CN109901197B - 一种基于船载gnss-r的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS‑R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，该系统获取雷达、海浪测高仪、风速仪等多个装置采集的数据信息，由于其所采集信息为导航卫星的反射信号，而导航卫星信号源免费，所有的导航卫星都可以作为本发明所述系统的信号源，而且由于导航卫星所使用的L频段波对雨雪天气不敏感，因此可以做到全天候不间断监测海面状况，为船舶航行提供精确的环境数据。由于信号接收天线结构简单，无需雷达、风速风向仪等的机械活动部件，因此极大地延长了其使用寿命，保证所述系统长时间使用后其数据精度，而且无需频繁维护。

Description

一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制 系统

技术领域

本发明涉及船舶航行环境信息感知技术领域，尤其涉及一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统。

背景技术

在经济不断发展的今天，远洋船舶作为海洋运输的主要工具，随着船舶大型化、快速化、自动化的发展，大型船舶的航行安全问题也迫在眉睫。目前船舶面临的主要问题是在航行过程中对环境信息感知不全面，无法对航行过程中的突发情况及时动作。由于船舶尤其是远洋船舶，作为大型船舶，其惯性大的特性要求船舶必须尽可能早的发现危险并及时做出规避动作。

现在船舶对航行环境感知的传感器有雷达、海浪测高仪、风速仪等。其中雷达可以检测船舶周围的船只、海岛，也可以探测到海上建筑等等，并将这些信息显示在电子海图上供船员观测并辅助船员做出决策。雷达的缺点也十分明显，在对较远距离的障碍测量时偏差较大。海浪测高仪是装在船舶周围的测量海浪高度的仪器，其优点是可以准确的测出船舶周围海浪波高，为船舶航行提供准确的海浪信息，其缺点是只能测出一个点的浪高信息，属于点对点的测量，无法对船舶周围浪高情况进行全面监测。风速仪作为船舶上测量海面风速的仪器，可以为船舶提供实时的风速信息，其是安装在船舶上层建筑顶部的测风速的装置，其缺点只能够提供该点的风速和风向信息，不能够提供风向风速的三维信息，而且由于其是机械结构，随着使用时间的增长其精度会下降，并且需要不断的去检修维护。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，可以与现有船舶传感器形成冗余设计，与现有船舶传感器同时监控周边环境，具体技术方案包括：

用于接收海面GNSS-R反射信号的信号接收模块，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号；

接收所述信号接收模块传送的GNSS-R反射信号的船载接收机，所述船载接收机对接收到的信号进行滤波放大处理、滤除因天线和接收机的热效应产生的白噪声信号从而获得船舶的风速、风向和浪高信息；

接收所述船载接收机传送的船舶风速、风向和浪高信息的信息校对单元，所述信息校对单元将风速、风向和浪高信息与雷达、浪高仪、风速风向仪所测得的信息进行比对、并修正偏差度大于设定阈值的信息从而获得校对后的风速风向及浪高信息、和以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息；

接收所述信息校对单元传送的海浪和风场的原始信息的信号处理单元，所述信号处理单元对接收到的信息进行解算获得当前船舶的姿态信息、将姿态信息与海浪和风场的原始信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息；其中姿态信息至少包括船舶的航向角、横摇角、纵摇角、船舶当前航速和航线信息，所述信号处理单元根据船舶的航线信息估算T时间内船舶到达该航线终点的补偿舵角，当船舶航行T时间后船舶开启打舵动作进行干扰补偿；

接收所述信号处理单元传送的风速、风向及浪高信息和船舶补偿舵角信息的自适应习单元，所述自适应学习单元根据船舶的实际航行情况实时调整该系统的信号采集频率；

接收信号处理单元传送的船舶的风速、风向和浪高信息以及补偿舵角信息的信号输出单元；

接收所述信号输出单元传送的数据信息的信号显示单元，所述信号显示单元将接收到的信息叠加到电子海图的显示设备上、通过电子海图直观显示船舶航行过程中所得到的海面风浪场信息。

进一步的，所述信号接收模块包括多个信号接收天线，工作状态下所述信号接收模块读取每个信号接收天线获得的一组坐标值并使用这组数据中的最大测量值进行归一处理，具体采用如下方式：

