一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于GNSS‑R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，该系统获取雷达、海浪测高仪、风速仪等多个装置采集的数据信息，由于其所采集信息为导航卫星的反射信号，而导航卫星信号源免费，所有的导航卫星都可以作为本发明专利技术所述系统的信号源，而且由于导航卫星所使用的L频段波对雨雪天气不敏感，因此可以做到全天候不间断监测海面状况，为船舶航行提供精确的环境数据。由于信号接收天线结构简单，无需雷达、风速风向仪等的机械活动部件，因此极大地延长了其使用寿命，保证所述系统长时间使用后其数据精度，而且无需频繁维护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统
本专利技术涉及船舶航行环境信息感知
，尤其涉及一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统。
技术介绍
在经济不断发展的今天，远洋船舶作为海洋运输的主要工具，随着船舶大型化、快速化、自动化的发展，大型船舶的航行安全问题也迫在眉睫。目前船舶面临的主要问题是在航行过程中对环境信息感知不全面，无法对航行过程中的突发情况及时动作。由于船舶尤其是远洋船舶，作为大型船舶，其惯性大的特性要求船舶必须尽可能早的发现危险并及时做出规避动作。现在船舶对航行环境感知的传感器有雷达、海浪测高仪、风速仪等。其中雷达可以检测船舶周围的船只、海岛，也可以探测到海上建筑等等，并将这些信息显示在电子海图上供船员观测并辅助船员做出决策。雷达的缺点也十分明显，在对较远距离的障碍测量时偏差较大。海浪测高仪是装在船舶周围的测量海浪高度的仪器，其优点是可以准确的测出船舶周围海浪波高，为船舶航行提供准确的海浪信息，其缺点是只能测出一个点的浪高信息，属于点对点的测量，无法对船舶周围浪高情况进行全面监测。风速仪作为船舶上测量海面风速的仪器，可以为船舶提供实时的风速信息，其是安装在船舶上层建筑顶部的测风速的装置，其缺点只能够提供该点的风速和风向信息，不能够提供风向风速的三维信息，而且由于其是机械结构，随着使用时间的增长其精度会下降，并且需要不断的去检修维护。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，可以与现有船舶传感器形成冗余设计，与现有船舶传感器同时监控周边环境，具体技术方案包括：用于接收海面GNSS-R反射信号的信号接收模块，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号；接收所述信号接收模块传送的GNSS-R反射信号的船载接收机，所述船载接收机对接收到的信号进行滤波放大处理、滤除因天线和接收机的热效应产生的白噪声信号从而获得船舶的风速、风向和浪高信息；接收所述船载接收机传送的船舶风速、风向和浪高信息的信息校对单元，所述信息校对单元将风速、风向和浪高信息与雷达、浪高仪、风速风向仪所测得的信息进行比对、并修正偏差度大于设定阈值的信息从而获得校对后的风速风向及浪高信息、和以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息；接收所述信息校对单元传送的海浪和风场的原始信息的信号处理单元，所述信号处理单元对接收到的信息进行解算获得当前船舶的姿态信息、将姿态信息与海浪和风场的原始信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息；其中姿态信息至少包括船舶的航向角、横摇角、纵摇角、船舶当前航速和航线信息，所述信号处理单元根据船舶的航线信息估算T时间内船舶到达该航线终点的补偿舵角，当船舶航行T时间后船舶开启打舵动作进行干扰补偿；接收所述信号处理单元传送的风速、风向及浪高信息和船舶补偿舵角信息的自适应习单元，所述自适应学习单元根据船舶的实际航行情况实时调整该系统的信号采集频率；接收信号处理单元传送的船舶的风速、风向和浪高信息以及补偿舵角信息的信号输出单元；接收所述信号输出单元传送的数据信息的信号显示单元，所述信号显示单元将接收到的信息叠加到电子海图的显示设备上、通过电子海图直观显示船舶航行过程中所得到的海面风浪场信息。进一步的，所述信号接收模块包括多个信号接收天线，工作状态下所述信号接收模块读取每个信号接收天线获得的一组坐标值并使用这组数据中的最大测量值进行归一处理，具体采用如下方式：其中Max(Yj(n))是在测量数据I内第j个天线的最大测量值，Yj’(n)为第j个天线在n时刻归一化后的测量值，根据每个天线所受的干扰不同采取措施确定权值得到N个天线位置估计值：对Y反归一化得到天线位置数据进一步得到船舶位置信息：进一步的，所述信号处理单元估算T时间内船舶到达航线终点的补偿舵角具体采用如下方式：设船舶当前航行时刻为t0，船舶当前时刻的位置记为x(t0)，在t0时刻风浪场等环境信息记为Δ(t0)，预测时间T内船舶的航行位置为x(t0+T)，根据t0时刻海面风浪场等的环境信息Δ(t0)推演出经过时间T后海面风浪场等的环境信息记为Δ(t0+T)，将海面风浪场对船舶航行的影响等效为船舶补偿舵角并计算补偿舵角δ(t0+T)，当船舶航行至位置x(t0+T)时在原有舵角上加上补偿舵角δ(t0+T)来对船舶航行进行实时控制。由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，该系统获取雷达、海浪测高仪、风速仪等多个装置采集的数据信息，由于其所采集信息为导航卫星的反射信号，而导航卫星信号源免费，所有的导航卫星都可以作为本专利技术所述系统的信号源，而且由于导航卫星所使用的L频段波对雨雪天气不敏感，因此可以做到全天候不间断监测海面状况，为船舶航行提供精确的环境数据。由于信号接收天线结构简单，无需雷达、风速风向仪等的机械活动部件，因此极大地延长了其使用寿命，保证所述系统长时间使用后其数据精度，而且无需频繁维护。