專利名稱：一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及艦船編隊控制技術領域，尤其是涉及艦船航跡控制和輔助航行技術領域。
背景技術：
艦船編隊航行能夠充分獲取海洋環(huán)境的有效信息，完成單個艦船難以實現(xiàn)的復雜任務，并提高任務執(zhí)行效率。因此，艦船編隊控制技術在艦隊之間協(xié)同作戰(zhàn)、大洋航行補給、自動牽引作業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、石油和天然氣探測等方面已有廣泛的應用。編隊控制方式基本可以劃分為三類:領導-跟隨法(Leader-followerapproach)、虛擬結構法(Virtual structure)和基于行為法(Behavior-based method),并分別在無人機編隊飛行、多機器人編隊、艦船編隊、潛艇編隊和衛(wèi)星編隊等領域有所發(fā)展。由于船舶運動模型具有本質非線性、非完整約束和時變環(huán)境干擾等特性，使得艦船編隊控制技術的研究起步較晚。直到二十一世紀初，在單船舶運動控制方法日趨成熟的背景下，船舶運動控制與其它領域建立的編隊控制方法相互交融發(fā)展，吸收各種不同控制思想的特點和精華，取得了一系列重要進展。目前艦船編隊控制中存在兩方面的問題，一是大部分艦船編隊控制器都是針對精確的數(shù)學模型而設計，而實際中船舶運動模型存在著高度的非線性和不確定，使得控制效果不佳；二是目前大多數(shù)艦船編隊控制器采用集中式控制結構，通過主控單元實施對每個編隊個體的控制，這種控制方式易受實際的物理環(huán)境約束，靈活性較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種準確性高、操作方便靈活的艦船編隊指揮和輔助航行方法。本發(fā)明的技術解決方案是:一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，它包括以下步驟:1)、確定目的地和編隊類型后，由旗艦規(guī)劃編隊中各艦船的航跡，即規(guī)劃各艦船在規(guī)定的時間點到達的規(guī)定位置，并將各艦船的規(guī)劃航跡分別傳輸至各艦船；2)、各艦船接收規(guī)劃航跡后，將水動力系統(tǒng)視為黑箱，反演艦船沿規(guī)劃航跡所受的合力，根據(jù)各艦船當前的實時航行參數(shù)以及歷史航行狀態(tài)參數(shù)，預測各艦船下一時刻完成在規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的預測航跡，同時將預測航跡曲線、規(guī)劃航跡曲線和實時航跡曲線共同繪制在實時航行界面圖中，并控制各艦船沿預測航跡運行；3)、監(jiān)測各艦船的實時位置、實時航行參數(shù)，并將其作為歷史航行狀態(tài)參數(shù)反饋用于預測各船舶在下一時刻完成在規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的預測航跡，同時在實時航行界面圖中，將實時航行參數(shù)繪制成與預測航跡曲線相切的操作矢量。由旗艦根據(jù)目的地和編隊類型，規(guī)劃編隊中各艦船的優(yōu)化航線，規(guī)劃航線中僅要求各艦船在規(guī)定時間點到達的規(guī)定位置，具體實現(xiàn)的航跡由各艦船自行控制，因此艦隊采用分布式控制，提高了控制的靈活性，方便操作，而各艦船對水力系統(tǒng)進行非線性系統(tǒng)識另|J，將水利系統(tǒng)視為黑箱，反演出沿規(guī)劃航跡所受的合理，并結合當前的實時的航行參數(shù)和自身歷史航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，預測在下一時刻完成在規(guī)定時間點到達規(guī)定位置的最佳的預測航跡，可以快速獲得最佳的預測航跡，同時將預測航跡、規(guī)劃航跡和實時航跡共同繪制在實時航行界面圖中，并將船舶實時航行參數(shù)繪制成與預測航跡曲線相切的操作矢量，可以直觀的反映出船舶當前的狀態(tài)以及預測航跡的變化狀況，方便觀察實際航線、預測航線與規(guī)劃航線的差異，有利于輔助駕駛員作出準確的航行判斷，整個編隊運行和航行反饋及時，可視性高，操作方便。所述實時航行參數(shù)為驅動功率及舵角，所述操作矢量長度表示驅動功率大小，操作矢量的方向表示舵角。驅動功率和舵角變化對于航跡影響最大，直觀的顯示在航行界面圖中更有利于輔助駕駛員作出準確的航行判斷。所述規(guī)劃航跡曲線、預測航跡曲線均為帶有時間刻度的曲線。方便觀察實際航跡、預測航跡的變化情況，更有利于輔助駕駛員的判斷。在監(jiān)測各艦船的實際航跡時，設定各艦船的誤差允許半徑，當反饋的當前實際位置與規(guī)定位置間距離小于誤差允許半徑時，各船舶按預測航跡繼續(xù)運行，當反饋的當前實際位置與規(guī)定位置間距離大于誤差允許半徑時，重新預測各艦船在下一個規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的最佳航跡。通過設定誤差運行半徑，在減少調節(jié)次數(shù)的同時可以及時修正誤差，減少誤差的傳遞， 同時方便各艦船根據(jù)自身情況靈活控制到達規(guī)定位置的航跡，可操作性更強。旗艦以離散時間點序列對的方式分別給出各艦船在規(guī)定的時間點到達的規(guī)定位置:
權利要求
1.一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，其特征在于:它包括以下步驟: 1)、確定目的地和編隊類型后，由旗艦規(guī)劃編隊中各艦船的航跡，即規(guī)劃各艦船在規(guī)定的時間點到達的規(guī)定位置，并將各艦船的規(guī)劃航跡分別傳輸至各艦船； 2)、各艦船接收規(guī)劃航跡后，將水動力系統(tǒng)視為黑箱，反演艦船沿規(guī)劃航跡所受的合力，根據(jù)各艦船當前的實時航行參數(shù)以及歷史航行狀態(tài)參數(shù)，預測各艦船下一時刻完成在規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的預測航跡，同時將預測航跡曲線、規(guī)劃航跡曲線和實時航跡曲線共同繪制在實時航行界面圖中，并控制各艦船沿預測航跡運行； 3)、監(jiān)測各艦船的實時位置、實時航行參數(shù)，并將其作為歷史航行狀態(tài)參數(shù)反饋用于預測各船舶在下一時刻完成在規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的預測航跡，同時在實時航行界面圖中，將實時航行參數(shù)繪制成與預測航跡曲線相切的操作矢量。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，其特征在于:所述實時航行參數(shù)為驅動功率及舵角，所述操作矢量長度表示驅動功率大小，操作矢量的方向表示舵角。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，其特征在于:所述規(guī)劃航跡曲線、預測航跡曲線均為帶有時間刻度的曲線。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，其特征在于:在監(jiān)測各艦船的實際位置時，設定各艦船的誤差允許半徑，當反饋的當前實際位置與規(guī)定位置間距離小于誤差允許半徑時，各船舶按預測航跡繼續(xù)運行，當反饋的當前實際位置與規(guī)定位置間距離大于誤差允許半徑時，重新預測各艦船在下時刻完成在規(guī)定的時間點到達規(guī)定位置的預測航跡。
5.根據(jù)權利要求 4所述的一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，其特征在于:旗艦以離散時間點序列對的方式分別給出各艦船在規(guī)定的時間點到達的規(guī)定位置:G(o)，x；；0))，(,(I)，Χ；α )，(K2)，X；:2J)，...(Φ:)，Xf;) ”..(,(》)，X;))，其中rn=l，2，3...1，I 為艦隊中艦船的數(shù)目，t(n)為規(guī)定的時間點，為第m艘艦船在t(n)時間點的規(guī)定位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種艦船輔助航行及編隊指揮的方法，確定目的地和編隊類型后，由旗艦規(guī)劃各艦船在規(guī)定的時間點到達的規(guī)定位置；各艦船將水動力系統(tǒng)視為黑箱，反演艦船沿規(guī)劃航跡所受的合力，根據(jù)各艦船當前的實時航行參數(shù)以及歷史航行狀態(tài)參數(shù)，預測各艦船下一時刻的預測航跡，同時將預測航跡曲線、規(guī)劃航跡曲線和實時航跡曲線共同繪制在實時航行界面圖中，控制各艦船沿預測航跡運行；監(jiān)測各艦船的實時位置、實時航行參數(shù)，并將其作為歷史航行狀態(tài)參數(shù)反饋用于預測各船舶在下一時刻的預測航跡，同時將實時航行參數(shù)繪制成與預測航跡曲線相切的操作矢量。本發(fā)明采用了分布式控制系統(tǒng)，控制靈活，操作方便，具有高度的容錯性和擴展性。
文檔編號G05B19/418GK103176451SQ20131004486
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權日2013年2月4日
發(fā)明者鄭瑞蕓, 沈正, 盛國強, 續(xù)珍立, 周秋萍, 丁樺 申請人:廣州中國科學院工業(yè)技術研究院