其中Max(Y_j(n))是在测量数据I内第j个天线的最大测量值，Y_j’(n)为第j个天线在n时刻归一化后的测量值，根据每个天线所受的干扰不同采取措施确定权值得到N个天线位置估计值：

对Y反归一化得到天线位置数据进一步得到船舶位置信息：

进一步的，所述信号处理单元估算T时间内船舶到达航线终点的补偿舵角具体采用如下方式：

设船舶当前航行时刻为t₀，船舶当前时刻的位置记为x(t₀)，在t₀时刻风浪场等环境信息记为Δ(t₀)，预测时间T内船舶的航行位置为x(t₀+T)，根据t₀时刻海面风浪场等的环境信息Δ(t₀)推演出经过时间T后海面风浪场等的环境信息记为Δ(t₀+T)，将海面风浪场对船舶航行的影响等效为船舶补偿舵角并计算补偿舵角δ(t₀+T)，当船舶航行至位置x(t₀+T)时在原有舵角上加上补偿舵角δ(t₀+T)来对船舶航行进行实时控制。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，该系统获取雷达、海浪测高仪、风速仪等多个装置采集的数据信息，由于其所采集信息为导航卫星的反射信号，而导航卫星信号源免费，所有的导航卫星都可以作为本发明所述系统的信号源，而且由于导航卫星所使用的L频段波对雨雪天气不敏感，因此可以做到全天候不间断监测海面状况，为船舶航行提供精确的环境数据。由于信号接收天线结构简单，无需雷达、风速风向仪等的机械活动部件，因此极大地延长了其使用寿命，保证所述系统长时间使用后其数据精度，而且无需频繁维护。另外本发明所述方案可以为船舶航行提供海面实时的风浪场信息，相对传统的点式测量得到的信息更加丰富准确，为船舶的航行控制提供更加全面有效的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，包括信号接收模块、船载接收机、信号处理单元、信息校对单元、自适应学习单元、信号输出单元和信号显示单元。

信号接收模块用于接收海面GNSS-R反射信号，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号，其中海杂波信号是由随机海浪对信号的反射引起的，会对后续的信号处理产生干扰。

船载接收机用于接收信号接收模块所传输的信号，将信号接收模块采集的信号进行滤波放大处理，滤除无用干扰信号，包括因天线和船载接收机的热效应产生的白噪声信号对GNSS-R反射信号的干扰，获得风向、风速和浪高等有效信号。

信息校对单元用于接收由船载接收机处理的风向、风速和浪高等有效信号，同时接收雷达、风速风向仪和浪高仪等测得的风向、风速和浪高信息。将船载接收机传输的信号与雷达、风速风向仪和浪高仪等测得的风向、风速和浪高信息进行比对，修正其中偏差较大的信息，获得校对后的风速、风向和浪高信息，得到以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息。

信号处理单元接收信息校对单元传输的修正后的海浪和风场信息，同时从船舶姿态传感器获取船舶当前的姿态信息，其中姿态信息至少包括船舶的航向角，横摇角和纵摇角信息。所述信号处理单元将该信息校对单元传输的修正后的海浪和风场信息与当前船舶的姿态信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息。船舶在海上按照设定航线航行，设船舶当前航行时刻为t₀，船舶当前时刻的位置记为x(t₀)，在t₀时刻所述船舶航行环境信息采集及冗余控制系统所采集的风浪场等环境信息记为Δ(t₀)。在船舶航行过程中，船舶的位置不断变化，海浪和风场等也在变化。预测时间T后，船舶的航行位置为x(t₀+T)，根据t₀时刻的海面风浪场等的环境信息Δ(t₀)推演出经过时间T后海面风浪场等的环境信息记为Δ(t₀+T)，将海面风浪场对船舶航行的影响等效为船舶补偿舵角，即船舶通过打出一定的舵角抵消海面风浪场对船舶航行的影响，计算出补偿舵角，记为δ(t₀+T)。当船舶航行至位置x(t₀+T)时，在原有舵角上加上补偿舵角δ(t₀+T)，即可减少海面风浪场等环境因素对船舶航行造成的影响。由此完成船舶航行的环境信息的采集到船舶航行的控制过程；

