内河盲区北斗航道智能预判方法与流程

1.本发明属于北斗卫星导航、多波束测深、电子航道图在内河航运技术领域的应用，具体涉及了内河盲区北斗航道智能预判方法。


背景技术：

2.船舶在内河航行中由于偏航会有可能出现在无航道标志区域，造成在浅水区域阁浅，甚至碰上水下暗礁等现象，造成水上交通安全事故。在船舶智能化需求日益旺盛的今天，由于船舶智能化安全设备发展还处于起步阶段，能实时预判航道水下地形实况的方法与终端设备还很少，且多为专业化水下探测、测绘装备及系统，不但价格高、操作需专业化，还须经过大量后期数据处理才能形成航道航行指导信息。如中国专利申请号为201710096327.7公开的无人航道测量船障碍物实时感知避障系统与方法，包括船舶定位单元、环境感知单元利用至少2种环境感知传感器感知一定范围内的障碍物信息，将各环境感知传感器检测的障碍物信息进行数据融合，生成障碍物地图，构成用于路径规划的地图，指导船舶按照规划好的行驶路径航行。如中国专利申请号为201210426725.8公开的一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，设置电子航道图上水深点的基准面信息，根据沿江水位站发布的实测与预测水位信息，结合电子航道图的基准面信息对水深值进行动态修正，得到绝对水深值，根据本发明技术方案，基于长江电子航道图系统中的公共服务平台、网络通讯环境和船用终端应用系统，可实现定时计算长江干线航道水深信息，并以数据服务的方式提供给船用终端应用系统使用。
3.以上技术没有解决的问题有：（1）使用雷达、激光雷达和摄像头探测障碍物，再与区域进行目标匹配和叠加，数据处理量大，且以识别面为主，受视觉干扰大；（2）使用现有的电子航道图、沿江水位站发布的实测与预测水位信息，受现有通信、信息资源影响比较大，且需要实时通信和识别，对某一小区域水路不能给予准确信息，实用性不强；（3）使用的系统与方法过于复杂，难以适应内河船舶推广应用。在内河造船及船舶航行指导领域，急需具有造价低、操作简单，而且能实时预计判出内河航道盲区的技术方法去生产出实用性强的智能设备。因此，开展内河盲区航道智能预判方法研究十分必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有应用领域的空白和功能的不够全面，提供内河盲区北斗航道智能预判方法，使船舶在偏离航道进入盲区后，能够实时探测四周水域的深度情况，并根据船舶自身的通航要求生成临时航道，指导船舶航行并回归到原定航道。
5.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：内河盲区北斗航道智能预判方法，包括以下步骤：步骤1，在船舶安装北斗航道智能预判系统，该系统包括北斗模块、多波束测深模块、姿态测量模块、多波束数据模块、电子航道图模块、差分模块和运算模块；所述的北斗模块、多波束测深模块、姿态测量模块、多波束数据模块、电子航道图模块、差分模块与运算模块相
连接；步骤2，通过多波束测深模块探测船舶四周区域的深度；步骤3，结合多波束深度数据和船舶通航要求分析可航区域；步骤4，根据原定航道方向在已探测区域内预判临时航道；步骤5，船舶根据临时航道导航信息行船，同时持续探测前方盲区并不断生成新的临时航道（循环执行步骤2-5），直到生成的临时航道与原定航道对接。
6.而且，步骤2中，探测船舶四周区域深度的过程如下，步骤2.1，获取多波束测深模块的数据，包括每个多波束脚印的距离、倾角和方位角；获取姿态测量模块的数据，包括船舶横摇幅度、纵摇幅度和升沉幅度；获取北斗模块定位的船舶位置数据；确保多波束测深模块、姿态测量模块和北斗模块的时间相位一致；步骤2.2，将多波束脚印的距离与其对应倾角的余弦相乘，依次计算出每个多波束脚印所在位置的深度；步骤2.3，用姿态测量模块的数据修正多波束脚印的深度数据；步骤2.4，计算每个多波束脚印的位置坐标；步骤2.5将多波束脚印的位置坐标与深度数据绑定，存入多波束数据模块。
