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1、(10)申请公布号 CN 102278986 A (43)申请公布日 2011.12.14 CN 102278986 A *CN102278986A* (21)申请号 201110167240.7 (22)申请日 2011.06.21 G01C 21/00(2006.01) G01S 19/42(2010.01) (71)申请人 海华电子企业 （中国） 有限公司 地址 510656 广东省广州市天河区黄埔大道 西平云路 163 号 (72)发明人 陈杰波 (74)专利代理机构 广州三环专利代理有限公司 44202 代理人 何传锋 (54) 发明名称 电子海图航线设计最优化方法 (57) 摘要 。
2、本发明公开了一种电子海图航线设计最优化 方法， 包括如下步骤 ： (101) 根据起始港、 目的港 和安全水深值预先得到计划航线， 在该计划航线 中存在序列的转向点， 同时设定偏航报警距离， 偏 航报警距离内的区域为安全可航区域 ； (102) 当 船舶航行时偏离所述计划航线的距离大于所述偏 航报警距离时， 改变航向使船舶航行在安全可航 区域内 ； 当船舶航行在安全可航区域时， 确定船 舶下一转向点并给出船舶实时最佳舷向 ； (103) 重复步骤 (102)， 直至船舶到达目的港。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 。
3、5 页 附图 5 页 CN 102278990 A1/1 页 2 1. 一种电子海图航线设计最优化方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： (101) 根据起始港、 目的港和安全水深值预先得到计划航线， 在该计划航线中存在序列 的转向点， 同时设定偏航报警距离， 偏航报警距离内的区域为安全可航区域 ； (102) 当船舶航行时偏离所述计划航线的距离大于所述偏航报警距离时， 改变航向使 船舶航行在安全可航区域内 ； 当船舶航行在安全可航区域时， 确定船舶下一转向点并给出 船舶实时最佳舷向 ； (103) 重复步骤 (102)， 直至船舶到达目的港。 2. 根据权利要求 1 所述的电子海图航线设计最。
4、优化方法， 其特征在于， 在步骤 (102) 中， 确定船舶下一转向点的过程包括 ： (102a) 遍历计划航线中所有的线段， 找到距离船舶 最短的线段 AB(i， i+1) ； (102b) 遍历计划航线中所有的转向点， 找到距离船舶最短的转向 点 i ； (103b) 若上述最短距离均小于偏航报警距离， 则船舶下一转向点为 i+1 点。 3.根据权利要求2所述的电子海图航线设计最优化方法， 其特征在于， 在(102a)中， 当 船舶到几个航段距离相等且为最短距离时， 取转向点序号大的线段， 船舶下一转向点为距 离最短线段中序号大的转向点 ； 在 (102b) 中， 当最短距离转向点为多个的。
5、时候， 取转向点 序号大的转向点。 4. 根据权利要求 1 所述的电子海图航线设计最优化方法， 其特征在于， 在步骤 (102) 中， 根据 GPS 提供的实时船位、 设定的计划航线、 偏航报警距离确定出船舶当前位置的下一 转向点， 由下一转向点和它前一个转向点组成本船当前所属航线线段， 船舶航行时偏离所 述计划航线的距离即为本船 GPS 船位到当前航线线段的距离。 5. 根据权利要求 4 所述的电子海图航线设计最优化方法， 其特征在于， 求取船舶中心 位置过程如下 ： 把GPS船位由地理点， 转换成以当前GPS船位纬度为基准纬度的墨卡托坐标 值 ； 计算出船舶中心点到 GPS 天线的距离和角。
6、度 ； 根据距离和角度计算出两点之间的经度、 纬度墨卡托坐标差值 ； 在墨卡托投影平面计算出船舶中心点的墨卡托坐标值 ； 根据墨卡托 反投影公式， 计算出船舶中心点的地理坐标值 ； 船舶航行时偏离所述计划航线的距离即为 船舶中心位置到当前航线线段的距离。 权 利 要 求 书 CN 102278986 A CN 102278990 A1/5 页 3 电子海图航线设计最优化方法 技术领域 0001 本发明涉及电子海图技术， 尤其涉及一种电子海图航线设计最优化方法。 背景技术 0002 电子海图显示与信息系统 (ECDIS) 属于海图显示系统， 是专门用来显示官方电子 导航海图 (ENC) 的系统。。
