本发明涉及水运交通地图导航安全助航
技术领域：
，是基于地形匹配导航技术，并结合水运交通通航环境的多维变化、多种高程基准的特点，提出的一种利用地图防触礁的安全助航方法。
背景技术：
：导航地图api(sdk)实现的技术功能现状：现行的导航地图api(sdk)广泛用于陆路运输导航服务，由于水运交通导航存在流态、流速、比降、暗礁、风力、雾情等多种自然环境因素影响，以及尚未全面应用矢量等高线地图；没有建立针对适淹乱礁和航道整治建筑物等复杂困难航道安全航行边界失真的水下地形分析模型及基于深度基准面高程拟合的在航水位拟合改正模型。几乎所有的导航地图api(sdk)没有涉足水运交通导航功能技术开发。防触礁地图安全助航技术的研究应用现状：目前有关电子航道图安全助航技术研究有两种方法，一种方法是基于电子航道图航线的碍航区缓冲区、可航水域生成安全航行边界【李發等编著《基于长江电子航道图的航线动态生成算法及实现》】【杨保岑等编著《长江电子航道图可航水域动态计算模型研究》】，这些面域的形成需要通过gis平台预先制作，预处理工作量较大、操作步骤较多；在落差变化和水位变幅较大航区实时发布运行中，低分辨率的碍航区缓冲区和可航水域更新发布不能有效避免洪水波坦化特性导致的“钱塘潮头”边界交接断层，降低了地图导航防触礁安全助航的现势性和时效性。【李箐等编著《内河电子航道图动态水沫线算法与实现》】。另一种方法是电子航道图+数字航道实体航标设置，这种方法是传统人工航标设置的数字化应用，其相对成本高、劳动强度大的特点依然没有改变，也没有根本发挥地图本质动态安全助航的服务功能。水深线性插值算法模型的缺陷：水深点线性插值算法是航行基准面落差的传统描述方法，该方法在水位稳定或规律性周期变化时期能够较好体现水位的空间变化特征，但在恶劣气象条件、洪水运动期，低密度的水位观测数据不能实时反映水位分段线性特征，不适于全天候在航水位改正。防触礁地图安全助航技术应用发展的环境状况：防触礁地图安全助航技术应用模型的本质要求是船舶当前位置的水下地形高程低于富裕的船舶安全吃水高程，其核心技术是测量高程与数字地图高程等值线匹配的地形匹配导航技术【刘承香编著《水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究》】。目前地形匹配导航技术应用于gnss卫星信号中断区域或海底潜艇惯性导航系统导航校正工作，近年来车道级汽车自动驾驶技术兴起，与地形匹配导航技术相关的矢量道路辅助导航算法【李翔等编著《粗精匹配结合的矢量道路辅助惯性导航算法》】已得到广泛求证。这些技术成果为地图导航防触礁安全助航技术的应用提供了很好的示范引领作用。随着多波束回声测深技术、机载alb高分辨率高现势性水下地形测图技术的崛起，gnss星(地)基增强差分系统的应用；传感器技术的发展；海洋无缝垂直基准、内河航行基准面研究的深入【许军等编著《航海中的动态水位保障》】；水下地形特征分析方法【张毅等编著《水下地形匹配导航中的地形可导航性分析》】和相对水深图航区深度基准面高程拟合技术【孙军等编撰《曲面方程求解相对水深改正的应用探讨》】的成熟。基于导航地图的防触礁安全助航技术应用模型，将获得精密的导航地图背景场、精确实时的航行外部要素参数和严密的计算处理模型结构，将为地图导航防触礁安全助航技术应用模型的运行提供可靠保障。现有技术还存在的缺陷在于：1、预处理工作量较大、操作步骤较多；在落差变化和水位变幅较大航段实时发布运行中，低分辨率的碍航区缓冲区和可航水域将因为地图更新发布的迟滞影响出现“钱塘潮头”边界交接断层，降低了地图导航防触礁安全助航的现势性和时效性；2、电子航道图+数字航道实体航标设置，这种方法是传统人工航标设置的数字化应用，其相对成本高、劳动强度大的特点依然没有改变，也没有根本发挥地图本质动态安全助航的服务功能。