7.而且，步骤3中，可航区域分析过程如下，步骤3.1，根据船舶自身重量、船上货物重量和船舶吃水深度计算出船舶的通航深度；步骤3.2，将未达到通航深度的多波束脚印进行聚类分析，形成不可航区域；步骤3.3，在电子航道图上标定探测区域内的可航区域。
8.而且，步骤4中，所述的临时航道预判过程如下，步骤4.1，获取原定航道位置数据；步骤4.2，根据船舶大小确定航道宽度；步骤4.3，在已探测区域内，结合原定航道、航道宽度、不可通航区域，预判临时航道，获得临时航道左、右边界的位置坐标；步骤4.4，在电子航道图上标出临时航道的位置坐标。
9.作为本发明的进一步说明，在步骤2.4中，所述的多波束脚印的位置坐标计算步骤如下，步骤2.4.1，将多波束脚印的距离与其对应倾角的正弦相乘，获得多波束脚印距离船舶的纵向偏移量；步骤2.4.2，将多波束脚印的距离与其对应方位角的正弦相乘，获得多波束脚印距离船舶的横向偏离量；步骤2.4.3，将船舶位置数据与多波束脚印距离船舶的纵向偏移量、横向偏离量相结合，获得多波束脚印的位置坐标；步骤2.4.4，用姿态测量模块的数据修正多波束脚印的位置坐标。
10.作为本发明的进一步说明，在步骤3.3中，所述的可航区域标定过程如下，步骤3.3.1，通过差分模块对多波束脚印的位置坐标进行差分处理，使其与电子航道图的坐标空间一致；步骤3.3.2，将不可航区域的位置坐标标定在电子航道图上；步骤3.3.3，在电子航道图上标定已探测的区域边界坐标，在已探测区域内排除不可通
航区域的其他区域即为可航区域。
11.作为本发明的进一步说明，所述的北斗模块支持北斗1、北斗2，单点定位精度达到2.0m，测向精度达到0.2
°
（1m基线），测速精度达到0.1m/s；所述的多波束探测模块的波束最大开角为160
°
，最大测深达到500m；所述的多波束数据模块存储的是多波束脚印的深度数据和绑定的位置坐标；所述的电子航道图模块存储的是内河流域电子航道图。
12.本发明中，北斗航道智能预判系统的各模块直接关系和数据走向如下：北斗模块、多波束探测模块、姿态测量模块在同一时刻传送数据给运算模块，其中北斗模块传送的是船舶位置坐标，多波束探测模块传送的是探测区域各多波束脚印的距离、倾角和方向角，姿态测量模块传送的是船舶横摇幅度、纵摇幅度和升沉幅度；运算模块执行步骤2后将处理过的数据存入多波束数据模块；电子航道图模块将电子航道图传入运算模块，差分模块将差分程序传入运算模块，运算模块执行步骤3和步骤4后即生成临时航道导航图。
13.本发明的优点：1.使用便捷，普通船舶即可安装使用；2.功能简单，仅针对当前船舶是否可航做出判断，不绘制地形图；3.运算量小，当规划出整条通往预定航道的临时航道后，装置即可停止探测；4.实时性强，探测、预判、规划和导航无缝衔接，及时指导船舶回归预定航道，提高行船安全。
附图说明
14.图1是本发明中北斗航道智能预判系统的结构框图。
15.图2是本发明方法的流程图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
17.实施例1：内河盲区北斗航道智能预判方法，包括以下步骤：步骤1，在船舶安装北斗航道智能预判系统，该系统包括北斗模块、多波束测深模块、姿态测量模块、多波束数据模块、电子航道图模块、差分模块和运算模块；所述的北斗模块、多波束测深模块、姿态测量模块、多波束数据模块、电子航道图模块、差分模块与运算模块相连接。
