线。
ii.MO≥2R：有临界角
Figure BDA0001560672620000052
其中R为船体最小转体半径，d为S到A'的距离，如图11所示。
当SAangle小于临界角σ时船S总可以按原方向行驶到一个夹在L1和测线的延长线上的圆上，并在该圆与测线延长线的交点处直线到达测线起始点A。
当SAangle大于临界角σ时，船位置的顺时针最小转体圆的圆心一定高于O点且位于O点左侧。故可布设的行驶路线有两种方案如图13方案1中按外切上线法上线。图14方案2中按内切上线法上线。在操作中根据具体位置具体角度比较两者的行驶距离择最优取之。
3)180°-360°：根据海测船位置的逆时针最小转体圆的圆心M与圆O的圆心O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.与90°-180°的情况相似MO<2R时：外切上线法到达测线起始点A
ii.MO≥2R：分为内切上线和外切上线法两种方案。不同位置不同行驶方向的船具体情况具体分析后择取最佳路径。
2.对海测船位于射线L2上时进行分析：行驶方案分为内切和外切上线法两种，如图18、19操作中择最短距离者取之。
3.对海测船位于远点区域时进行分析：远点区域行驶方案仍然分内切上线法和外切上线法两种方案如图20、21，经过距离比较后择最优取之。

Claims (1)

1.一种海测船上测线导航路径规划方法，在获悉海测船位置S、行驶方向Sangle、最小转体半径R，测线的起止点AB后即得到最佳上线路径，实施步骤如下：
步骤1：根据测线起止点AB坐标得到
Figure FDA0003083107380000011
的方向，以此可得到船相对于
Figure FDA0003083107380000012
的行驶方向SAangle；
步骤2：根据海测船所在位置对应情况获得最佳行驶路径，且设定转体半径都是最小转体半径：
各区域划分情况如下：通过A、B点坐标计算出向量
Figure FDA0003083107380000013
的方向：相对于正北方向的夹角Aangle，同时以A点为坐标原点，向量
Figure FDA0003083107380000014
的方向为Y轴正向建立坐标系共划分为四个象限:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ，Ⅰ,Ⅳ象限和Ⅱ，Ⅲ象限对称，路径规划相同，下面对Ⅰ,Ⅳ象限说明：Ⅰ,Ⅳ象限又以经过测线起点A的最小转体半径R为半径的圆为基准将海测船S所在位置划分为：近点区域、距离测线为2R的直线L：分为以A'为起点的射线L1，方向与
Figure FDA0003083107380000015
同向，以A'为起点的射线L2，方向与
Figure FDA0003083107380000016
反向、远点区域，其中，A'点：位于Ⅰ,Ⅳ象限距离测线起始点A为2R的点；C点：第Ⅰ象限距离A'点为R的点；圆O：位于Ⅰ,Ⅳ象限恰好与测线AB相切于A点的半径为最小转体半径的圆；圆M：海测船逆时针最小转体圆；
对海测船位于射线L1上时进行上线路径规划，以海测船行驶方向相对于测线的夹角SAangle分为如下情况：
1)0-90°：
i.A’C之间：有海测船能够直接转体到圆O上的临界角θ，其随船的位置距离A’点的距离d而变；
Figure FDA0003083107380000017
Figure FDA0003083107380000018
SAangle小于等于临界角θ：此种情况下船S总是可以行驶一段距离后直接转体到圆O上，沿圆O即可到达A点；
SAangle大于临界角θ：依据圆M与圆O之间的距离可划分为以下两种情况：
①MO≥2R时：船原地逆时针方向转体后与圆O作公共切线，再经由圆O到达A点，这种方案在以下诸多情况中运用，我们将其标记为内切上线路径；
②MO＜2R时：上述方案已不合适，但仍采用逆时针转体到和射线L1与测线AB之间夹的圆上后，再走直线到达A点；
ii.C点以上：该区域的海测船在行驶方向为0～90°时均可直接转体再走直线到达测线起点A；
2)90°-180°：根据圆M与圆O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.MO<2R：S顺时针转体与圆O作公共切线后再顺时针转体到达测线起始点A，该方法标记为外切上线路径；
ii.MO≥2R：有临界角
Figure FDA0003083107380000021
当SAangle小于临界角σ时船S总是可以行驶一段直线距离后转体到测线与L1之间夹着的圆上，然后在该圆与测线延长线的切点上直线行驶到测线起点A；
当SAangle大于临界角σ时，可布设的行驶路线有两种方案：外切上线路径和内切上线路径；在操作中根据具体位置具体角度比较两者的行驶距离择最优取之；
3)180°-360°：根据M与O之间的距离是否大于2R可以分为以下两种情况：
i.与90°-180°的情况相似MO<2R时：外切上线路径到达测线起始点A
ii.MO≥2R：分为外切和内切上线两种方案：
对海测船位于射线L2上时路径规划：行驶方案分为外切和内切上线两种方法，操作中择最短距离者取之；
对海测船位于远点区域时路径规划：远点区域行驶方案仍然分外切和内切上线两种，操作中经过距离比较后择最优取之。
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