3、恶劣气象条件、洪水运动期，现有技术不能很好的反映航行基准面纵向坡降、横向坡降、反向坡降以及紊流凸凹连续变化复合曲面的形态特征，低密度的水位观测数据不能实时反映水位分段线性特征，不适于全天候在航水位改正。4、以船艏坐标为中心正北方向为轴的正方形，不能形成以船艏坐标为中心艏向为轴的最大搜索范围正方形。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于导航地图的防触礁安全助航方法，将获得精密的导航地图背景场、精确实时的外部航行参数及严密的计算处理方法融合，实现船舶航行线路上礁石的防撞设计技术；解决了现有技术方案，无法有效避免分辨率较低的碍航区缓冲区和可航水域导致的边界交接断层，发挥了地图本质动态安全助航的服务功能，降低了工作强度。本发明提出的一种利用地图防触礁的安全助航方法，包括：s1、通过系统登录控制模块，录入航线、航区及船舶参数信息，进入s2；s2、通过定位模块和网络服务器，采集船舶当前位置三维坐标、艏向及水位，进入s3，s3、通过数据解算模块，录入的船舶参数信息，与采集的船舶当前位置三维坐标和水位，解算船舶最低点安全吃水高程及船艏平面坐标，进入s4；s4、通过水位改正值判断模块，判断船舶最低点安全吃水高程是否需要在航水位改正，如果需要，进入s5，如果不需要，进入s6；s5、通过矩阵解算模块，采用曲面高程拟合方程，解算船舶当前最低点安全吃水高程的在航水位改正值，进入s6；s6、应用航道空间地理信息数据库和地形匹配技术检索与船舶当前最低点安全吃水高程匹配的矢量等深线和安全航行保障线节点坐标集合，进入s7；s7、通过应用终端模块标注、显示或者播发相关信息，首先，根据船舶当前时刻位置和航线信息，并结合s6，在电子航道图应用终端上标注矢量等深线或安全航行保障线，形成船舶安全航行边界线；其次，根据船舶当前时刻位置和艏向，解算获得船舶与安全航行边界线的距离、船舶艏向与安全航行边界线的夹角，进入s8；s8、结束。本发明的使用原理在于，首先，利用gnss定位技术和水位观测及数据处理技术，实现安全吃水高程的解算；然后通过物标等形式获取相关安全助航要素信息，判断是否启用深度基准面高程拟合方程进行在航水位改正；最后，根据安全吃水高程匹配检索到的矢量等深线或安全航行保障线节点坐标矢量集合，并在电子航道图上显示标注矢量等深线及安全航行保障线形成的安全航行边界，语音音频播放船舶与安全航行边界的警示距离、船舶艏向与安全航行边界的警示角度。本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法有益效果为，通过步骤s3、s6得到与安全吃水高程范围相匹配的多条矢量等高线或安全航行保障线节点的坐标集合，通过步骤s3、s7分段标注矢量等高线或安全航行保障线节点的坐标集合，以满足一种利用地图防触礁的安全助航方法依据的导航地图背景场高程设计精度等高距0.5米，设计航段最大落差10％、船舶航行最高速度40公里/小时的参考设计基础，提高了一种利用地图防触礁的安全助航方法获取的数据的采样频率、时效性和现势性。通过步骤s4、s5获取的在航水位改正值能有效避免相对水深图航区、恶劣气象条件、洪水期，由于落差及水位变动的导致的安全航行边界交接断层失真影响，提高了安全助航信息应用的可靠性。通过s6水下地形特征分析模型划定的安全航行保障线，避免适淹乱礁、航道整治建筑物安全航行边界失真导致的安全助航信息错误。本发明设计由于充分全面的分析了方法运行状态，获得了有益的技术处理手段。