[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

摘要

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。

主权项

1.一种海洋环境下的水下航行体运动轨迹估计方法，其步骤是：第一步：首先建立表示某一时刻水下航行体运动参数与受力关系的水下航行体空间运动方程组，水下航行体所受的力包括浮力，重力，粘性位置力，粘性阻尼力和推力，其中重力、浮力和推力可通过已知公式计算得到，粘性阻尼力为一常数；第二步：粘性位置力由海浪扰动力产生，其大小和方向由海浪参数包括波浪波幅A、波浪方向γ和波浪圆周频率ω决定，波浪参数可通过测波仪测量得到，将水下航行体沿轴向进行切分，利用波浪参数对水下航行体各个切片所受的波浪扰动力进行计算，得到水下航行体所受的海浪扰动力，将海浪扰动力作为粘性位置力带入水下空间运动方程组中，将该方程组离散化，对水下航行体的运动参数进行迭代求解，从而得到初始运动参数；所述的水下航行体所受到的波浪扰动力和力矩通过如下方式计算：Y＝∫dx·Aρωe^B[kcosγ(sinψsinφ‑sinθcosψcosφ)+ksinγ(cosψsinφ+sinθsinψcosφ)+ikcosθcosφ]F_y(ω,θ,ψ)Z＝∫dx·Aρωe^B[kcosγ(sinψcosφ+sinθcosψsinφ)+ksinγ(cosψcosφ‑sinθsinψsinφ)‑ikcosθsinφ]F_z(ω,θ,ψ)M_y＝∫dx·Aρωe^B[kcosγ(sinψcosφ+sinθcosψsinφ)+ksinγ(cosψcosφ‑sinθsinψsinφ)‑ikcosθsinφ]M_y(ω,θ,ψ)M_z＝∫dx·Aρωe^B[kcosγ(sinψsinφ‑sinθcosψcosφ)+ksinγ(cosψsinφ+sinθsinψcosφ)+ikcosθcosφ]M_z(ω,θ,ψ)式中F_j(ω，θ，ψ)＝∫dx·{iω[S_ej(x)+S(x)]+νS′_ej(x)}·exp[kxsinθ‑ikx(cosθcosψcosγ‑cosθsinψsinγ)]，j＝y，zM_j(ω，θ，ψ)＝∫dx·x{iω[S_ej(x)+S(x)]+νS′_ej(x)}·exp[kxsinθ‑ikx(cosθcosψcosγ‑cosθsinψsinγ)]，j＝y，z取Y、Z、M_y、M_z的实部即为作用于水下航行体的波浪扰动力和力矩在航行体坐标系中的表达式，其中，夹角γ表示波浪方向，这里用波浪方向与地面坐标x₀系列轴正向的夹角表示，ω为波浪的圆周频率，k为波数，A为波浪波幅，γ、ω和A均可通过测波仪测量得到，ρ为流体密度，分别为水下航行体的偏航角、俯仰角和横滚角，S(x)为水下航行体在位置x处切片横截面的面积，S_ey(x)、S_ez(x)为海浪在单个切片上产生的附加质量力，B为浮力，水下航行体的水下空间运动方程组中的粘性位置力Y_aμ和Z_aμ分别为Y和Z，相应的粘性位置力矩M_aμy和M_aμz分别为M_y和M_z；粘性位置力和粘性位置力矩运用切片法求解，切片法具体操作是将水下航行体沿轴向进行切分，将积分方程沿坐标x轴进行离散化，在各个切片内分别求解，最后累加得到积分值，其中切片时应在水下航行体头部和尾部外形尺寸变化较大的地方需较细切分，在水下航行体中部圆柱段部分可进行较粗的切分；第三步：利用海流扰动力对初始运动参数进行修正，利用海流传感器测量海流流向和流速，将海流速度矢量线性叠加到上一步估计得到的水下航行体速度矢量上，从而得到该时刻的水下航行体运动参数估计值；利用海流扰动力对初始运动参数进行修正的方法是，假定海流速度沿深度方向呈梯度分布，根据海流传感器测量得到的某一深度处的海流流向和流速，利用公式V_h＝V₀+0.03×h计算其他深度处的海流，其中V_h为水下h深度的海流流速，V₀为水面出海流流速，将航行体沿轴向切片，在每一次参数估计过程中，首先，循环遍历每一个切片，通过切片中心的高度，插值求得所在分层海流的速度，对初始估计得到的运动参数进行修正，利用海流修正后的水下航行体速度表达式为：利用海流修正后的水下航行体攻角α和侧滑角β的表达式是(u,v,w)为航行体坐标系中的海流速度矢量，(ν_x,ν_y,ν_z)为初始估计得到的水下航行体速度矢量；第四步：对后续时刻，重复第二步和第三步，得到后续时刻的运动参数估计值，结合初始运动时刻水下航行体位置坐标，即可估计得到完整的目标运动轨迹。