[发明专利]一种舰船辅助航行及编队指挥的方法

说明书

技术领域

本发明涉及舰船编队控制技术领域，尤其是涉及舰船航迹控制和辅助航行技术领域。

背景技术

舰船编队航行能够充分获取海洋环境的有效信息，完成单个舰船难以实现的复杂任务，并提高任务执行效率。因此，舰船编队控制技术在舰队之间协同作战、大洋航行补给、自动牵引作业、环境监测、石油和天然气探测等方面已有广泛的应用。

编队控制方式基本可以划分为三类：领导-跟随法（Leader-follower approach）、虚拟结构法（Virtual structure）和基于行为法(Behavior-based method)，并分别在无人机编队飞行、多机器人编队、舰船编队、潜艇编队和卫星编队等领域有所发展。由于船舶运动模型具有本质非线性、非完整约束和时变环境干扰等特性，使得舰船编队控制技术的研究起步较晚。直到二十一世纪初，在单船舶运动控制方法日趋成熟的背景下，船舶运动控制与其它领域建立的编队控制方法相互交融发展，吸收各种不同控制思想的特点和精华，取得了一系列重要进展。

目前舰船编队控制中存在两方面的问题，一是大部分舰船编队控制器都是针对精确的数学模型而设计，而实际中船舶运动模型存在着高度的非线性和不确定，使得控制效果不佳；二是目前大多数舰船编队控制器采用集中式控制结构，通过主控单元实施对每个编队个体的控制，这种控制方式易受实际的物理环境约束，灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确性高、操作方便灵活的舰船编队指挥和辅助航行方法。

本发明的技术解决方案是：一种舰船辅助航行及编队指挥的方法，它包括以下步骤：1）、确定目的地和编队类型后，由旗舰规划编队中各舰船的航迹，即规划各舰船在规定的时间点到达的规定位置，并将各舰船的规划航迹分别传输至各舰船；2）、各舰船接收规划航迹后，将水动力系统视为黑箱，反演舰船沿规划航迹所受的合力，根据各舰船当前的实时航行参数以及历史航行状态参数，预测各舰船下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时将预测航迹曲线、规划航迹曲线和实时航迹曲线共同绘制在实时航行界面图中，并控制各舰船沿预测航迹运行；3）、监测各舰船的实时位置、实时航行参数，并将其作为历史航行状态参数反馈用于预测各船舶在下一时刻完成在规定的时间点到达规定位置的预测航迹，同时在实时航行界面图中，将实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量。

由旗舰根据目的地和编队类型，规划编队中各舰船的优化航线，规划航线中仅要求各舰船在规定时间点到达的规定位置，具体实现的航迹由各舰船自行控制，因此舰队采用分布式控制，提高了控制的灵活性，方便操作，而各舰船对水力系统进行非线性系统识别，将水利系统视为黑箱，反演出沿规划航迹所受的合理，并结合当前的实时的航行参数和自身历史航行状态数据，预测在下一时刻完成在规定时间点到达规定位置的最佳的预测航迹，可以快速获得最佳的预测航迹，同时将预测航迹、规划航迹和实时航迹共同绘制在实时航行界面图中，并将船舶实时航行参数绘制成与预测航迹曲线相切的操作矢量，可以直观的反映出船舶当前的状态以及预测航迹的变化状况，方便观察实际航线、预测航线与规划航线的差异，有利于辅助驾驶员作出准确的航行判断，整个编队运行和航行反馈及时，可视性高，操作方便。

所述实时航行参数为驱动功率及舵角，所述操作矢量长度表示驱动功率大小，操作矢量的方向表示舵角。驱动功率和舵角变化对于航迹影响最大，直观的显示在航行界面图中更有利于辅助驾驶员作出准确的航行判断。

所述规划航迹曲线、预测航迹曲线均为带有时间刻度的曲线。方便观察实际航迹、预测航迹的变化情况，更有利于辅助驾驶员的判断。

在监测各舰船的实际航迹时，设定各舰船的误差允许半径，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离小于误差允许半径时，各船舶按预测航迹继续运行，当反馈的当前实际位置与规定位置间距离大于误差允许半径时，重新预测各舰船在下一个规定的时间点到达规定位置的最佳航迹。通过设定误差运行半径，在减少调节次数的同时可以及时修正误差，减少误差的传递，同时方便各舰船根据自身情况灵活控制到达规定位置的航迹，可操作性更强。