[發明專利]一種基于空間位移的船舶姿態運動成分去除方法

有效

• 申請號: 202011364078.3
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112394332B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 陳曦;譚輝;陳亮;鄧林;冀航
• 申請（專利權）人: 中國艦船研究設計中心
• 主分類號: G01S7/36
• 分類號: G01S7/36;G01S7/40;G01S13/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平;王杰

1.一種基于空間位移的船舶姿態運動成分去除方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：建立船載相干雷達測量的綜合多普勒頻移的表達式；所述步驟一具體內容為：在任何航行狀態下的船載相干雷達所測得的由海面水質點徑向速度引起的多普勒頻移是由許多不同成分組合而成的；引起這個“合成”多普勒頻移的主要來源以布拉格波為主，但也包含有海洋表層流、移動平臺的瞬時運動、重力波、破碎波以及陰影調制附加調制成分；

船載相干雷達測量的綜合多普勒頻移f_echo(r)的表達式為：

f_echo(r)＝±f_B+f_cr+f_ship(r) (1)

其中，各項頻移成分所代表的含義為：f_B是由海洋固有布拉格波所引起頻移；f_cr是由海表面流速引起頻移；f_ship(r)是由船體姿態運動相對于雷達的徑向速度所引起頻移；若僅考慮瞬態情況，公式(1)中布拉格波所引起的頻移f_B和海表面流速引起的頻移f_cr可視作常數，通過取均值后去除即可，r是海面水質點到船載雷達所在位置的水平距離；剩下的由船體前向運動和六自由度姿態運動引起的額外速度項可由如下表示：

其中，r是海面水質點到船載雷達所在位置的水平距離，λ₀為雷達電磁波波長；υ_ship(r)表示船體姿態運動在不同距離單元內引起的額外徑向速度,分量υ_ship(r)具有時變性，與船舶在海面的航行狀態直接相關；

步驟二：基于實際船體結構的船舶運動特性建模：由三維勢流理論，根據船體自身造型數據，當受到單位波高的波浪激勵時，結合海浪頻率成分分布特性計算六自由度的船舶運動幅值響應因子；所述步驟二具體內容為：

收集實際船體自身的造型數據，包括有：船體質量、船體重心坐標、船體繞三個坐標軸的慣性半徑、船體型寬、水線面面積、垂線間長、斷水面質心橫坐標、面元截面重心坐標和浮心坐標；船體六自由度的船舶運動幅值響應因子的計算方法如下：

式中，為船舶運動幅值響應因子；S為恢復力系數矩陣；ω為海浪頻率；M為慣性質量矩陣；A為附加質量矩陣；C為阻尼系數矩陣；其中附加質量矩陣A和阻尼系數矩陣C的計算方法如下：

式中，A和C在形式上是對稱的；ρ為海水密度,為偏導符號；j為模態個數；φ_j為第j項模態下的幅值所對應的振蕩運動速度勢；Re(*)和Im(*)分別表示復數實部和虛部；恢復力系數矩陣S的表達式如下：

式中，ρ為海水密度1.02g/cm³；g為重力加速度；m為船體質量；x為直角坐標系下的單位橫坐標；

積分長度為船體型寬L_A；A表示水線面面積；B為垂線間長；y_W為斷水面的中心橫坐標；(y_s,z_s)為面元截面中心的坐標；A_tr為浮心橫坐標，為方便計算,令A_tr＝0；y_tr和z_tr為浮心坐標；(x_G,y_G,z_G)表示船舶在地球坐標系下的重心坐標；此外，慣性質量矩陣M的表達式可用下式來表達：

式中，m為船體質量；θ_xx為船體質量慣性矩，且θ_xx＝mr_x²；r_x為船體繞x軸的慣性半徑，對于質量分布對稱的船體，則有θ_xy＝θ_yz＝0,θ_xx、θ_yy、θ_zz、θ_xy、θ_xz和θ_yz分別為船體質量在xx、yy、zz、xy、xz和yz方向上的慣性矩，且θ_xx＝mr_x²，θ_yy＝mr_y²，θ_zz＝mr_z²，θ_xy＝mr_xr_y，θ_xz＝mr_xr_z，θ_yz＝mr_yr_z；r_x、r_y和r_z分別為船體繞x軸、y軸和z軸的慣性半徑；(x_G,y_G,z_G)表示船舶在地球坐標系下的重心坐標；

