[发明专利]一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法

权利要求书

1.一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：建立船载相干雷达测量的综合多普勒频移的表达式；所述步骤一具体内容为：在任何航行状态下的船载相干雷达所测得的由海面水质点径向速度引起的多普勒频移是由许多不同成分组合而成的；引起这个“合成”多普勒频移的主要来源以布拉格波为主，但也包含有海洋表层流、移动平台的瞬时运动、重力波、破碎波以及阴影调制附加调制成分；

船载相干雷达测量的综合多普勒频移f_echo(r)的表达式为：

f_echo(r)＝±f_B+f_cr+f_ship(r) (1)

其中，各项频移成分所代表的含义为：f_B是由海洋固有布拉格波所引起频移；f_cr是由海表面流速引起频移；f_ship(r)是由船体姿态运动相对于雷达的径向速度所引起频移；若仅考虑瞬态情况，公式(1)中布拉格波所引起的频移f_B和海表面流速引起的频移f_cr可视作常数，通过取均值后去除即可，r是海面水质点到船载雷达所在位置的水平距离；剩下的由船体前向运动和六自由度姿态运动引起的额外速度项可由如下表示：

其中，r是海面水质点到船载雷达所在位置的水平距离，λ₀为雷达电磁波波长；υ_ship(r)表示船体姿态运动在不同距离单元内引起的额外径向速度,分量υ_ship(r)具有时变性，与船舶在海面的航行状态直接相关；

步骤二：基于实际船体结构的船舶运动特性建模：由三维势流理论，根据船体自身造型数据，当受到单位波高的波浪激励时，结合海浪频率成分分布特性计算六自由度的船舶运动幅值响应因子；所述步骤二具体内容为：

收集实际船体自身的造型数据，包括有：船体质量、船体重心坐标、船体绕三个坐标轴的惯性半径、船体型宽、水线面面积、垂线间长、断水面质心横坐标、面元截面重心坐标和浮心坐标；船体六自由度的船舶运动幅值响应因子的计算方法如下：

式中，为船舶运动幅值响应因子；S为恢复力系数矩阵；ω为海浪频率；M为惯性质量矩阵；A为附加质量矩阵；C为阻尼系数矩阵；其中附加质量矩阵A和阻尼系数矩阵C的计算方法如下：

式中，A和C在形式上是对称的；ρ为海水密度,为偏导符号；j为模态个数；φ_j为第j项模态下的幅值所对应的振荡运动速度势；Re(*)和Im(*)分别表示复数实部和虚部；恢复力系数矩阵S的表达式如下：

式中，ρ为海水密度1.02g/cm³；g为重力加速度；m为船体质量；x为直角坐标系下的单位横坐标；

积分长度为船体型宽L_A；A表示水线面面积；B为垂线间长；y_W为断水面的中心横坐标；(y_s,z_s)为面元截面中心的坐标；A_tr为浮心横坐标，为方便计算,令A_tr＝0；y_tr和z_tr为浮心坐标；(x_G,y_G,z_G)表示船舶在地球坐标系下的重心坐标；此外，惯性质量矩阵M的表达式可用下式来表达：

式中，m为船体质量；θ_xx为船体质量惯性矩，且θ_xx＝mr_x²；r_x为船体绕x轴的惯性半径，对于质量分布对称的船体，则有θ_xy＝θ_yz＝0,θ_xx、θ_yy、θ_zz、θ_xy、θ_xz和θ_yz分别为船体质量在xx、yy、zz、xy、xz和yz方向上的惯性矩，且θ_xx＝mr_x²，θ_yy＝mr_y²，θ_zz＝mr_z²，θ_xy＝mr_xr_y，θ_xz＝mr_xr_z，θ_yz＝mr_yr_z；r_x、r_y和r_z分别为船体绕x轴、y轴和z轴的惯性半径；(x_G,y_G,z_G)表示船舶在地球坐标系下的重心坐标；

