CN112614412A - 一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法 - Google Patents

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张学峰
徐剑
鹿灿
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    • G09B25/00—Models for purposes not provided for in G09B23/00, e.g. full-sized devices for demonstration purposes

Abstract

本发明公开一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，涉及到一种基于声流耦合的海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，属于船舶控制领域。本发明步骤一为基于船舶模拟操纵单元，引入海洋环境预测预报与统计同化模式，还原真实海洋异变环境场；步骤二为模拟建立水下导航系统，能够在特定的条件下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，为船舶提供精确位置；步骤三为对环境训练系统按照仿真要求集成搭载，完善优化操纵控制，通过多变量多尺度数据训练得到真实的海洋场。本发明提供一种海洋异变环境下船舶操纵及水下定位导航的模拟机理，可以便捷、真实的模拟海洋中的操纵训练，以最优模式还原海洋环境场。

Description

一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法
技术领域
本发明涉及一种海洋异变环境下船舶操纵及水下定位导航的模拟机理，特别涉及一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法。
背景技术
海洋是地球最广阔的水体，承载了地球百分之七十的面积，人类活动离不开海洋。人们对海洋的探索远没有像陆地上那样直观便捷，近年来对海洋水下异变环境的研究也不断深入。海洋中的时间、空间尺度的扰动对水下航行安全、船舶操纵以及水下定位导航等越来越受到人们的重视。
船舶在水下的操纵受到各种因素的影响，真实的海洋环境瞬息万变，海洋中的内波、涡旋以及一些隐含的上升下沉流会对船体航行产生较大影响。除此之外，水下的定位导航无法接收GNSS信号，水下目标的位置获取也具有重要意义。而目前缺乏完善的训练系统和模拟机理，故提出了能够模拟真实海洋环境并进行水下航行训练的研究机理。
发明内容
本发明提出一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，该方法机理可以真实的模拟海洋异变环境，并进行模拟训练，
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种海洋异变环境下船舶操纵及水下定位导航的模拟机理，该方法包括如下步骤：
步骤一，基于船舶模拟操纵单元，引入海洋环境预测预报与统计同化模式，完成对海洋声流耦合的模拟，还原真实海洋异变环境场；
步骤二，模拟建立水下导航系统，能够在特定的航行环境下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，为船舶提供精确位置信息；
步骤三，对海洋环境训练系统按照仿真要求集成搭载，完善优化操纵控制机理，通过多变量多尺度数据训练得到真实的海洋场。
本发明进一步限定的技术方案是：
所述的步骤一中，基于船舶模拟操纵单元，构建整体系统框架，保留位置姿态信息、声流耦合计算单元以及环境要素接口，引入海洋环境预测预报与统计同化模式，训练神经网络，完成对海洋声流耦合的模拟，还原真实海洋异变环境场。
所述的步骤二中，模拟建立水下导航单元，使船舶能够在特定的航行环境下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，包括陀螺、加速度计等原始传感器的模拟输出。模拟导航系统水面信号为舰艇在水面展开校准；模拟水声定位系统，实现精确水下定位；模拟多普勒测速系统，提供实时准确的对底测速信息。集成设计，构建水上水下一体化定位导航体系。
在所述的步骤三中，合理设计模拟系统的实体部分，提高模拟操纵控制的仿真需求，设计人机交互方式，改善操纵体感。使用模拟海域的多变量多尺度数据训练完备系统，从而得出真实海况下的船舶模拟系统。
本发明的有益效果是：本发明通过建立海洋声流耦合模型，构建真实海洋环境场，应用于船舶航行中，引入定位导航单元，构建了完整的模拟仿真体系，可以在模拟室中感受并学习真实海洋环境变化下的操纵方法和技巧，具有方便、安全、还原度高等特点。
附图说明
图1为本发明的海洋异变环境下船舶操纵及水下定位导航模拟机理实现示意图；
图2为水上水下一体化定位导航模拟系统机理示意图；
图3为舰艇操纵模拟硬件实现结构示意图；
图4为舰艇操纵模拟台体效果图；
图5为模拟室实体舵轮示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种海洋异变环境下船舶操纵及水下定位导航的模拟机理，下面对本发明做进一步的详细说明：
步骤一，基于船舶模拟操纵单元，引入海洋环境预测预报与统计同化模式，完成对海洋声流耦合的模拟，还原真实海洋异变环境场，如图1所示；
步骤二，模拟建立水下导航系统，能够在特定的航行环境下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，构建水上水下定位导航体系，为模拟船舶提供精确位置信息，如图2所示；
步骤三，合理设计模拟系统的实体部分，提高模拟操纵控制的仿真需求，设计人机交互方式，改善操纵体感。使用实验海域的数据训练系统，达到模拟仿真目的，如图所示；
如图3所示，为舰艇操纵模拟硬件实现结构示意图，理论建立了模拟系统硬件依赖关系，并据此进行搭建，最终集成构建完整的系统。
如图4所示，为舰艇操纵模拟台体效果图，使用广角显示器，配备舵轮、手柄等，提高可操纵度，最大程度上还原真实操纵感受。
如图5所示，为模拟室实体舵轮示意图。

Claims (4)

1.一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，其特征在于，涉及一种基于声流耦合的海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，具体步骤如下：
步骤一，基于船舶模拟操纵单元，引入海洋环境预测预报与统计同化模式，完成对海洋声流耦合的模拟，还原真实海洋异变环境场；
步骤二，模拟建立水下导航系统，能够在特定的航行环境下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，为船舶提供精确位置信息；
步骤三，对海洋环境训练系统按照仿真要求集成搭载，完善优化操纵控制机理，通过多变量多尺度数据训练得到真实的海洋场。
2.根据权利要求1所述的一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，其特征在于，步骤一中先基于船舶模拟操纵单元，再引入海洋环境预测预报与统计同化模式，完成对海洋声流耦合的模拟，使用神经网络训练数据集，还原真实海洋异变环境场。
3.根据权利要求1所述的一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，其特征在于，步骤二中模拟建立水下导航系统，为模拟系统提供了仿真定位效果，能够在特定的航行环境下，连续模拟高精度惯性导航系统的输出，同时把水上GNSS信号和水下水声定位系统相结合，为模拟船舶提供精确位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种海洋异变环境与水下定位导航相结合的模拟建模方法，其特征在于，步骤三中对海洋环境训练系统按照仿真要求集成搭载，通过多变量多尺度数据训练得到真实的海洋场，完善优化操纵控制机理，提高模拟操纵控制的仿真需求，设计人机交互方式，改善操纵体感。
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