附图说明图1为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法流程图；图2为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法的软、硬件流程图；图3为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法航道正方形检索范围判断示意图；图4为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法航道正方形检索范围判断流程图；图5为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法启用安全吃水高程在航水位改正逻辑判断流程图；图6为本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法启用安全航行保障线物标属性逻辑判断流程图；其中：1.处理器；2.应用终端模块；3.系统登录控制模块；4.定位模块；5.数据解算模块；6.水位改正值判断模块；7.矩阵解算模块；8.航道空间地理信息数据库；10.安全航行边界线；11.网络服务器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的一种利用地图防触礁的安全助航方法作进一步的说明。为了使本发明的发明目的、技术方案更加清晰，我们以导航地图api为例说明一种利用地图防触礁的安全助航方法结构设计。1、系统登录控制模块采用c++编写负责系统的组织流程导航定位及数据处理交互工作，负责船舶有关参数的输入与gnss接收机数据的获取、获取在线发布的当前航段水位、深度基准面拟合参数等航道要素及中间数据的交互处理计算。2、矩阵解算模块采用matlab编制，并将高程拟合曲面方程编译为dll动态链接库负责相对安全吃水高程拟合及航行基准面高程拟合参数的解算。3、应用终端采用javascript引擎模块编制负责最小搜索圆外接正方形的解算、检索安全吃水高程匹配水下地形高程矢量等深线、安全航行保障线节点坐标矢量数据集合及当前航段深度基准面相关水尺、水位信息、深度基准面拟合参数和相交范围的判断；标注防触礁安全助航预警边界和安全警示距离、安全警示航向的播发。本发明提出的一种利用地图防触礁的安全助航方法，包括：s1、通过系统登录控制模块3，录入航线、航区及船舶参数信息，进入s2；s2、通过定位模块4和网络模块11，采集船舶当前位置三维坐标、艏向及水位，进入s3，s3、通过数据解算模块5，录入的船舶参数信息，与采集的船舶当前位置三维坐标和水位，解算船舶最低点安全吃水高程及船艏平面坐标，进入s4；s4、通过水位改正值判断模块6，判断船舶最低点安全吃水高程是否需要在航水位改正，如果需要，进入s5，如果不需要，进入s6；s5、通过矩阵解算模块7，采用曲面高程拟合方程，解算船舶当前最低点安全吃水高程的在航水位改正值，进入s6；s6、应用航道空间地理信息数据库8和地形匹配技术检索与船舶当前最低点安全吃水高程匹配的矢量等深线和安全航行保障线节点坐标集合，进入s7；s7、通过应用终端模块2标注、显示或者播发相关信息，首先，根据船舶当前时刻位置和航线信息，并结合s6，在电子航道图上标注矢量等深线或安全航行保障线，形成船舶安全航行边界线；其次，根据船舶当前时刻位置和艏向，解算获得船舶与安全航行边界线的距离、船舶艏向与安全航行边界线的夹角，进入s8；s8、结束。使用原理：首先，利用gnss定位技术和水位观测及数据处理技术，实现安全吃水高程的解算；然后通过物标等形式获取相关要素信息，判断是否启用深度基准面高程拟合方程进行在航水位改正；最后，根据安全吃水高程匹配检索到的矢量等高线或安全航行保障线节点坐标集合，并在电子航道图上显示标注矢量等深线及安全航行保障线形成的船舶安全航行边界线，语音音频播放船舶与安全航行边界线10的距离、船舶艏向与安全航行边界线10的角度。