自适应学习单元根据信号处理单元所处理的风速、风向和浪高信息，根据当风速、风向和浪高信息变化激烈程度调整信息采集频率。

信号输出单元将风速、风向和浪高信息以及船舶补偿舵角传输到信息显示单元和船舶的控制系统。

信号显示单元得到信号输出单元所传输的风速、风向和浪高信息以及船舶补偿舵角等消息并将其叠加到电子海图等显示设备上，通过电子海图直观显示船舶航行过程中所述船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统采集得到的海面风浪场信息。

优选的，所述自适应学习单元根据其比对后的数据根据船舶航行情况实时的调整本文所述装置的信号采集频率，如在船舶航行环境变化温和或对船舶航行安全影响较小时信息采集频率可以适当地降低，便可满足其需求，若遭遇恶劣海况则会相应提高其信息采集频率以便使船舶及时感知到其周环境信息的变化。由于船舶风场信息和海浪信息数据容量大，船舶几何尺寸相对较大，因此对海浪和风场间隔采样，如当环境变化温和时，每隔10米取一个数据点并标记数据点位置信息，遭遇恶劣海况时可缩短采样数据间隔使数据描述更精细，其采样信息可用矩阵形式表示，如下所示：

其中每个点包括的数据有：该点坐标，浪高，风向，风速等信息。

优选的，所述信号输出单元用于将浪高、风速风向等信息输出到电子海图，与当前船舶航线叠加，根据当前船舶航行信息如船速，计算船舶航行到相应点时的时间，记为t，并以此时间作为参考，记当前检测区域的环境信息为Δ(0),经过算法计算后得出t时的环境信息Δ(t)作为预测信息，船舶根据预测信息评估航行是否安全，根据当前的船舶航行状态调整船舶舵桨等来保持船舶的安全航行；信息显示单元用于将处理过的信息实时显示，供船舶人员参考。

本发明公开的一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，工作原理过程为：

A、所述装置在船舶正常航行时运行，通过信号接收模块1接收来自海面的卫星反射信号，包括镜面反射信号和漫反射信号以及其他杂波信号，将接收的卫星信号送给船载接收机2。

B、船载接收机2将卫星反射信号进行初步的滤波放大等处理并将信息送信息校对单元3。

C、信息校对单元3负责获取船载接收机的的信号以及雷达、风速风向仪以及浪高仪的信号，并将转载接收机的数据与雷达、海浪测高仪、风速仪等得到的数据比较，由于雷达、海浪测高仪、风速仪等都是成熟的船舶传感器，通过对船舶已有传感器数据的比较和学习，校准所述装置获取的数据，保证船载接收机传输的信号的准确性。

D、信号处理单元4对船舶进行空间建模，根据船舶的实时状态以船舶为坐标中心建立船舶的三维坐标系，包括自体坐标系和绝对坐标系，构建后将卫星反射信号进行解算得到相对于天线位置的风速、风向以及浪高等信息，并将信号接收模块1的坐标叠加到三维坐标系和船舶自体坐标系中，分别解算出相对船舶和相对于绝对坐标系的的风速、风向以及浪高信息。

E、自适应学习单元5通过对船舶航速的感知和对当前的环境信息进行学习，当检测到船舶增加后或者船舶周围环境恶化后会增加系统信号的采样率，使其尽可能快地检测到船舶周围环境的及时变化，当船速较慢或者航行环境温和时，自适应学习单元5会调整采样率降低设备负载。并将调整后的结果传输到到信号输出单元6。自适应单元5学习完成后，与现有传感器并行工作，互相校正所得数据并形成互相备份，使船舶更加安全的航行，并且由于其是冗余装置，可以大大延长传感器的工作时间，提高传感器的使用寿命，降低传感器故障对船舶航行造成影响的概率。

F、信号输出单元6负责将得到的信号传输给其他系统7和信号显示单元8，如船舶航行控制系统可将风速、风向和浪高等信息作为船舶航行系统的输入，通过模型计算得到船舶受到风浪等的影响而受到的力矩，求得补偿舵角δ，能够使船舶在航行过程中及时抵消因风浪带来的干扰。

G、信号显示单元8负责将处理好的信息显示给船舶人员看，包括实时的文字信息和图像信息，使船舶人员可以实时监测到航行环境的变化以及船舶周围是否有影响航行的障碍物出现，相比于雷达，本装置可以做到更高的更新速率，由于其更高的分辨率，使障碍物的外形失真更小，能够帮助船舶人员更快速准确地识别障碍物并及时采取措施。