步骤三：船舶六自由度摇晃姿态角建模：依托上一时刻雷达所测得的海浪频率谱，通过构造规则海面的波面方程得到船舶的起伏规律，进而获得船体所在位置的海面波高位移；所述步骤三具体内容为：

获取上一时刻船载相干雷达所测得的实测海浪谱，代入到规则波的波面方程得到海面随时间的起伏规律；

其中，η(x,y,t)为在t时刻海洋波面的瞬态位移；(x,y)为海面水质点的位置坐标；t为时间；Δω和分别表示单位海浪频率与单位传播矢量；i和j分别为在海浪频率和海浪方向上的单位点数；相位角ε_ij为均匀分布在(0，2π)区间内的随机变量；N_ω和分别为海浪频率和海浪方向上的采样点数；表示有向频率谱；ω_i和k_i分别表示海浪频率与波数；为海浪传播方向；

设初始时刻的船体所在坐标为(x_I,y_I)，经过一段时间t后，计算船体所在的位置(x_s,y_s)以及该位置的海面波高位移η(t)；

其中，v_s为船舶的前向速度；t为时间；为船舶偏航角；海面波高位移η(t)表达式为：

上式与公式(8)的共性参数含义保持一致；

步骤四：结合船舶运动幅值响应因子计算得到船体六自由度的姿态角序列；所述步骤四具体内容为：将步骤二中求得的六自由度的船舶运动幅值响应因子和步骤三中求得的海面波高位移代入到摇晃运动响应中，计算六自由度的姿态角序列：

其中，u_l(t)_l＝1,2...,6表示船舶六自由度(u₁：纵荡、u₂：横荡、u₃：垂荡、u₄：横摇、u₅：纵摇、u₆：艏摇)的姿态角序列；N_ω和N_φ分别为海浪频率和海浪方向上的采样点数；t为时间；η(t)为t时刻后的海面波高位移；arg(*)表示复数的辐角主值；其余的参数与公式(8)中的共性参数含义保持一致；表示六自由度的船舶运动幅值响应因子；

步骤五：由船体姿态运动引起的多普勒频移计算方法：实现地球坐标系和船舶坐标系下六自由度的坐标转换；

步骤六：通过前后时刻的空间坐标差异计算该时段内雷达天线的空间位移，最后求取由船体姿态运动成分引起的额外多普勒频移，并从雷达回波多普勒频移中去除该成分；所述步骤六具体内容为：计算某时段内雷达在地球坐标系下的真实空间位移Y(t)以及船体姿态运动在雷达回波多普勒谱中引入的多普勒频移f_ship；天线空间位移的计算方法如公式(18)，船体姿态运动引起的多普勒频移计算方法如公式(19)；

其中，f_ship为由船舶运动姿态引起的多普勒频移；x_b、y_b和z_b对应船舶坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标；x、y和z则对应地球坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标；λ为海浪波长；t为时间；

然后从雷达回波多普勒谱频移中减去所求得的f_ship便可实现船舶姿态运动成分的去除。

2.如权利要求1所述的基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，其特征在于，所述步骤五具体内容为：根据步骤四中所获得的六自由度姿态角序列数据构造船舶坐标转移矩阵A_roll、A_pitch以及A_yaw；

具体表达式如下：

其中，A_roll为横滚方向的坐标转移矩阵；A_pitch为纵摇方向的坐标转移矩阵；A_yaw为艏摇方向的坐标转移矩阵；u₄为横摇；u₅为纵摇；u₆为艏摇；

然后分别实现船舶坐标系x_by_bz_b与平动坐标系x_Iy_Iz_I间以及平动坐标系x_Iy_Iz_I与地球坐标系xyz间的坐标转换；具体表达式如下：

其中，x_I、y_I和z_I对应平动坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标；x_b、y_b和z_b对应船舶坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标；x、y和z则对应地球坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标；u₁为纵荡；u₂为横荡；u₃为垂荡；

v_s为船舶的前向速度；为船舶偏航角；t为时间。