一种速度信息融合方法
阅读说明：本技术 一种速度信息融合方法 (Speed information fusion method ) 是由 郑树春 马新玉 刘国庆 谢华伟 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种速度信息融合方法,包括：1)测点布局：在船上呈三角布置多个测速点,每个测速点配置传感器和放大器；2)数据采集：利用传感器和放大器获取速度信息,利用导航系统获取艉轴转速和航向；3)数据融合：基于船舶航行状态对步骤2)获取到的数据进行融合计算,得到船舶的航速；其中,船舶航行状态通过速度信息、艉轴转速和航向判断得到。本发明提供的速度融合方法不仅考虑到了测量值的可信度还考虑到了船舶运行状态对于速测的影响,使得最终得到的速度更加准确、稳定。(The invention discloses a speed information fusion method, which comprises the following steps: 1) measuring point layout: a plurality of speed measuring points are triangularly arranged on the ship, and each speed measuring point is provided with a sensor and an amplifier; 2) data acquisition: acquiring speed information by using a sensor and an amplifier, and acquiring the rotating speed and the course of a stern shaft by using a navigation system; 3) data fusion: performing fusion calculation on the data acquired in the step 2) based on the ship navigation state to obtain the navigation speed of the ship; the ship navigation state is obtained by judging speed information, the rotating speed of a stern shaft and the course. The speed fusion method provided by the invention not only considers the reliability of the measured value, but also considers the influence of the running state of the ship on the speed measurement, so that the finally obtained speed is more accurate and stable.)
技术领域
本发明涉及大型水面船舶测速技术领域，更具体的说是涉及一种速度信息融合方法。
背景技术
大型水面船舶飞机起降是基本作业，在飞机起降时，船舶速度是基本要素，因此对速度的实时性、准确性和稳定性有较高要求。大型水面船舶船型大，在航行时船底产生富气泡层，随着船速的变化气泡层在船底游离，测速易出现波动，给实时、准确和稳定测速带来很大的困难和挑战。
因此，如何提高大型水面船舶测速的准确性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种速度信息融合方法，提高了大型水面船舶测速的实时性、准确性和稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种速度信息融合方法，包括：
1)测点布局：在船上呈三角布置多个测速点，每个测速点配置传感器和放大器；
2)数据采集：利用传感器和放大器获取速度信息，利用导航系统获取艉轴转速和航向；
3)数据融合：基于船舶航行状态对步骤2)获取到的数据进行融合计算，得到船舶的航速；其中，船舶航行状态通过速度信息、艉轴转速和航向判断得到。
优选的，所述测速点包括三个。
优选的，所述融合计算的具体步骤包括：通道估计、船舶航行状态判断、野值剔除和多通道信息融合。
优选的，通道估计的具体步骤包括：
按照时间顺序统计预设时间内各个速度信息、艉轴转速和航向信息的均值和方差。
优选的，所述船舶航行状态包括匀速直航、变速直航、旋回和锚泊四种状态；
其中，匀速直航的判断方法具体包括：
S11：航向信息稳定，当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内；
S12：艉轴转速稳定，当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值在允许的扰动范围内；
S13：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值小于门限值；
其中，S11成立，且S12或者S13其中之一成立，则判断为匀速直航状态；
变速直航的判断方法具体包括：
S21：航向信息稳定，当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内；
S22：艉轴转速变化，当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值不在允许的扰动范围内；
S23：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值大于门限值，且符号相同；
同时满足上述S21～S23三个条件，则判断为变速直航状态；
旋回航行的判断方法具体包括：
S31：航向信息变化，连续三次当前航向角与航向角均值的差值不在允许的扰动范围内，且符号相同，则判断为旋回状态；
若满足S12或S13之一，则判断为匀速旋回；若满足S22或S23之一，则判断为变速旋回，并根据符号判断是加速还是减速；
锚泊航行状态的判断方法具体包括：