步驟三：船舶六自由度搖晃姿態角建模：依托上一時刻雷達所測得的海浪頻率譜，通過構造規則海面的波面方程得到船舶的起伏規律，進而獲得船體所在位置的海面波高位移；所述步驟三具體內容為：

獲取上一時刻船載相干雷達所測得的實測海浪譜，代入到規則波的波面方程得到海面隨時間的起伏規律；

其中，η(x,y,t)為在t時刻海洋波面的瞬態位移；(x,y)為海面水質點的位置坐標；t為時間；Δω和分別表示單位海浪頻率與單位傳播矢量；i和j分別為在海浪頻率和海浪方向上的單位點數；相位角ε_ij為均勻分布在(0，2π)區間內的隨機變量；N_ω和分別為海浪頻率和海浪方向上的采樣點數；表示有向頻率譜；ω_i和k_i分別表示海浪頻率與波數；為海浪傳播方向；

設初始時刻的船體所在坐標為(x_I,y_I)，經過一段時間t后，計算船體所在的位置(x_s,y_s)以及該位置的海面波高位移η(t)；

其中，v_s為船舶的前向速度；t為時間；為船舶偏航角；海面波高位移η(t)表達式為：

上式與公式(8)的共性參數含義保持一致；

步驟四：結合船舶運動幅值響應因子計算得到船體六自由度的姿態角序列；所述步驟四具體內容為：將步驟二中求得的六自由度的船舶運動幅值響應因子和步驟三中求得的海面波高位移代入到搖晃運動響應中，計算六自由度的姿態角序列：

其中，u_l(t)_l＝1,2...,6表示船舶六自由度(u₁：縱蕩、u₂：橫蕩、u₃：垂蕩、u₄：橫搖、u₅：縱搖、u₆：艏搖)的姿態角序列；N_ω和N_φ分別為海浪頻率和海浪方向上的采樣點數；t為時間；η(t)為t時刻后的海面波高位移；arg(*)表示復數的輻角主值；其余的參數與公式(8)中的共性參數含義保持一致；表示六自由度的船舶運動幅值響應因子；

步驟五：由船體姿態運動引起的多普勒頻移計算方法：實現地球坐標系和船舶坐標系下六自由度的坐標轉換；

步驟六：通過前后時刻的空間坐標差異計算該時段內雷達天線的空間位移，最后求取由船體姿態運動成分引起的額外多普勒頻移，并從雷達回波多普勒頻移中去除該成分；所述步驟六具體內容為：計算某時段內雷達在地球坐標系下的真實空間位移Y(t)以及船體姿態運動在雷達回波多普勒譜中引入的多普勒頻移f_ship；天線空間位移的計算方法如公式(18)，船體姿態運動引起的多普勒頻移計算方法如公式(19)；

其中，f_ship為由船舶運動姿態引起的多普勒頻移；x_b、y_b和z_b對應船舶坐標系下的x軸、y軸和z軸坐標；x、y和z則對應地球坐標系下的x軸、y軸和z軸坐標；λ為海浪波長；t為時間；

然后從雷達回波多普勒譜頻移中減去所求得的f_ship便可實現船舶姿態運動成分的去除。

2.如權利要求1所述的基于空間位移的船舶姿態運動成分去除方法，其特征在于，所述步驟五具體內容為：根據步驟四中所獲得的六自由度姿態角序列數據構造船舶坐標轉移矩陣A_roll、A_pitch以及A_yaw；

具體表達式如下：

其中，A_roll為橫滾方向的坐標轉移矩陣；A_pitch為縱搖方向的坐標轉移矩陣；A_yaw為艏搖方向的坐標轉移矩陣；u₄為橫搖；u₅為縱搖；u₆為艏搖；

然后分別實現船舶坐標系x_by_bz_b與平動坐標系x_Iy_Iz_I間以及平動坐標系x_Iy_Iz_I與地球坐標系xyz間的坐標轉換；具體表達式如下：

其中，x_I、y_I和z_I對應平動坐標系下的x軸、y軸和z軸坐標；x_b、y_b和z_b對應船舶坐標系下的x軸、y軸和z軸坐標；x、y和z則對應地球坐標系下的x軸、y軸和z軸坐標；u₁為縱蕩；u₂為橫蕩；u₃為垂蕩；

v_s為船舶的前向速度；為船舶偏航角；t為時間。