18.具体实施时，可采用的安装模式如下：在船舶正前下部安装多波束探测模块，在船的驾驶室安装其余模块，多波束探测模块通过rs-485线缆与运算模块相连接。
19.步骤2，通过多波束测深模块探测船舶四周区域的深度；步骤2.1，获取多波束测深模块的数据，包括每个多波束脚印的距离、倾角和方位角；获取姿态测量模块的数据，包括船舶横摇幅度、纵摇幅度和升沉幅度；获取北斗模块定位的船舶位置数据；确保多波束测深模块、姿态测量模块和北斗模块的时间相位一致；步骤2.2，将多波束脚印的距离与其对应倾角的余弦相乘，依次计算出每个多波束脚印所在位置的深度；步骤2.3，用姿态测量模块的数据修正多波束脚印的深度数据；
深度数据修正有多种方法，本实施例中采用的方法如下：（1）利用升沉幅度数据进行修正，如果幅度数据显示当前时刻船舶为上升状态，则用深度数据减去上升幅度，得到修正数据；反之，将深度数据与下降幅度相加，得到修正数据；（2）利用横摇数据进行修正，将深度数据与横摇幅度的余弦相乘，得到修正数据；（3）利用纵摇数据进行修正，将深度数据与纵摇幅度的余弦相乘，得到修正数据；步骤2.4，计算每个多波束脚印的位置坐标；步骤2.4.1，将多波束脚印的距离与其对应倾角的正弦相乘，获得多波束脚印距离船舶的纵向偏移量；步骤2.4.2，将多波束脚印的距离与其对应方位角的正弦相乘，获得多波束脚印距离船舶的横向偏离量；步骤2.4.3，将船舶位置数据与多波束脚印距离船舶的纵向偏移量、横向偏离量相结合，获得多波束脚印的位置坐标；步骤2.4.4，用姿态测量模块的数据修正多波束脚印的位置坐标；位置坐标的修正方法有多种，本实施例中采用的方法如下：（1）当横摇为顺时针转动时，原横坐标减去原深度与横摇幅度的正弦、航向角度的余弦之积，所得的差即为修正后的横坐标，原纵坐标加上原深度与横摇幅度的正弦、航向角度的正弦之积，所得的和即为修正后的纵坐标；（2）当横摇为逆时针转动时，原横坐标加上原深度与横摇幅度的正弦、航向角度的余弦之积，所得的和即为修正后的横坐标，原纵坐标减去原深度与横摇幅度的正弦、航向角度的正弦之积，所得的差即为修正后的纵坐标；（3）当纵摇为顺时针转动时，原横坐标加上原深度与纵摇幅度的正弦、航向角度的正弦之积，所得的和即为修正后的横坐标，原纵坐标加上原深度与纵摇幅度的正弦、航向角度的余弦之积，所得的和即为修正后的纵坐标；（4）当纵摇为逆时针转动时，原横坐标减去原深度与纵摇幅度的正弦、航向角度的正弦之积，所得的差即为修正后的横坐标，原纵坐标减去原深度与纵摇幅度的正弦、航向角度的余弦之积，所得的差即为修正后的纵坐标；步骤2.5将多波束脚印的位置坐标与深度数据绑定，存入多波束数据模块。
20.步骤3，结合多波束深度数据和船舶通航要求分析可航区域；步骤3.1，根据船舶自身重量、船上货物重量和船舶吃水深度计算出船舶的通航深度；步骤3.2，将未达到通航深度的多波束脚印进行聚类分析，形成不可航区域；步骤3.3，在电子航道图上标定探测区域内的可航区域；步骤3.3.1，通过差分模块对多波束脚印的位置坐标进行差分处理，使其与电子航道图的坐标空间一致；步骤3.3.2，将不可航区域的位置坐标标定在电子航道图上；步骤3.3.3，在电子航道图上标定已探测的区域边界坐标，在已探测区域内排除不可通航区域的其他区域即为可航区域。
21.步骤4，根据原定航道方向在已探测区域内预判临时航道；步骤4.1，获取原定航道位置数据；步骤4.2，根据船舶大小确定航道宽度；
步骤4.3，在已探测区域内，结合原定航道、航道宽度、不可通航区域，预判临时航道，获得临时航道左、右边界的位置坐标；步骤4.4，在电子航道图上标出临时航道的位置坐标。
22.步骤5，船舶根据临时航道导航信息行船，同时持续探测前方盲区并不断生成新的临时航道（循环执行步骤2-5），直到生成的临时航道与原定航道对接。