7、ENC 是唯一可以合法地用于 ECDIS 上的电子海图数据库。IMO( 国 际海事组织 )ECDIS 性能标准中指出， ECDIS 是一个导航信息系统， 这个系统具有充分的后 备措施， 可以被接受为符合 1974 年 SOLAS 公约中 V/20 条规则要求的最新海图。它可有选 择地显示系统电子导航海图 (SENC) 中的信息及从导航传感器获得的位置信息以帮助航海 人员进行航线设计和航路监视， 并且能够按要求显示其他与航海相关的补充信息。 0003 作为一个完备的电子海图显示与信息系统， 不仅具备基本的海图显示功能， 而且 还应具备各项导航功能， 其中必须包括计划航线的设计。目前此类系统只为船。
8、舶驾驶人员 提供航线设计接口， 由船舶驾驶人员根据查阅的航海图书资料、 推荐航线、 分析潮流、 绕越 障碍物、 计算航程， 确定好计划航线的转向点之后， 手动地通过图形界面或以数字形式输入 到系统中。但是， 这样设计计划航线与使用纸制海图进行计划航线设计并没有本质上的区 别， 船员工作量依然如故， 未能发挥出电子海图显示与信息系统的智能化进行计划航线设 计作用。所以， 在计划航线设计中有必要改变纸制海图的航线设计模式， 简化航线设计过 程， 降低船员工作量， 提高计划航线安全性和可靠性， 设计出最佳航线。 发明内容 0004 本发明的主要目的是提出一种电子海图航线设计最优化方法， 通过电子海图。
9、显示 与信息系统中的计划航线， 按海图的详细数据信息来进行路径的动态规划， 最终找到安全、 最短路径。 0005 为实现上述目的， 本发明的技术方案为 ： 1、 一种电子海图航线设计最优化方法， 其 特征在于， 包括如下步骤 ： (101) 根据起始港、 目的港和安全水深值预先得到计划航线， 在 该计划航线中存在序列的转向点， 同时设定偏航报警距离， 偏航报警距离内的区域为安全 可航区域 ； (102) 当船舶航行时偏离所述计划航线的距离大于所述偏航报警距离时， 改变 航向使船舶航行在安全可航区域内 ； 当船舶航行在安全可航区域时， 确定船舶下一转向点 并给出船舶实时最佳舷向 ； (103) 。
10、重复步骤 (102)， 直至船舶到达目的港。 0006 在步骤 (102) 中， 确定船舶下一转向点的过程包括 ： (102a) 遍历计划航线中所有 的线段， 找到距离船舶最短的线段 AB(i， i+1) ； (102b) 遍历计划航线中所有的转向点， 找到 距离船舶最短的转向点 i ； (103b) 若上述最短距离均小于偏航报警距离， 则船舶下一转向 点为 i+1 点。 0007 在 (102a) 中， 当船舶到几个航段距离相等且为最短距离时， 取转向点序号大的线 段， 船舶下一转向点为距离最短线段中序号大的转向点 ； 在 (102b) 中， 当最短距离转向点 为多个的时候， 取转向点序号大。
11、的转向点。 说 明 书 CN 102278986 A CN 102278990 A2/5 页 4 0008 在步骤 (102) 中， 根据 GPS 提供的实时船位、 设定的计划航线、 偏航报警距离确定 出船舶当前位置的下一转向点， 由下一转向点和它前一个转向点组成本船当前所属航线线 段， 船舶航行时偏离所述计划航线的距离即为本船 GPS 船位到当前航线线段的距离。 0009 求取船舶中心位置过程如下 ： 把GPS船位由地理点， 转换成以当前GPS船位纬度为 基准纬度的墨卡托坐标值 ； 计算出船舶中心点到 GPS 天线的距离和角度 ； 根据距离和角度 计算出两点之间的经度、 纬度墨卡托坐标差值 。
12、； 在墨卡托投影平面计算出船舶中心点的墨 卡托坐标值 ； 根据墨卡托反投影公式， 计算出船舶中心点的地理坐标值 ； 船舶航行时偏离 所述计划航线的距离即为船舶中心位置到当前航线线段的距离。 0010 与现有技术相比， 本发明的方法将简化航线设计过程， 降低船员工作量， 设计出最 佳航线， 保证船舶安全、 快捷地从起始港航行到目的港， 提高运输效率， 降低运营成本。 附图说明 0011 图 1 是本发明船舶沿计划航线附近航行示意图 ； 0012 图 2 是本发明点到线段的距离示意图 ； 0013 图 3 是本发明确定船舶下一个转向点流程图 ； 0014 图 4 是本发明连续观测定位法示意图 ； 。
