用于船舶航行转弯阶段的航迹偏差测定方法

摘要

本发明公开了一种用于船舶航行转弯阶段的航迹偏差测定方法，该方法分为六个步骤：获取转弯过程前后两航路段及转弯圆弧的基本信息；计算中转点到转弯圆弧圆心的方向角；计算中转点与转弯圆弧圆心之间距离；计算转弯圆弧圆心的经纬度；获取船舶当前位置的经纬度，计算船舶到转弯圆弧圆心距离；计算船舶航行转弯过程中航迹偏差。本发明有利于船舶在转弯阶段快速修正航向，缩短航行时间并且节约航行成本；应用本转弯过程中航迹偏差的测定方法，可以实时精确的计算出船舶航行转弯阶段的航迹偏差，有利于提高船舶航迹控制精度，并且可以控制船舶更经济、可靠的完成该航段航行。

权利要求

1.一种用于船舶航行转弯阶段的航迹偏差测定方法，其特征在于：

1)获取转弯过程前后两航路段及转弯圆弧的基本信息：转弯起点和终点经纬度坐标分别为 和 中转点经纬度坐标为转弯圆弧半径为R；

2)计算中转点P2到转弯圆弧圆心O的方向角；

在已知坐标P2到坐标P1、坐标P2到坐标P3的方向角分别为为θ1、θ2后，根据这两个方向角角度值，可计算出三角形P1P2P3中∠P1P2P3大小θ3；∠P1P2P3平分线与正北方向夹角即为OP2方向角θ；

3)计算中转点P2与转弯圆弧圆心O之间距离；

计算出坐标P2到坐标P1的距离，结合航迹规划中给定的转弯半径R，在三角形P1P2O中计算坐标P2到转弯圆弧圆心O的距离s；

4)计算转弯圆弧圆心O的经纬度；

中转点经纬度坐标 与转弯圆弧圆心O的两点间距离为s，计算转弯圆弧圆心O点经纬度方法具体为：P2、O两点纬度差：

Re为地球半径；

O点纬度：

由于不同纬度下，经度的变化率不同，假设一艘船舶以船速v沿OP2方向航行，航行时间为Δt，为船舶当前位置的纬度值，所以该段时间内的经度变化值为：取经度对时间的微分：

上式右侧无时间变量t，不能对dλ求积分，故将上式左侧变换为：取Δt时间内纬度的变化值为：取纬度对时间的微分：

将上式代入 后得到：

对上式中dλ求积分：

O点经度：λO＝λ2+Δλ；

5)获取船舶当前位置的经纬度，计算船舶到转弯圆弧圆心O的距离L；

获取船舶经纬度 计算船舶到圆心距离L；

6)计算船舶航行转弯过程中航迹偏差，并回到步骤五；

船舶与转弯圆弧圆心O的距离L，计算L与转弯半径R的差值为当前的航迹偏差d，差值的符号可以反映为当前船舶的偏离位置在转弯圆弧的内侧或者外侧，航迹偏差的计算方法为：d＝L-R。

说明书

用于船舶航行转弯阶段的航迹偏差测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种船舶海上航行时的航迹控制技术，特别涉及到一种船舶在航行转弯阶段的航迹偏差测定方法。

背景技术

[0002] 在船舶航行过程中，人们都期望船舶在计划航迹上航行，如果偏离了计划航迹，可能使船舶航行产生危险，所以航行中的航迹控制十分重要。航迹控制可以使航行过程节约能源消耗、避免发生触礁等危险。船舶航行中，难免要进行转弯，在转弯过程中进行航迹控制，需要对转弯过程中的航迹偏差进行计算。

[0003] 船舶的转弯轨迹是一条圆弧，船舶偏离计划航迹时，距离转弯航迹的最短距离，可以认为是船舶转弯时的航迹偏差。为了计算这一最短距离，传统方法通常使用墨卡托投影法，将地球表面投射再一个平面上进行计算，传统方法当航行的纬度差较大时，会产生较大程度的失真，本方法提出一种可行的计算方法，可以直接计算出转弯圆弧圆心的经纬度坐标，更加直观方便的计算转弯时的航迹偏差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种船舶在转弯阶段的航迹偏差测定方法，旨在改善船舶在航行转弯阶段的航迹控制效果，达到节约航行时间及能源的目的，使海洋运输更加安全便捷。