S41：航向信息稳定，连续三次当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内，且符号相同；
S42：艉轴转速为0，连续三次当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值在允许的扰动范围内，且符号相同；
S43：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值不都大于门限值，且符号相同、各速度通道速度均值低于3kn；
同时满足上述S41～S43三个条件，则判断为锚泊航行状态；
其中，航向角均值、艉轴转速均值和速度均值通过通道估计得到。
优选的，所述野值剔除的具体方法包括：
匀速直航状态下野值剔除的方法包括：
在匀速直航状态下，当连续某段时间内，各速度通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该通道信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值；
变速直航状态下野值剔除的方法包括：
在变速航行状态下，航向稳定，连续某段时间航向通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该航向通道信息不可信，被剔除，设定航向信息为默认值，并在延迟预设时间后重新初始化航向信息；
艉轴转速变化，连续某段时间艉轴转速与转速变化之差大于某门限，则判定艉轴转速信息不可信，被剔除，设定艉轴转速为前一次观测值，并在延迟预设时间后重新初始化艉轴转速信息；
电磁测速通道信息变化，连续某段时间各测速通道速度信息则判定该通道速度信息不可信，被剔除；其中，amax为船最大加速度，σ为速度方差，为速度均值，该通道各统计特性采用前一次观测值；
旋回航行状态下野值剔除的方法与匀速及变速航行状态下电磁通道和艉轴转速的野值判定和剔除方法一致；对于航向变化，连续某段时间航向通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该航向通道信息不可信，被剔除，或在故障值不可得的情况下设定为默认值，并在延迟一段后重新初始化航向信息；
锚泊状态下野值剔除方法与匀速直航的野值剔除方法类似，航向、航速均保持某一常数，艉轴转速为零，连续某段时间各通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该通道信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值；对于三个电磁通道，当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则认为该通道当前信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值。
优选的，所述融合计算的具体步骤包括：
根据预设时间不同时刻速度信息和阈值计算各个速度通道的置信度距离；其中，阈值等于速度均值、传感器精度值和速度方差的和；
基于船舶航行状态和置信度距离对速度通道分配权重值；
基于权重值和当前速度信息进行融合计算，得到船舶的航速。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种速度信息融合方法，本发明提供的速度融合方法不仅考虑到了测量值的可信度还考虑到了船舶运行状态对于速测的影响，使得最终得到的速度更加准确、稳定。此外，通过通道估计剔除野值，并判断船舶运动状态，基于剔除野值后的数据和船舶运动状态进行速度的融合，得到船舶的航速，结果更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种速度信息融合方法的流程示意图；
图2为本发明提供的多通道信息融合的方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种速度信息融合方法，包括：
1)测点布局：在船上呈三角布置多个测速点，每个测速点配置传感器和放大器；
优选的，综合考虑到成本和计算实时性等要求，在船上呈三角布设三个测速点。
2)数据采集：利用传感器和放大器获取速度信息，利用导航系统获取艉轴转速和航向；
3)数据融合：基于船舶航行状态对步骤2)获取到的数据进行融合计算，得到船舶的航速；其中，船舶航行状态通过速度信息、艉轴转速和航向判断得到。
本发明提供的速度融合方法不仅考虑到了测量值的可信度还考虑到了船舶运行状态对于速测的影响，使得最终得到的速度更加准确、稳定。
为了进一步优化上述技术方案，所述融合计算的具体步骤包括：通道估计、船舶航行状态判断、野值剔除和多通道信息融合。
具体的，通道估计的具体步骤包括：
按照时间顺序统计预设时间内各个速度信息、艉轴转速和航向信息的均值和方差。
在船舶状态判断和野值剔除时，均考虑到了各个通道的均值和方差。
数据融合通道包括两类，一类用于速度信息的估计，包括3路电磁传感器速度信号。一类用于状态判断，包括各速度估计通道信息、艉轴转速和航向信息。
用于速度估计的通道统计量用于通道野值剔除、通道速度估计和船体匀速、变速和锚泊航行状态的辅助判断。按照时间顺序统计一段时间内某通道信息的均值和方差，采用数学上的无偏估计，样点约为n点，计算方法如下：
在标准差估计中采用n-1而不是n，在数学上是一种无偏估计。
艉轴转速和航向的通道统计量用于判断船舶当前所处的航行状态。统计方法与电磁通道一致，样点约为m点。
在对各个通道的信息进行处理前，首先要判断当前的航行状态，在当前航行状态的情况下判断信息的可信与否，分配不同的权值，并估计该通道当前的速度。判断不同的航行状态是为了针对不同的航行状态采取不同的速度估计算法，以在信息稳定性和实时性之间得到最佳折中。目前方案涉及的航行状态包括匀速、变速、旋回和锚泊四种状态，下面分别说明各航行状态的判断方法。
匀速航行状态由艉轴转速、航向信息和各速度通道信息共同判断。满足以下条件时，判断大船处于匀速直航状态：
具体的，匀速直航的判断方法包括：
S11：航向信息稳定，当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内；在具体实现时，判断标准为连续三次的差值在扰动范围之内；
