[发明专利]一种海洋环境下的水下航行体运动轨迹估计方法

说明书

本发明公开了一种海洋环境下的水下航行体运动轨迹估计方法，属于目标运动轨迹估计领域。在本发明的估计方法中，首先建立水下航行体的水下空间运动方程组，针对对其运动轨迹影响较大的海浪和海流两个海洋环境特性，分别建立波浪、海流的数值模型，研究分析水下航行体垂直出水时运动轨迹参数受波浪、海流影响时的变化规律，并利用该规律对水下航行体的运动轨迹进行估计。本发明可以为决策者选择水下航行体适当的启动时机及姿态控制等提供科学依据，并可为后续水下航行体水下运动时机及方式的制定等相关工作提供技术支撑。

技术领域

本发明属于目标运动轨迹估计领域，尤其涉及一种海洋环境影响下的水下航行体运动轨迹估计技术。

背景技术

水下航行体在水下运动过程中，海流、海浪等海洋环境因素将对水下航行体的运动轨迹产生重要影响。当水下航行体从开始运动至飞行接近水面时，由于波浪的作用，其运动轨迹因受到强烈的干扰而可能产生偏离，偏离大小受波浪的参数，如波高、波长、周期、波速等的制约，具有较大的随机性。波浪的影响主要体现在两个方面：首先，在波浪的冲击下，水下航行体瞬时位于波面附近的部分承受较大的切应力载荷，航行体按照预定规律运动的能力和稳定性将面临巨大考验；其次，若波浪力作用在水下航行体质心两侧，则会产生较大的偏转力矩，使其运动姿态发生改变，就可能导致其运动航迹发生彻底改变。因此，波浪是影响水下航行体运动轨迹的重要因素。水下垂直运动与水平运动相比，整个运动过程中水下航行体运动轨迹受海流影响要大得多。而为了实现既定目标，水下航行体的出水角度要控制在90度附近，因此水下航行体在整个水下运动过程中将处于大攻角状态，此种状态下的水下流体动力建模、运动轨迹控制等都是全新的技术问题。

在诸多海洋环境因素的影响下，水下航行体水下运动轨迹变得极其复杂并具有不确定性。水下航行体能否按照既定轨迹运行，直接影响到水下航行体运动的安全性、运动的可靠性及完成任务的有效性。根据海洋环境因素对其运动轨迹进行估计，可以为决策者选择水下航行体适当的启动时机及姿态控制等提供科学依据，具有重要的工程价值和理论意义。本发明可为后续水下航行体水下运动时机及方式的制定等相关工作提供技术支撑。

发明内容

本发明首先建立水下航行体的水下空间运动方程组，针对对其运动轨迹影响较大的海浪和海流两个海洋环境特性，分别建立波浪、海流的数值模型，研究分析水下航行体垂直出水时运动轨迹参数受波浪、海流影响时的变化规律，并利用该规律对水下航行体的运动轨迹进行估计。

建立固连于大地的地面坐标系ox₀y₀z₀，原点o置于运动时刻航行体浮心在水面上的投影点，ox₀z₀坐标平面与水面重合，y₀轴垂直向上。再建立原点位于浮心的航行体坐标系oxyz，ox轴指向航行体头部，oy轴在航行体纵对称面内与ox轴垂直，oz轴垂直于oxy平面，指向按右手系确定。速度坐标系原点与航行体坐标系原点重合，ox'轴与原点处航行体的速度矢量方向重合，oy'轴位于航行体的纵对称面内，垂直于ox'轴并指向上方，oz'轴与ox'y'z'平面垂直，指向按右手系确定。地面坐标系、速度坐标系和航行体坐标系示意图如附图1所示。

航行体在空间的位置由航行体浮心在地面坐标系内的坐标给出，航行体在空间的姿态由三个欧拉角确定。这三个欧拉角的定义为：将航行体坐标系平移至与其原点与地面坐标系原点重合的位置，再从该位置开始，依次绕oy、oz、ox轴旋转ψ,θ,三个角度使得两个坐标系完全重合，我们将三个角度ψ,θ,的组合称为欧拉角，并将这三个角度用于表示水下航行体的空间姿态，ψ,θ,分别称为偏航角、俯仰角和横滚角。

由地面系ox₀y₀z₀到航行体系oxyz的转换矩阵为

反之，由航行体系oxyz到地面系ox₀y₀z₀的转换矩阵为的转置，即