一种船体姿态计算方法及应用
阅读说明：本技术 一种船体姿态计算方法及应用 (Ship body attitude calculation method and application ) 是由 胡桐 仇志金 *** 王中秋 邹靖 漆随平 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种船体姿态计算方法及应用,船体姿态计算方法包括如下步骤：(1)利用船载GNSS天线、GNSS接收机观测GNSS信号信噪比；(2)反演GNSS天线距水面高度；(3)拟合船体姿态平面,计算出横摇角度、纵摇角度和升沉位移。得到船体姿态后,将船体外部传感器安装点、船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面,得到坐标变换后的垂直高度,可以计算船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。本发明的方法能够为外部传感器测量数据提供测量高度的元数据描述,提高数据质量,并且与船上安装的其他吃水深度测量设备互为补充,保障船舶航行安全。本发明无需安装其他外部光学、声学传感器。(The invention discloses a ship attitude calculation method and application, wherein the ship attitude calculation method comprises the following steps: (1) observing the signal-to-noise ratio of the GNSS signal by utilizing a ship-borne GNSS antenna and a GNSS receiver; (2) inverting the height of the GNSS antenna from the water surface; (3) and fitting a ship body attitude plane, and calculating a rolling angle, a pitching angle and heave displacement. After the attitude of the ship body is obtained, the design coordinates of the mounting point of the sensor outside the ship body and the lowest point of the ship body are mapped to the attitude plane of the ship body through rotation and translation, the vertical height after coordinate transformation is obtained, and the vertical height from the sensor outside the ship body to the water surface or the draught depth of the ship body can be calculated. The method can provide the metadata description of the measurement height for the measurement data of the external sensor, improve the data quality, supplement other draft measurement equipment installed on the ship and ensure the navigation safety of the ship. The invention does not need to install other external optical and acoustic sensors.)
技术领域
本发明涉及一种船体姿态计算方法及应用。
背景技术
船舶航行时，船体受载重量、海况、航速航向等因素影响，在风、浪、流的综合作用下产生纵摇、横摇、升沉等姿态变化。船体姿态的瞬时变化使船体与上层建筑外部安装的传感器距水面的垂直高度发生改变。实时获取传感器距水面的垂直高度可采用直接测量或间接计算的方式。直接测量方式通常采用激光测距或超声波测距原理，需要安装专用光学、声学传感器，因此需要定期对传感器进行清理，设备安装、维护成本较高。间接计算方式通常采用惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)实时测量船体姿态，或采用GNSS测量多天线高程实时计算船体姿态，然后换算传感器距水面的垂直高度。
某些船载系统需要获取一定时间范围内某个传感器距水面垂直高度的平均值，该值与相同时段内船体姿态的平均变化有关，体现为纵摇角度、横摇角度和升沉位移的均值变化。以海上蒸发波导高度预报应用为例，船载气象要素传感器在一定时间范围(窗口时长可选择十分钟至一小时)内距水面垂直高度的平均值是必需的输入参数之一，气象要素传感器距水面垂直高度的系统偏差直接影响到蒸发波导高度预报结果的准确性。
另外，在一定时间范围内，船体姿态的平均变化还影响到相同时段内船舶动态吃水的变化，准确测量船舶吃水深度也关系到船舶航行安全。此类应用都对获取船体姿态的平均变化量存在需求。