S12：艉轴转速稳定，当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值在允许的扰动范围内；同样的，在具体实现时，判断标准可以为：连续三次的差值在扰动范围内；
S13：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值小于门限值；在具体实现时，判断标准为：连续两次三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值小于门限值；
其中，S11成立，且S12或者S13其中之一成立，则判断为匀速直航状态；
变速直航的判断方法具体包括：
S21：航向信息稳定，当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内；在具体实现时，判断标准为连续三次的差值在扰动范围之外；
S22：艉轴转速变化，当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值不在允许的扰动范围内；在具体实现时，判断标准为连续三次的差值在扰动范围内，且符号相同；
S23：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值大于门限值，且符号相同；在具体实现时，判断标准为：连续两次三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值大于门限值，且符号相同；
同时满足上述S21～S23三个条件，则判断为变速直航状态；
旋回航行的判断方法具体包括：
S31：航向信息变化，连续三次当前航向角与航向角均值的差值不在允许的扰动范围内，且符号相同，则判断为旋回状态；
若满足S12或S13之一，则判断为匀速旋回；若满足S22或S23之一，则判断为变速旋回，并根据符号判断是加速还是减速；
锚泊航行状态的判断方法具体包括：
S41：航向信息稳定，连续三次当前航向角与航向角均值的差值在允许的扰动范围内，判断标准为：连续三次内的差值在扰动范围之内，且符号相同；
S42：艉轴转速为0，连续三次当前艉轴转速与艉轴转速均值的差值在允许的扰动范围内，判断标准为：连续三次内的差值在扰动范围之内，且符号相同；
S43：三路电磁测速点当前测量值与速度均值的差值的绝对值不都大于门限值，且符号相同、各速度通道速度均值低于3kn；这里的这个速度单位为节，相当于海里/h；
同时满足上述S41～S43三个条件，则判断为锚泊航行状态；
其中，航向角均值、艉轴转速均值和速度均值通过通道估计得到。
野值剔除分两种情况，一种是当前某测量信息严重偏离真实值，而将当前测量点剔除，以免当前值偏离真实值太严重而影响估计结果；另一种情况是，某通道信息一直严重偏离真实值，这种情况下需要把通道信息剔除后，延迟一段时间，将通道进行初始化，以便在可能的情况下重新启用该通道信息。
具体的，判断某通道或某观测点数据是否为野值与当前航行状态有关，不同的航行状态对应不同的判断方法，这将在下面分别进行分析说明。
匀速直航状态下野值剔除的方法包括：
在匀速直航状态下，航向、艉轴转速、航速均保持某一常数，当连续某段时间内，各速度通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该通道信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值；
在匀速直航状态下，某路信息，连续某段时间当前测量值与均值之差的绝对值大于一门限，其概率为p＝0.00310＝6×10-26,也就是说正常情况下，平均每4.6×1020h这种情况才可能出现一次，因此可以认为，当这种情况发生时，很可能就是通道故障了，该通道信息应被剔除。
变速直航状态下野值剔除的方法包括：
在变速航行状态下，航向稳定，连续某段时间航向通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该航向通道信息不可信，被剔除，设定航向信息为默认值，并在延迟预设时间后重新初始化航向信息；
艉轴转速变化，连续某段时间艉轴转速与转速变化之差大于某门限，则判定艉轴转速信息不可信，被剔除，设定艉轴转速为前一次观测值，并在延迟预设时间后重新初始化艉轴转速信息；
电磁测速通道信息变化，连续某段时间各测速通道速度信息则判定该通道速度信息不可信，被剔除；其中，amax为船最大加速度，σ为速度方差，为速度均值，该通道各统计特性采用前一次观测值；
旋回航行状态下野值剔除的方法与匀速及变速航行状态下电磁通道和艉轴转速的野值判定和剔除方法一致；匀速旋回与变速旋回两种状态下电磁通道及艉轴转速信息采取相应的判断方法，但航向信息应该区别对待。对于航向变化，连续某段时间航向通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该航向通道信息不可信，被剔除，或在故障值不可得的情况下设定为默认值，并在延迟一段后重新初始化航向信息；
锚泊状态下野值剔除方法与匀速直航的野值剔除方法类似，航向、航速均保持某一常数，艉轴转速为零，连续某段时间各通道当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，则判定该通道信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值；对于三个电磁通道，当前测量值与均值之差的绝对值大于某门限，那么认为该通道当前信息不可信，该信号被剔除，该通道各统计特性采用前一次观测值。
同样的，在野值剔除的过程中也参考了各通道数据的统计特性，使得野值的剔除更准确。
参见图2，为了进一步优化上述技术方案，所述融合计算的具体步骤包括：
根据预设时间不同时刻速度信息和阈值计算各个速度通道的置信度距离；其中，阈值等于速度均值、传感器精度值和速度方差的和；
基于船舶航行状态和置信度距离对速度通道分配权重值；
基于权重值和当前速度信息进行融合计算，得到船舶的航速。
在权重分配时，充分考虑到了船舶航行状态的影响，使得最终得到的船舶航速更精确。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。