一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法技术

本发明专利技术提出了一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，包括：船舶姿态监控部分和告警救援部分；其中，船舶姿态监控部分通过人工手动告警、船舶初始状态异常告警以及船舶预测姿态告警三种方法，判断是否告警并将告警信息传递给告警救援部分；告警救援部分收到告警信息后，通过北斗卫星发送告警信息，并协助救援。本发明专利技术仅通过安装在船舶上的北斗一体机的卫星定位于北斗短报文通信功能满足船舶的姿态监控与遇险告警功能。控与遇险告警功能。控与遇险告警功能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶姿态告警方法，特别是一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法。

技术介绍

[0002]随着海上经济的日益发展，海上活动的种类和逐渐趋于繁多。由于受到天气以及洋流的影响，海洋环境复杂多变，如何准确获取船舶的状态信息成为了保障海上活动的安全性的重要问题。北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)目前已实现了可用范围的全球覆盖。北斗短报文通信功能是BDS的重要功能之一，地面终端可以通过北斗短报文功能直接通过卫星信号与其他地面终端进行双向的信息传递，可用于应急情况下的紧急通讯。目前船舶上通常装载北斗一体机设备，北斗一体机是一种组合导航和通信终端，可以根据全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)与惯性导航系统的观测信息及它们的组合结果，为船舶提供足够精准可靠的定位、导航、授时(Positioning Navigating Timing,PNT)信息，并在任何区域均能够通过北斗短报文功能实现数据通信。
[0003]当遭遇海上恶劣天气时，强劲的风浪会导致船只的剧烈摇晃，甚至出现船舶倾翻等遇险事故。现有的船舶姿态告警方法无法兼顾姿态估计精度与告警速度，其中实时的船舶姿态估计方法无法实现船舶姿态的预测，船舶遇险告警不及时，而基于IMU(惯性测量单元，Inertial Measurement Unit)数据的船舶姿态预测方法存在姿态误差积累的问题，船舶在远海区域航行作业时该问题将更为突出。其次，现有的船舶姿态告警方法仅在检测到船舶姿态异常时向本船作业人员发出告警，告警信息无法有效地与其他对象进行交互并协助救援。
[0004]现有专利申请文件《一种用于船载北斗一体机倾斜监测的方法》中，通过船载北斗一体机获取的传感器观测数据计算该北斗一体机的位置、速度以及加速度信息，并根据上述信息基于运动分析计算北斗一体机的倾斜角并判断其倾斜角是否大于阈值，然后利用抗差卡尔曼滤波进行GNSS/IMU观测信息的融合并执行船舶运动约束，最终得到信息融合后的一体机倾斜角并判断是否大于阈值以及是否需要告警。但这种基于运动模型分析推导的船舶姿态告警方法存在过于粗略的问题：一是由于船舶姿态并非直接得出而是通过船舶运动分析进行推导得出，在船舶剧烈摇晃时其姿态测定结果可能存在较大的误差；而是该方法的告警仅针对北斗一体机的倾斜向船上作业人员进行告警，缺少向外界通信的功能，无法提供对船舶遇险搜救的帮助，因此该方法无法实现船舶远海作业时的遇险告警功能。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方
法，包括：船舶姿态监控部分和告警救援部分；其中，船舶姿态监控部分通过人工手动告警、船舶初始状态异常告警以及船舶预测姿态告警三种方法，判断是否告警并将告警信息传递给告警救援部分；告警救援部分收到告警信息后，通过北斗卫星发送告警信息，并协助救援。
[0007]进一步的，所述的船舶姿态监控部分，具体包括：
[0008]步骤1，判断是否进行手动告警，若选择手动告警，则直接进入告警救援部分，否则进入步骤2；
[0009]步骤2，利用嵌入北斗一体机的IMU的观测数据判断船舶初始估计姿态是否出现异常观测值，若异常则进入告警救援部分，否则进入步骤3；
[0010]步骤3，根据GNSS观测值基于伪距单点定位确定船舶位置；
[0011]步骤4，采用自适应卡尔曼滤波的TDCP与IMU组合导航进行船舶精确姿态估计，得到基于组合导航的船舶姿态估计结果；
[0012]步骤5，基于VMD
‑
LSTM的船舶姿态预测及告警。
[0013]进一步的，步骤2所述的利用嵌入北斗一体机的IMU的观测数据判断船舶初始估计姿态是否出现异常观测值，具体包括：
[0014]步骤2
‑
1，IMU观测数据获取：根据北斗一体机的IMU中的加速度计及陀螺仪获取的数据进行力学编排，得到历元k基于IMU观测的船舶姿态：
[0015][0016]其中，表示历元k船舶的纵摇角，表示历元k船舶的横摇角，表示历元k船舶的首摇角；
[0017]步骤2
‑
2，检验船舶姿态是否出现异常：对船舶的纵摇角和横摇角进行检测，和ω
tre
分别表示船舶最大安全纵摇角和最大安全横摇角，当或时，则判定为出现异常观测值，即船舶姿态处于不安全状态，立即进入告警救援部分。
[0018]进一步的，步骤3所述的根据GNSS观测值基于伪距单点定位确定船舶位置，具体包括：
[0019]设北斗一体机中的GNSS接收机在当前时刻的可见卫星数为第j颗可见卫星在地心地固坐标系中的坐标为第j颗可见星所对应的伪距观测值为对每一颗可见卫星，满足如下伪距观测方程：
[0020][0021]其中，和分别为GNSS接收机钟差和卫星钟差，和分别表示当前历元k的电离层误差、对流层误差和未建模误差，P
k
为GNSS接收机在地心地固坐标系中的坐标；联立所有可见卫星的伪距观测方程，当时，求解出当前历元北斗一体机所处的位置P