[0005] 本发明的目的是这样实现的，一种用于船舶航行转弯阶段的航迹偏差测定方法，具体包括以下几个步骤：

[0006] 1)获取转弯过程前后两航路段及转弯圆弧的基本信息：

[0007] 转弯起点和终点经纬度坐标分别为 和 中转点经纬度坐标为转弯圆弧半径为R；

[0008] 2)计算中转点P2到转弯圆弧圆心O的方向角；

[0009] 在已知坐标P2到坐标P1、坐标P2到坐标P3的方向角分别为为θ1、θ2后，根据这两个方向角角度值，可计算出三角形P1P2P3中∠P1P2P3大小θ3；∠P1P2P3平分线与正北方向夹角即为OP2方向角θ；

[0010] 3)计算中转点P2与转弯圆弧圆心O之间距离；

[0011] 计算出坐标P2到坐标P1的距离，结合航迹规划中给定的转弯半径R，在三角形P1P2O中计算坐标P2到转弯圆弧圆心O的距离s；

[0012] 4)计算转弯圆弧圆心O的经纬度；

[0013] 中转点经纬度坐标 与转弯圆弧圆心O的两点间距离为s，计算转弯圆弧圆心O点经纬度方法具体为：

[0014] P2、O两点纬度差：

[0015] Re为地球半径；

[0016] O点纬度：

[0017] 由于不同纬度下，经度的变化率不同，假设一艘船舶以船速v沿OP2方向航行，航[0018] 行时间为Δt，为船舶当前位置的纬度值，所以该段时间内的经度变化值为：

[0019]

[0020] 取经度对时间的微分：

[0021]

[0022] 上式右侧无时间变量t，不能对dλ求积分，故将上式左侧变换为：

[0023]

[0024] 取Δt时间内纬度的变化值为：

[0025]

[0026] 取纬度对时间的微分：

[0027]

[0028] 将上式代入 后得到：

[0029]

[0030] 对上式中dλ求积分：

[0031]

[0032] O点经度：λO＝λ2+Δλ；

[0033] 5)获取船舶当前位置的经纬度，计算船舶到转弯圆弧圆心O的距离L；

[0034] 获取船舶经纬度 计算船舶到圆心距离L；

[0035] 6)计算船舶航行转弯过程中航迹偏差，并回到步骤五。

[0036] 船舶与转弯圆弧圆心O的距离L，计算L与转弯半径R的差值为当前的航迹偏差d，差值的符号可以反映为当前船舶的偏离位置在转弯圆弧的内侧或者外侧，航迹偏差的计算方法为：

[0037] d＝L-R。

[0038] 本发明的技术方案实质是：

[0039] 首先获取船舶的转弯半径，以及转弯的起点、终点和中转点经纬度坐标，其次根据已获取的经纬度坐标以及转弯半径，计算转弯圆弧的圆心经纬度坐标；再根据船舶当前所处的经纬度坐标，通过其对于圆心的位置关系，最后计算出当前时刻的航迹偏差。

[0040] 本发明的优点在于：

[0041] (1)针对于传统墨卡托投影在高纬度产生的严重失真问题，本发明在地球表面计算航迹偏差的方式更接近真实情况；

[0042] (2)已知起点、终点以及中转点经纬度坐标可求出转弯圆弧圆心与中转点的方向角，以及转弯圆弧圆心与中转点的距离；

[0043] (3)在经度变化率随纬度变化而产生差异的情况下，已知转弯圆弧圆心与中转点的方向角及距离，可直接求出转弯圆弧圆心经纬度坐标；

[0044] (4)应用该转弯阶段的航迹偏差测定方法，可以实时精确的计算出船舶航行转弯阶段的航迹偏差，有利于提高航迹控制精度。

附图说明

[0045] 图1为船舶航行转弯阶段航迹偏差测定方法解析图；

[0046] 图2为地球表面的参量表示图；

[0047] 图3为船舶航行转弯阶段航迹偏差测定流程图。

具体实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0049] 如图1和图2所示，本发明是这样实现的，具体包括以下几个步骤：