目前，船舶普遍安装有GNSS定位导航设备，而水面是良好的GNSS信号反射面，船载GNSS天线接收的是卫星直射信号与水面反射信号的叠加信号，直射信号与反射信号的相干性体现为接收信号信噪比波动，因此，可用于反演GNSS天线距水面垂直距离。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种船体姿态计算方法及应用，使用常规船载GNSS天线、GNSS接收机观测卫星信号信噪比时间序列，不依赖IMU，无需安装其他外部光学、声学传感器，避免了定期清理维护特定传感器产生的若干问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种船体姿态计算方法，包括如下步骤：
(1)利用船载GNSS天线、GNSS接收机观测GNSS信号信噪比：采集并存储各GNSS接收机发送的数据，提取各GNSS接收机对应的当前可见卫星信号载噪比C/N0，然后计算信号信噪比SNR；
(2)反演GNSS天线距水面高度：对GNSS信号信噪比的波动项作Lomb Scargle周期谱分析得到相干频率，根据相干频率计算GNSS天线相位中心到水面的垂直高度；
(3)拟合船体姿态平面：将步骤(2)得到的GNSS天线相位中心到水面的垂直高度反演值与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为样本集合，对描述船体姿态的三维平面进行最小二乘线性拟合，拟合出船体姿态平面，计算出横摇角度、纵摇角度和升沉位移。
上述方案中，步骤(1)中，各GNSS天线安装点位的垂直高度无需一致，各安装点位在水平面内的投影不共线。
上述方案中，步骤(2)的具体方法如下：
由上位机采集并存储各GNSS接收机发送的NMEA标准格式数据，根据实际使用的GNSS接收机通信协议，若NMEA标准格式数据中的$GPGSV语句包含的是当前可见卫星信号载噪比C/N0，则利用下式转换为信号信噪比SNR：
上述方案中，步骤(3)的具体方法如下：
(1)GNSS信号信噪比SNR是卫星仰角e(t)的函数，可分解为由直射信号造成的趋势项tSNR，以及由直射信号与反射信号相干性造成的波动项dSNR，公式如下：
SNR(e(t))＝tSNR(e(t))+dSNR(e(t)) (2)
其中，t为观测时刻，e(t)为t时刻的卫星仰角，SNR(e(t))为对应不同时刻卫星仰角的信噪比时间序列，tSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号造成的趋势项，dSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号与反射信号相干性造成的波动项；
(2)从信噪比观测时间序列SNR中剔除tSNR(e(t))，tSNR(e(t))可用如下公式表示：
tSNR(e(t))＝c0+c1e(t)+c2e(t)2+… (3)
对SNR和e(t)观测时间序列按照公式(3)进行二阶或三阶多项式拟合，求出系数c0，c1，c2...，得到tSNR(e(t))；从公式(2)中剔除tSNR(e(t))，得到dSNR(e(t))；
(3)对波动项dSNR(e(t))进行Lomb Scargle周期谱分析，得到相干频率f，dSNR(e(t))可用如下公式表示：
dSNR(e(t))＝Am(e(t))cos(2πf sin(e(t))+Φ) (4)
其中，Am为波动项振幅，f为直射信号与反射信号的相干频率，Φ为直射信号与反射信号的相位偏移；
(4)利用如下公式计算GNSS天线相位中心到水面的垂直高度Hantenna：
Hantenna＝f·λ/2 (5)
其中，λ为卫星信号载波波长。
上述方案中，步骤(4)的具体方法如下：
(1)将各GNSS天线距水面垂直高度的反演值Hantenna与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为单个样本，利用滑动时间窗口内各GNSS接收机的样本集合对描述该时间窗口内船体平均横摇角度、纵摇角度和升沉位移的船体姿态平面进行最小二乘线性拟合，拟合公式如下：
其中，i为GNSS天线序号，j为样本序号，xi、yi分别为第i个GNSS天线安装位置在水平面内的横坐标和纵坐标，zi，j为第i个GNSS天线的第j个反演值
(2)利用公式(6)求出A、B、C、D四个系数，得出船体姿态平面，即经过船体重心的三维平面：
Ax+By+Cz+D＝0 (8)
x轴正向指向船艏，y轴正向指向左舷，z轴正向指向天顶；
(3)以欧拉角描述船体姿态，由船体姿态平面表达式，升沉位移Δz为：
水平面法向量N＝(0，0，1)先后经过旋转横摇角度
一种船体姿态计算方法的应用，将上述的方法应用于计算船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。
上述方案中，将船体外部传感器安装点、船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面，得到坐标变换后的垂直高度，即船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。
进一步的技术方案中，计算船体外部传感器距水面垂直高度的方法如下：
将船体外部传感器的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面，得到坐标变换后的垂直高度，即船体外部传感器距水面垂直高度：
其中，为船体外部传感器安装点的设计坐标，[x y z]sensor为该点通过旋转和平移后在船体姿态平面的映射坐标；其中，zsensor为船体外部传感器距水面垂直高度。
进一步的技术方案中，计算船体吃水深度的方法如下：
将船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面，得到坐标变换后的垂直高度，即船体吃水深度：
其中，