13、0015 图 5 是本发明雷达观测法示意图 ； 0016 图 6 是本发明物标最小距离方位与正横方位差法示意图 ； 0017 图 7 是本发明计算风流压矢量示意图 ； 0018 图 8 是本发明船舶最佳舷向计算示意图 ； 0019 图 9 是本发明船舶最佳舷向显示示意图。 具体实施方式 0020 下面将参考附图并结合实例， 对本发明作进一步的详细说明。 0021 请参阅图 1， 船舶在沿计划航线航行过程中， 实际上总是沿计划航线按 之 字形前 进。 这是因为受海上的大风、 水流影响船舶难以按照直线前进， 同时， 船舶转向时候， 也会因 船速不同， 水流对舵作用力不同， 使得船舶很难按照计划中航。
14、线航行。船舶航行时， A、 B 为 计划航线中的两个转折点， 船舶通常航行在计划航线附近， 如图中的 C 点。虚线表示的是船 舶偏航报警距离警戒线， 在虚线内部的区域认为是安全可航区域。当船舶偏离距离大于偏 航报警距离的时候， 系统给出图像及声音报警信号， 船舶则应及时改变航向使船舶航行在 安全可航区域内。当船舶航行在安全可航区域内部， 从图中可看出 |CB| |CD|+|DB|( 三 角形两边之和大于第三边 )。说明船舶航迹沿着 CB 方向航向， 比船舶航迹沿着 CD， 再沿着 DB 航行距离短。也就是说船舶直接朝下一转向点航行的航程， 比回到计划航线上再朝下一 转向点航行的航程更短。 00。
15、22 为了满足航行距离最短的原则， 船舶在航行时， 系统应该动态计算出一个实时最 佳船舶舷向。 为了实现此功能， 系统需要接入一些外围导航仪器， 为系统提供计算所需基础 数据， 通过计算依次确定下一转向点、 偏航距离、 船舶风流矢量和最佳舷向， 最终将船舶实 时最佳舷向通过显示器显示给用户。 此舷向的含义是 ： 船舶保持当前船速不变前提下， 把船 舶舷向调整到此最佳舷向上， 船舶即能按最短航行距离朝下一转向点航行。使得船舶调整 说 明 书 CN 102278986 A CN 102278990 A3/5 页 5 舷向到此方向， 就能保障船舶按最短航行距离安全地朝下一转向点航行。 0023 为了。
16、实现本发明的电子海图航线设计最优化方法， 需要接入以下外围导航仪器， 为电子海图显示与信息系统提供计算所需基础数据。 0024 (1) 全球定位系统 (Globalpositioningsystem， GPS) 又称为导航星全球定位系统 (GPS) 0025 GPS是一种测距卫星导航系统。 它利用多颗高轨卫星， 测量距离和距离变化率来精 确测定用户位置、 速度和时间参数。GPS 由 GPS 导航卫星、 GPS 地面站及用户设备三大部分 组成。本系统中接入 GPS 的目的是为了获得本船准确的船位、 航向和航速， 为系统提供计算 所需数据。 0026 (2) 陀螺罗经 0027 陀螺罗经是利用陀螺。
17、仪指北原理来指示船舶航向的仪器。陀螺罗经通常由主罗 经、 电源起动箱、 变流机、 分罗经接线箱、 报警器、 航向记录器和分罗经等组成。本系统中接 入陀螺罗经的目的是为了获得本船的舷向， 为动态计算风流矢量提供数据。 0028 (3) 计程仪 0029 船用计程仪是用来测定船舶航行速度和累计船舶航程的一种导航仪器。船用计 程仪分为两类 ： 相对计程仪和绝对计程仪。属于相对计程仪的有 ： 拖曳式、 转轮式、 水压式 和电磁式等计程仪， 它们只能测量船舶相对水的速度并累计其航程 ； 属于绝对计程仪的有 ： 多普勒计程仪和声相关计程仪， 它们在一定的水深跟踪范围内， 测量船舶相对于海底的速 度并累计航。
18、程， 但当水深超过其跟踪范围， 便转换成跟踪水层的相对速度。 0030 本系统中接入的是相对计程仪， 计程仪只测量船舶相对于水的速度并累计其航 程， 为系统提供船舶航行中相对水的速度， 为风流矢量计算提供数据。 0031 系统为了正确计算船舶偏航距离和确定船舶当前下一转向点， 需要规定点到线段 的距离。 0032 请参阅图 2， 过线段 AB 的端点 A， B 分别作线段 AB 的垂线 EF 和 GH， 垂线 EF 和 GH 把平面分割成两部分 ： 一部分是垂线EF和GH之间的区域， 称之为线段AB区域 ； 另一部分是 垂线 EF 和 GH 以外的区域， 称之为线段 AB 以外的区域。点到直线。