另外本专利技术所述方案可以为船舶航行提供海面实时的风浪场信息，相对传统的点式测量得到的信息更加丰富准确，为船舶的航行控制提供更加全面有效的数据。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术系统的结构示意图；图2为本专利技术系统的工作原理图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：如图1所示的一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，包括信号接收模块、船载接收机、信号处理单元、信息校对单元、自适应学习单元、信号输出单元和信号显示单元。信号接收模块用于接收海面GNSS-R反射信号，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号，其中海杂波信号是由随机海浪对信号的反射引起的，会对后续的信号处理产生干扰。船载接收机用于接收信号接收模块所传输的信号，将信号接收模块采集的信号进行滤波放大处理，滤除无用干扰信号，包括因天线和船载接收机的热效应产生的白噪声信号对GNSS-R反射信号的干扰，获得风向、风速和浪高等有效信号。信息校对单元用于接收由船载接收机处理的风向、风速和浪高等有效信号，同时接收雷达、风速风向仪和浪高仪等测得的风向、风速和浪高信息。将船载接收机传输的信号与雷达、风速风向仪和浪高仪等测得的风向、风速和浪高信息进行比对，修正其中偏差较大的信息，获得校对后的风速、风向和浪高信息，得到以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息。信号处理单元接收信息校对单元传输的修正后的海浪和风场信息，同时从船舶姿态传感器获取船舶当前的姿态信息，其中姿态信息至少包括船舶的航向角，横摇角和纵摇角信息。所述信号处理单元将该信息校对单元传输的修正后的海浪和风场信息与当前船舶的姿态信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息。船舶在海上按照设定航线航行，设船舶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于船载GNSS‑R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，其特征在于包括：用于接收海面GNSS‑R反射信号的信号接收模块，其中GNSS‑R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号；接收所述信号接收模块传送的GNSS‑R反射信号的船载接收机，所述船载接收机对接收到的信号进行滤波放大处理、滤除因天线和接收机的热效应产生的白噪声信号从而获得船舶的风速、风向和浪高信息；接收所述船载接收机传送的船舶风速、风向和浪高信息的信息校对单元，所述信息校对单元将风速、风向和浪高信息与雷达、浪高仪、风速风向仪所测得的信息进行比对、并修正偏差度大于设定阈值的信息从而获得校对后的风速风向及浪高信息、和以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息；接收所述信息校对单元传送的海浪和风场的原始信息的信号处理单元，所述信号处理单元对接收到的信息进行解算获得当前船舶的姿态信息、将姿态信息与海浪和风场的原始信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息；其中姿态信息至少包括船舶的航向角、横摇角、纵摇角、船舶当前航速和航线信息，所述信号处理单元根据船舶的航线信息估算T时间内船舶到达该航线终点的补偿舵角，当船舶航行T时间后船舶开启打舵动作进行干扰补偿；接收所述信号处理单元传送的风速、风向及浪高信息和船舶补偿舵角信息的自适应习单元，所述自适应学习单元根据船舶的实际航行情况实时调整该系统的信号采集频率；接收信号处理单元传送的船舶的风速、风向和浪高信息以及补偿舵角信息的信号输出单元；接收所述信号输出单元传送的数据信息的信号显示单元，所述信号显示单元将接收到的信息叠加到电子海图的显示设备上、通过电子海图直观显示船舶航行过程中所得到的海面风浪场信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于船载GNSS-R的船舶航行环境信息采集及冗余控制系统，其特征在于包括：用于接收海面GNSS-R反射信号的信号接收模块，其中GNSS-R反射信号包括镜面反射信号、漫反射信号和海杂波信号；接收所述信号接收模块传送的GNSS-R反射信号的船载接收机，所述船载接收机对接收到的信号进行滤波放大处理、滤除因天线和接收机的热效应产生的白噪声信号从而获得船舶的风速、风向和浪高信息；接收所述船载接收机传送的船舶风速、风向和浪高信息的信息校对单元，所述信息校对单元将风速、风向和浪高信息与雷达、浪高仪、风速风向仪所测得的信息进行比对、并修正偏差度大于设定阈值的信息从而获得校对后的风速风向及浪高信息、和以船舶为中心的船舶周围的海浪和风场的原始信息；接收所述信息校对单元传送的海浪和风场的原始信息的信号处理单元，所述信号处理单元对接收到的信息进行解算获得当前船舶的姿态信息、将姿态信息与海浪和风场的原始信息进行融合得到相对于船舶的风速、风向和浪高信息；其中姿态信息至少包括船舶的航向角、横摇角、纵摇角、船舶当前航速和航线信息，所述信号处理单元根据船舶的航线信息估算T时间内船舶到达该航线终点的补偿舵角，当船舶航行T时间后船舶开启打舵动作进行干扰补偿；接收所述信号处理单元传送的风速、风向及浪高信息和船舶补偿舵角信息的自适应习单元，所述自适应学习单元根据船舶的实际航行情况实时调整该系统的信号采集频率；接收信号处理单元传送的船舶的风速、风向和浪高信息以及补偿舵角信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，韩周周，杨振柳，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21