通过上述技术方案，本发明提供的船体姿态计算方法及应用能够为外部传感器测量数据提供测量高度的元数据描述，提高数据质量，并且与船上安装的其他吃水深度测量设备互为补充，保障船舶航行安全。本发明无需安装其他外部光学、声学传感器，相比于其他直接测量方法节省了设备安装、维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的船体姿态计算方法的应用流程示意图。
图2为本发明的船载GNSS天线接收信号示意图。
图3为本发明的船体姿态平面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种船体姿态计算方法，如图1所示，具体方法如下：
(1)利用船载GNSS天线、GNSS接收机观测GNSS信号信噪比：
如图2所示，船载GNSS天线接收的是卫星直射与水面反射叠加的信号，直射信号与反射信号的相干性体现为信号信噪比的波动。由上位机接收并存储各GNSS接收机发送的NMEA标准格式数据，由$GPGSV语句提取各GNSS接收机当前可见卫星信号载噪比C/N0，计算信号信噪比SNR：
(2)反演GNSS天线距水面高度：
a、GNSS信号信噪比SNR是卫星仰角e(t)的函数，可分解为由直射信号造成的趋势项tSNR，以及由直射信号与反射信号相干性造成的波动项dSNR，公式如下：
SNR(e(t))＝tSNR(e(t))+dSNR(e(t)) (2)
其中，t为观测时刻，e(t)为t时刻的卫星仰角，SNR(e(t))为对应不同时刻卫星仰角的信噪比时间序列，tSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号造成的趋势项，dSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号与反射信号相干性造成的波动项；
b、从信噪比观测时间序列SNR中剔除tSNR(e(t))，tSNR(e(t))可用如下公式表示：
tSNR(e(t))＝c0+c1e(t)+c2e(t)2+… (3)
对SNR和e(t)观测时间序列按照公式(3)进行二阶或三阶多项式拟合，求出系数c0，c1，c2...，得到tSNR(e(t))，从公式(2)中剔除拟合的tSNR(e(t))，得到dSNR(e(t))；
c、对波动项dSNR(e(t))进行Lomb Scargle周期谱分析，得到相干频率f，dSNR(e(t))可用如下公式表示：
dSNR(e(t))＝Am(e(t))cos(2πf sin(e(t))+Φ) (4)
其中，Am为波动项振幅，f为直射信号与反射信号的相干频率，Φ为直射信号与反射信号的相位偏移；
d、利用如下公式计算GNSS天线相位中心到水面的垂直高度Hantenna：
Hantenna＝f·λ/2 (5)
其中，λ为卫星信号载波波长。
本步骤中，实时更新各GNSS接收机当前可见卫星列表，以及卫星仰角、信噪比时间序列。当某颗可见卫星的仰角达到极大值或该卫星退出可见列表后，触发Lomb Scargle周期谱分析，计算对应GNSS天线的相位中心距水面垂直高度。
(3)拟合船体姿态平面：
a、将各GNSS天线相位中心距水面垂直高度的反演值Hantenna与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为单个样本，利用滑动时间窗口内各GNSS接收机的样本集合对描述该时间窗口内船体平均横摇角度、纵摇角度和升沉位移的船体姿态平面进行最小二乘线性拟合，拟合公式如下：
其中，i为GNSS天线序号，j为样本序号，xi、yi分别为第i个GNSS天线安装位置在水平面内的横坐标和纵坐标，zi，j为第i个GNSS天线的第j个反演值
b、利用公式(6)求出A、B、C、D四个系数，得出船体姿态平面，如图3所示，即经过船体重心的三维平面：
Ax+By+Cz+D＝0 (8)
x轴正向指向船艏，y轴正向指向左舷，z轴正向指向天顶；
c、以欧拉角描述船体姿态，由船体姿态平面表达式，升沉位移Δz为：
水平面法向量N＝(0，0，1)先后经过旋转横摇角度旋转纵摇角度θ、平移升沉位移Δz后，得到标准化的船体姿态平面法向量
一种船体姿态计算方法的应用，将上述的方法应用于计算船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。同时，本方法也可以计算船体上任何安装的仪器距水面的平均高度。
(1)计算船体外部传感器高度的方法如下：
将船体外部传感器的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面，得到坐标变换后的垂直高度，即船体外部传感器高度：
其中，
(2)计算船体吃水深度的方法如下：
将船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面，得到坐标变换后的垂直高度差值，即船体吃水深度：
其中，为船体最低点的设计坐标，[x y z]draft为船体姿态平面映射坐标；其中，zdraft为船体吃水深度。
对于仅安装一套船载GNSS天线与GNSS接收机的船舶，忽略船体纵摇和横摇，将滑动时间窗口内GNSS天线相位中心距水面垂直高度的反演值与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度差值作为恒差，近似计算船体姿态平面的升沉位移；对于安装两套船载GNSS天线与GNSS接收机的船舶，并且船载GNSS天线安装于主桅杆左右两侧，则忽略船体纵摇，以滑动时间窗口内左、右舷GNSS天线到水面垂直距离反演值与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度差值作为恒差，近似计算船体姿态平面的横摇角度和升沉位移。
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。