[0050] S101：获取转弯过程的起点、终点、中转点经纬度坐标；

[0051] S102：计算转弯圆弧圆心与中转点的方向角；

[0052] S103：计算转弯圆弧圆心与中转点的距离；

[0053] S104：计算转弯圆弧圆心经纬度；

[0054] S105：获取船舶当前位置信息；

[0055] S106：计算航迹偏差，并回到步骤S105；

[0056] 步骤S101：结合图1，获取转弯起点坐标P1(0.6′W,0.6′N)、中转点坐标P2(O,1.2′N)、终点坐标P3(0.6′E,0.6′N)。

[0057] 步骤S102：获得P2、P1两点经纬度的差值 与 得到P2到P1的方向角为：

[0058]

[0059] 同理得到P2到P3的方向角θ2，具体得：

[0060] 步骤S103：结合图1，在已知P2到P1、P2到P3的方向角后，通过几何推导，可以求出∠P1P2P3的角平分线，即转弯圆弧圆心所在射线，∠P1P2P3大小与θ3相同；其∠P1P2P3的角平分线方向指向转弯圆弧的圆心，求得OP2方向角θ＝0；

[0061] 步骤S104：结合图1，计算出P2到P1的距离，结合航迹规划中给定的转弯半径，根据勾股定理，在ΔOP1P2中计算P2到O的距离s＝1.2nmile(海里)。

[0062] 步骤S105:在计算出P2到O的方向角及距离后，计算圆心经纬度的方法为：

[0063] P2与O纬度差：

[0064]

[0065] 其中Re为地球半径长度,s为P2到O的距离；

[0066] O点纬度：

[0067] 计算得

[0068] 由于不同纬度下，经度的变化率不同。假设一艘船舶以船速为v沿方向角θ航行，航行时间为Δt， 为船舶当前位置的纬度值，所以该段时间内的经度变化值为：

[0069]

[0070] 求公式(4)对时间的微分：

[0071]

[0072] 由于上式右侧无时间变量t，不能对dλ求积分，故将上式左侧变换为：

[0073]

[0074] 其中引入公式(2)，即纬度变化值的计算公式：

[0075]

[0076] 求公式(7)对时间的微分：

[0077]

[0078] 将上式代入公式(6)后变为：

[0079]

[0080] 对dλ求积分：

[0081]

[0082] 计算结果△λ即为P2、O两点的经度差，最后计算O点经度：

[0083] λo＝λ2+Δλ  (11)

[0084] 计算得λo＝0；

[0085] 得到转弯圆弧圆心O(0,0)。

[0086] 步骤S105：获取某船当前经纬度坐标信息，经纬度由罗经获得。

[0087] 步骤S106：获取船舶当前位置的经纬度信息，计算船舶与转弯圆弧圆心的距离L，L与转弯半径R的差值为当前的航迹偏差，差值的符号可以反映为当前船舶的偏离位置在转弯圆弧的内侧或者外侧。航迹偏差的计算方法为：

[0088] d＝L-R  (12)

[0089] 由式(12)得到某船航迹偏差，初始航迹偏差0.215海里，有航迹制导控制使船舶逼近计划航迹，取1min为周期返回步骤S105，更新船舶位置信息。

[0090] 再次获取航迹偏差0.211海里，以1min为间隔在步骤S105与步骤S106中循环计算，后三组航迹偏差数据为0.207海里、0.201海里、0.197海里。由具体实施例可得出结论：船舶航行转弯过程中使用本发明使用的方法，可以计算出有效的航迹偏差值，利用该航迹偏差值做后期航向控制，纠正船舶位置到指令航路，本发明的功能在于可以有效跟踪船舶航迹偏差值。为方便实施例演示，航迹偏差变化率较大，本数据不用于限定此发明。

[0091] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。