19、的距离定义 ： 当点落在线 段 AB 区域内， 点到线段的距离等于点到线段的垂线距离长度 ； 当点落在线段 AB 以外区域， 点到线段的距离等于点到线段两端点中距离较短的一个端点的距离。点 C1 到线段 AB 的距 离为 |C1A| ； 点 C2 到线段 AB 的距离为 |C2D| ； 点 C3 到线段 AB 的距离为 |C3B|。 0033 在开航前， 船舶驾驶人员需要设计好计划航线， 计划航线转向点序列为 1， 2， 3， 4， N ； 设定的偏航报警距离为 d。当船舶在航的时候， 船舶位置可以由 GPS 系统提供， 传 入到系统中。 相对于计划航线船舶每时每刻都存在下一转向点。 请参阅图。
20、3， 确定船舶下一 转向点的方法如下 ： 首先， 遍历计划航线中所有的线段， 计算出船舶到所有线段的距离， 从 中找到最短距离。并找出与最短距离对应的线段。最短距离线段可能是一条或多条， 当船 舶到几个航段距离相等且为最短距离时， 取转向点序号大的线段。船舶下一转向点为距离 最短线段中序号大的转向点。 然后， 遍历计划航线中所有的转向点， 计算出船舶到所有转向 点的距离， 从中找到距离最短的转向点。 最短距离转向点可能是一个或多个， 当最短距离转 向点为多个的时候， 取转向点序号大的转向点。当最短距离小于设定的偏航报警距离 d 时 候， 船舶下一转向点为该转向点的下一转向点。 说 明 书 CN。
21、 102278986 A CN 102278990 A4/5 页 6 0034 在船舶航行中， 船舶驾驶员最关心的是船舶偏离计划航线的距离 ； 船舶偏航距离 较大时， 船舶航行安全将无法保障。因此在电子海图显示与信息系统中需要精确计算出船 舶偏航距离。船舶偏航距离的计算 ： 船舶处于航行状态时， 根据 GPS 提供的实时船位、 设 定的计划航线、 偏航报警距离 d 确定出船舶当前位置的下一转向点。由下一转向点和它前 一个转向点组成本船当前所属航线线段， 船舶偏航距离即为本船船位到当前航线线段的距 离。这里需要注意的是 GPS 提供的船位， 并不能完全代表当前船舶位置， 因为 GPS 船位只表 。
22、示本船 GPS 天线位置， 而船位应是指船舶中心位置。 0035 如果仅是粗略计算偏航距离， 可以用 GPS 船位代替船舶中心位置。但如需精确计 算偏航距离， 就需根据 GPS 天线相对与船舶的位置和船舶脂向， 先计算出船舶中心点地理 位置。根据 GPS 船位和相对船舶的位置， 求取船舶中心位置过程如下 ： (1) 把 GPS 船位由地 理点， 转换成以当前 GPS 船位纬度为基准纬度的墨卡托坐标值。(2) 计算出船舶中心点到 GPS 天线的距离和角度。(3) 根据距离和角度计算出两点之间的经度、 纬度墨卡托坐标差 值。(4) 在墨卡托投影平面计算出船舶中心点的墨卡托坐标值。(5) 根据墨卡托。
23、反投影公 式， 计算出船舶中心点的地理坐标值。 最后根据精确的船舶中心点地理坐标值， 计算出船舶 偏航距离。 0036 船舶在航行时， 必须正确地估计当前海上的风、 流对船舶的影响。 如果估计不准确 的话， 船舶可能会因为风流作用而偏离计划航线， 影响船舶航行安全。对于风、 流矢量的测 量和计算， 不能采用直接测量计算的方法。 那样是一个非常复杂而不确定的过程， 如测量风 的速度大小和方向， 船舶受风面积大小， 计算此时受到的作用力大小， 计算风力使船舶速度 提高或是降低了多少。这样计算处理几乎是不现实的。所以， 在航海上， 正确测量风流压差 和航迹向的方法有以下几种 ： 0037 (1) 连。
24、续观测定位法。请参阅图 4， 在一定时间内， 测得 3 到 5 个观测船位， 用平 差方法以直线 “连接” 各观测船位点， 则该直线即为航迹线， 量取该线的前进方向， 即为航迹 向， 风流压差也同时得到。 0038 (2)标导航法。 若操纵船舶沿着某叠标线航行， 此时叠标方位与船首之差即风流压 差。 0039 (3) 雷达观测法。请参阅图 5， 雷达采用船首向上显示方式， 观测某一固定物标的 相对运动方向， 在一段时间内其影像会分别为 a1， a2， a3， 使雷达方位尺平行于该物标影 像的相对运动轨迹， 则此时方位标尺在固定刻度盘上所示读数即为风流压差。 0040 (4) 物标最小距离方位与。