H、本系统通过使用多组信号接收天线得到船舶多组数据，通过算法将多组数据进行合成，使其量测精度大幅度提高，经过多组数据的优化，可使所采集的风浪场信息更加精确。其合成原理如下：

在使用多组信号接收天线接收信号时，会得到相应组数的数据，而信号接收模块之间的相对位置固定，设共有n组信号接收模块，则在对海面上同一点会得到n个数据，而由于接收模块温度和信号噪声的存在，n个数据不尽相同，因此采取如下方法处理：

其中Max(Y_j(n))是在测量数据I内第j个天线的最大测量值。Y_j’(n)为第j个天线在n时刻归一化后的测量值。每个天线所受的干扰不同，可采取措施确定权值，得到该数据点信息估计值：

对Y反归一化，得到数据点信息，进一步得到船舶位置信息：

通过以上方法处理后得到的海面风浪信息比单个信号接收模块得到的信息更为准确，且在部分信号接收模块无法工作后仍能保证得到的数据的精准性。多组信号接收模块的使用在提高精度的同时也保证了模块的连续正常工作时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，其特征在于包括：

用于接收海面GNSS-R反射信号的信号接收模块，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号；

接收所述信号接收模块传送的GNSS-R反射信号的船载接收机，所述船载接收机对接收到的信号进行滤波放大处理、滤除因天线和接收机的热效应产生的白噪声信号从而获得船舶的风速、风向和浪高信息；

接收所述船载接收机传送的船舶风速、风向和浪高信息的信息校对单元，所述信息校对单元将风速、风向和浪高信息与雷达、浪高仪、风速风向仪所测得的信息进行比对、并修正偏差度大于设定阈值的信息从而获得校对后的风速风向及浪高信息、和以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息；

接收所述信息校对单元传送的海浪和风场的原始信息的信号处理单元，所述信号处理单元对接收到的信息进行解算获得当前船舶的姿态信息、将姿态信息与海浪和风场的原始信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息；其中姿态信息至少包括船舶的航向角、横摇角、纵摇角、船舶当前航速和航线信息，所述信号处理单元根据船舶的航线信息估算T时间内船舶到达该航线终点的补偿舵角，当船舶航行T时间后船舶开启打舵动作进行干扰补偿；

接收所述信号处理单元传送的风速、风向及浪高信息和船舶补偿舵角信息的自适应学习单元，所述自适应学习单元根据船舶的实际航行情况实时调整该系统的信号采集频率；

接收信号处理单元传送的船舶的风速、风向和浪高信息以及补偿舵角信息的信号输出单元；

接收所述信号输出单元传送的数据信息的信号显示单元，所述信号显示单元将接收到的信息叠加到电子海图的显示设备上、通过电子海图直观显示船舶航行过程中所得到的海面风浪场信息。

2.根据权利要求1所述的基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，其特征还在于：所述信号接收模块包括多个信号接收天线，工作状态下所述信号接收模块读取每个信号接收天线获得的一组坐标值并使用这组数据中的最大测量值进行归一处理，具体采用如下方式：

其中Max(Y_j(n))是在测量数据I内第j个天线的最大测量值，Y_j’(n)为第j个天线在n时刻归一化后的测量值，根据每个天线所受的干扰不同采取措施确定权值得到N个天线位置估计值：

对Y反归一化得到天线位置数据进一步得到船舶位置信息：

3.根据权利要求1所述的基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，其特征还在于：所述信号处理单元估算T时间内船舶到达航线终点的补偿舵角具体采用如下方式：

设船舶当前航行时刻为t₀，船舶当前时刻的位置记为x(t₀)，在t₀时刻风浪场等环境信息记为Δ(t₀)，预测时间T内船舶的航行位置为x(t₀+T)，根据t₀时刻海面风浪场等的环境信息Δ(t₀)推演出经过时间T后海面风浪场等的环境信息记为Δ(t₀+T)，将海面风浪场对船舶航行的影响等效为船舶补偿舵角并计算补偿舵角δ(t₀+T)，当船舶航行至位置x(t₀+T)时在原有舵角上加上补偿舵角δ(t₀+T)来对船舶航行进行实时控制。

Images