[發明專利]一種基于海洋模式的自適應觀測方法

有效

• 申請號: 202110275576.9
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113064440B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 趙玉新;趙恒德;鄧雄;趙廷;郝日栩;劉延龍;楊碩
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06;G01C13/00;G06F30/25;G06F30/27
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• 代理人: 暫無信息

1.一種基于海洋模式的自適應觀測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：構建采樣背景場

獲取海洋模式在某段時間內的預報值，通過計算采樣區域中各點隨時間的變化程度，構建用于指導采樣的背景場；

步驟二：構建全局代價函數

在獲得采樣背景場的基礎之上，加入約束，通過加權的方式構建全局代價函數；

步驟三：通過粒子群算法求解采樣方案

通過基本粒子群算法求解全局代價函數，得到滿足使全局代價函數值最小的最優采樣方案；

步驟四：將采樣結果用于數據同化

將采樣結果運用數據同化技術結合海洋模式的預報值，得到分析值，并作為初始條件完成下一階段的預報；

步驟五：更新采樣方案

以當前海洋移動觀測平臺的位置作為起點，終點不變，利用更新后的預報值，構建新的背景場，結合新背景場構成的全局代價函數對采樣路徑進行重新規劃。

2.根據權利要求1所述的一種基于海洋模式的自適應觀測方法，其特征在于，所述步驟一中構建背景場的方法表示為：

式中，n代表海洋模式的預報次數，x代表位置，代表所有預報值的平均值，F_σ,x代表背景場在x處的數值，T_x,j T_x,t代表海洋模式在x處，第t次預報的數值。

3.根據權利要求1所述的一種基于海洋模式的自適應觀測方法，其特征在于，所述步驟二中構建全局代價函數的方法表示為：

F＝c₁w₁F_σ+c₂w₂D+c₃w₃P+B

其中c₁，c₂，c₃為標準化系數，用來保證各局部代價函數的數值保持在同一數量級，w₁，w₂，w₃為權重系數，確定各局部代價函數所占有的權重，F_σ為基于背景場構建的局部代價函數；D為距離勢約束，確保各采樣點之間間隔一定的距離，避免重復采樣；P為航程約束即路徑的總長度；B為邊界條件；具體方法如下：

步驟2.1構建基于背景場的局部代價函數

假定觀測方案中觀測網絡的某個觀測平臺的觀測路徑為則基于待測海域海洋環境要素變化特性的局部代價函數可以表述為：

是由路徑上的所有觀測點組成的向量；

步驟2.2構建基于多個平臺之間的避碰與重疊約束的局部代價函數

以觀測平臺的測量范圍為基準，考慮同一觀測平臺不同測量點間的間距約束以及不同觀測平臺之間的距離約束，引入距離勢R_i,j來進行表征對應的局部代價函數D，R_i,j的數學表達式如下：

對應的局部代價函數D則為任意兩點之間的距離勢之和，(i,j)為路徑上某觀測點x的坐標，L_max代表距離勢約束的作用距離，大于等于其觀測范圍半徑的2倍；

步驟2.3構建基于移動觀測平臺測量屬性約束的局部代價函數

針對觀測平臺的自身的測量屬性：測量時間間隔、測量范圍、續航里程，構建了相應的局部代價函數，合理的觀測點數量一方面要保證觀測充足，另一方面要避免局部區域內出現重復觀測，移動觀測平臺續航里程則對整個觀測平臺的觀測軌跡的總長度P進行限制，對于多移動觀測平臺而言，則為多平臺的觀測軌跡的總長度均值；

步驟2.4構建基于移動觀測平臺避障約束的局部代價函數

對于固定存在障礙物，移動觀測平臺需要考慮避障，從而構建對應的避障約束的局部代價函數，為了滿足任意時刻任意位置的避障需求，則避障需作為強約束條件，假設當觀測路徑穿過障礙物點時，則在代價函數上賦予一個極大的懲罰值B，懲罰值較代價函數值高好3個量級，即能使規劃的最優觀測路徑偏移上述障礙點。

4.根據權利要求1所述的一種基于海洋模式的自適應觀測方法，其特征在于，所述步驟三中粒子群算法的基本公式為：

v_id＝ωv_id+C₁random(0,1)(P_id-X_id)+C₂random(0,1)(P_gd-X_id)

X_id＝X_id+v_id

其中，ω為慣性系數，C₁與C₂為加速度常數，v_id代表粒子的移動速度，X_id代表粒子的位置。