25、正横方位差法。请参阅图 6， 物标最小距离方位 Bdmin CA90 度 ( 右舷物标为十 ； 左舷物标为一 ) ； 物标正横方位 B TC90 度 ( 右正横为十 ； 左正横为一 )， 所以， 风流压差 r CA 一 TC Bdmin 一 B， BDmin 可用雷达在物标正横前后 不断观测物标的方位和距离中选出。物标最小距离方位与物标正横方位差即为风流压差。 0041 以上方法都是在实际航海中， 用来测量风流压差大小的方法。但这些方法都测量 不出风流矢量的大小。 0042 在电子海图显示与信息系统中， 系统连接有 GPS、 罗经、 计程仪等助航设备。GPS 可 以为系统提供船舶对地的航向和航。
26、速， 罗经为系统提供船舶舷向， 计程仪则为系统提供船 舶相对于水的速度。 0043 如果船舶航行在无风流影响的水域， 船舶对地速度矢量将与船舶对水速度矢量完 说 明 书 CN 102278986 A CN 102278990 A5/5 页 7 全一致。但实际中， 它们两者是不一致的， 这就是风和流合力作用的效果。 0044 所以， 我们可以把船舶对地速度矢量与船舶对水速度矢量的矢量差， 近似地认为 是风流对船舶的作用的速度矢量。 0045 船舶对地速度矢量 V地(V地， C地)， 船舶对水速度矢量 V水(V水， C水)， 则风流速度矢 量 V风流(V风流， C风流) V地(V地， C地)-V水。
27、(V水， C水) ； 为 V水与 V地的夹角， 为 V地与 V风流 的夹角， 在图 7 中， 采用三角形正弦和余弦定律， 解算风流速度矢量三角形。 0046 具体的解算过程如下 ： 0047 C水-C地 0048 ( 三角形余弦定律 ) 0049 ( 三角形正弦定律 ) 0050 C风流 C地- 0051 在计算出当前风流速度矢量 V风流(V风流， C风流) 之后， 根据 GPS 提供的船舶航迹方 向 C地和计程仪提供的对水速度大小 V水可以计算出船舶最佳舷向 C水。 0052 在图 8 中， 已知矢量 V风流(V风流， C风流)， 船舶对水速度矢量 V水(V水， C水) 中的速度 值 V水和。
28、船舶对地速度 V地(V地， C地) 中的方向 C地， 求解 C水， 即船舶舷向。 0053 具体解算过程如下 ： 0054 C地-C风流 0055 ( 三角形正弦定律 ) 0056 C水 C地+ 0057 系统从外围导航仪器获取所需数据 ： 船舶对地速度、 船舶对水速度 ； 0058 依次进行以下计算 ： 确定下一转向点、 计算偏航距离、 计算船舶风流矢量和最佳舷 向。请参阅图 9， 把计算获得的船舶最佳舷向输送到显示器屏幕上更新显示。 0059 船舶的舷向如能时刻调整到系统提示的最佳舷向， 那么船舶航行路径将达到最 优。可是这样的理想状况是难以实现的。因此船舶驾驶员可以观测系统提示的最佳舷向。
29、， 当最佳舷向与本船当前舷向产生较大偏差时， 驾驶员就应转向， 把船舶舷向调整到系统提 示的最佳舷向上。 0060 整个航行过程类似船舶沿大圆航行， 不可能做到时刻转向， 但可以一段时间转向 一次。该航行方法实际执行优化效果取决于按系统提示最佳舷向转向的频繁度， 船舶驾驶 员可根据实际情况操作。 说 明 书 CN 102278986 A CN 102278990 A1/5 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102278986 A CN 102278990 A2/5 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102278986 A CN 102278990 A3/5 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102278986 A CN 102278990 A4/5 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102278986 A CN 102278990 A5/5 页 12 图 9 说 明 书 附 图 CN 102278986 A 。