k
。
[0022]进一步的，步骤4所述的采用自适应卡尔曼滤波的TDCP与IMU组合导航进行船舶精确姿态估计，具体包括：
[0023]步骤4
‑
1，使用历元间差分载波相位TDCP求解北斗一体机移动速度，具体包括：
[0024]设当前历元k的每一颗可见星所对应的载波相位观测值为上一历元的载波相位观测值为当前历元与上一历元的可见星在地心地固坐标系中的坐标分别为和和对每一颗可见卫星，满足如下TDCP观测方程：
[0025][0026]其中，载波相位差其中，载波相位差为当前历元GNSS接收机与卫星j之间的单位向量，为卫星j的历元间位移，c为光速，λ为载波波长，为历元间北斗一体机位移；联立所有可见卫星的TDCP观测方程，当时，求得当前历元k的北斗一体机移动速度V
k
如下：
[0027][0028]其中，Δt为GNSS接收机采样间隔。
[0029]步骤4
‑
2，构建自适应卡尔曼滤波估计船舶姿态，具体包括：
[0030]自适应卡尔曼滤波的递推公式表示为：
[0031]X
k,k
‑1＝Φ
k,k
‑1X
k
‑1[0032]其中，X
k,k
‑1为由历元k
‑
1状态预测的一步预测状态向量，Φ
k,k
‑1表示状态转移矩阵；
[0033]X
k
‑1的方差协方差矩阵∑
k,k
‑1如下：
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，包括：船舶姿态监控部分和告警救援部分；其中，船舶姿态监控部分通过人工手动告警、船舶初始状态异常告警以及船舶预测姿态告警三种方法，判断是否告警并将告警信息传递给告警救援部分；告警救援部分收到告警信息后，通过北斗卫星发送告警信息，并协助救援。2.根据权利要求1所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，所述的船舶姿态监控部分，具体包括：步骤1，判断是否进行手动告警，若选择手动告警，则直接进入告警救援部分，否则进入步骤2；步骤2，利用嵌入北斗一体机的IMU的观测数据判断船舶初始估计姿态是否出现异常观测值，若异常则进入告警救援部分，否则进入步骤3；步骤3，根据GNSS观测值基于伪距单点定位确定船舶位置；步骤4，采用自适应卡尔曼滤波的TDCP与IMU组合导航进行船舶精确姿态估计，得到基于组合导航的船舶姿态估计结果；步骤5，基于VMD
‑
LSTM的船舶姿态预测及告警。3.根据权利要求2所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，步骤2所述的利用嵌入北斗一体机的IMU的观测数据判断船舶初始估计姿态是否出现异常观测值，具体包括：步骤2
‑
1，IMU观测数据获取：根据北斗一体机的IMU中的加速度计及陀螺仪获取的数据进行力学编排，得到历元k基于IMU观测的船舶姿态：其中，表示历元k船舶的纵摇角，表示历元k船舶的横摇角，表示历元k船舶的首摇角；步骤2
‑
2，检验船舶姿态是否出现异常：对船舶的纵摇角和横摇角进行检测，和ω
tre
分别表示船舶最大安全纵摇角和最大安全横摇角，当或时，则判定为出现异常观测值，即船舶姿态处于不安全状态，立即进入告警救援部分。4.根据权利要求3所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，步骤3所述的根据GNSS观测值基于伪距单点定位确定船舶位置，具体包括：设北斗一体机中的GNSS接收机在当前时刻的可见卫星数为第j颗可见卫星在地心地固坐标系中的坐标为第j颗可见星所对应的伪距观测值为对每一颗可见卫星，满足如下伪距观测方程：其中，和分别为GNSS接收机钟差和卫星钟差，和分别表示当前历元k的电离层误差、对流层误差和未建模误差，P
k
为GNSS接收机在地心地固坐标系中的坐标；联立所有可见卫星的伪距观测方程，当时，求解出当前历元北斗一体机所处的位置P
k
。5.根据权利要求4所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，步骤4所述的采用自适应卡尔曼滤波的TDCP与IMU组合导航进行船舶精确姿态估计，具体包括：
步骤4
‑
1，使用历元间差分载波相位TDCP求解北斗一体机移动速度；步骤4
‑
2，构建自适应卡尔曼滤波估计船舶姿态。6.根据权利要求5所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，步骤4
‑
1所述的使用历元间差分载波相位TDCP求解北斗一体机移动速度，具体包括：设当前历元k的每一颗可见星所对应的载波相位观测值为上一历元的载波相位观测值为当前历元与上一历元的可见星在地心地固坐标系中的坐标分别为和和对每一颗可见卫星，满足如下TDCP观测方程：其中，载波相位差其中，载波相位差为当前历元GNSS接收机与卫星j之间的单位向量，Δr
jk
为卫星j的历元间位移，c为光速，λ为载波波长，为历元间北斗一体机位移；联立所有可见卫星的TDCP观测方程，当时，求得当前历元k的北斗一体机移动速度V
k
如下：其中，Δt为GNSS接收机采样间隔。7.根据权利要求6所述的一种用于北斗一体机的船舶姿态告警方法，其特征在于，步骤4
‑
2所述的构建自适应卡尔曼滤波估计船舶姿态，具体包括：自适应卡尔曼滤波的递推公式表示为：X
k,k
‑1＝Φ
k,k
‑1X
k
‑1其中，X
k,k
‑1为由历元k
‑
1状态预测的一步预测状态向量，Φ
k,k
‑1表示状态转移矩阵，X
k
‑1为历元k
‑
1的状态；X
k
‑1的方差协方差矩阵∑
k,k
‑1如下：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉莉，靳宇航，马新尧，王珏，
申请(专利权)人：南京恒舟准导航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：