有益效果为：通过步骤s3、s6得到与安全吃水高程范围相匹配的多条矢量等高线或安全航行保障线节点的坐标集合，通过步骤s3、s7分段标注矢量等高线或安全航行保障线节点的坐标集合，以满足一种利用地图防触礁的安全助航方法依据的导航地图背景场高程设计精度等高距0.5米，设计航段最大落差10％、船舶航行最高速度40公里/小时的参考设计基础，提高了一种利用地图防触礁的安全助航方法获取的数据的采样频率、时效性和现势性。通过步骤s4、s5获取的在航水位改正值能有效避免相对水深图航区、恶劣气象条件、洪水期，由于落差及水位变动的导致的安全航行边界交接断层失真影响，提高了安全助航信息应用的可靠性。通过s6水下地形特征分析模型划定的安全航行保障线，避免适淹乱礁、航道整治建筑物安全航行边界失真导致的安全助航信息错误。本发明设计由于充分全面的分析了方法运行状态，获得了有益的技术处理手段。其中s3：船舶最低点安全吃水高程、船艏坐标归算数学模型和船型坐标运用逻辑判断模型，获取船舶最低安全吃水高程及船艏坐标；x船艏＝xgnss+d船型×cos(α航向-α船型)y船艏＝ygnss+d船型×sin(α航向-α船型)h安全吃水高程＝hgnss-h天线-h吃水或h安全吃水高程＝h水位-h吃水有益效果：可以通过船舶当前位置水位和gnss三维坐标，获取船舶最低点安全吃水高程；通过合理布设gnss天线，排除船型坐标在防触礁地图安全助航技术应用模型中的运算，提高模型计算处理效率。s4依据航区信息、气象信息和水位信息，判断船舶当前航行航区，船舶最低点安全吃水高程是否需要在航水位改正。目的简化运算最低点安全吃水高程，提高整个一种利用地图防触礁的安全助航方法的运行效率。s5依据深度基准面拟合参数分区信息，获取深度基准面拟合参数；启用曲面方程高程拟合算法模型，解算船舶当前最低点安全吃水高程的在航水位改正值。结合步骤s4能实现恶劣气象条件及洪水水位变动时期航行环境下获取船舶当前最低点安全吃水高程的在航水位改正值，实现全天候一种利用地图防触礁的安全助航方法的应用。安全吃水高程在航水位改正模型是依据设置的航区信息、深度基准面拟合参数分区判断，在线获取分区发布的深度基准面拟合参数和水位信息；启用曲面方程高程拟合算法模型，以物理趋近拟合方式将船舶当前航位安全吃水高程，在航解算基于深度基准面的相对安全吃水高程拟合改正值。在航水位改正拟合数学模型：g(x,y)＝b0+b1x+b2y+b3x2+b4y2+b5xy参数b0、b1、b2、b3、b4、b5通过最小二乘法原理vtpv＝min解算。假设拟合点数为n，由二次多项式方程可得到误差方程：g1+v1＝b0+b1x1+b2y1+b3x12+b4y12+b5x1y1g2+v2＝b0+b1x2+b2y2+b3x22+b4y22+b5x2y2………………….gn+vn＝b0+b1xn+b2yn+b3xn2+b4yn2+b5xnyn误差方程式为：v＝bx-l其中v＝[v1、v2….vn]tx＝[b0b1b2b3b4b5]tl＝[g1g2…….gn]t依据最小二乘法，得方程式的解：x＝-(btb)-1btl表1项目类别拟合中误差(u)最大残差(v)基面拟合参数±0.009米0.016米2014年航行基准面高程拟合参数测试精度统计；表2分带号实测高程基面高程改正水深拟合水深最大较差s1157.421米161.9米4.54米4.48米0.06米s2161.647米162.0米0.42米0.35米0.07米s3160.173米162.1米2.02米1.93米0.09米二次曲面方程高程拟合与分带相对水深改正成果最大较差统计。s6依据船艏坐标及艏向数据应用算法模型，建立最小外接搜索圆正方形；根据船舶前进方向正方形右顶点夹角与对角围合逻辑判断，确定正方形搜索区域内船舶当前最低点安全吃水高程匹配的矢量等深线和安全航行保障线节点坐标集合。防触礁地图安全助航技术应用模型采用定位艏向数据应用解算模型，①、形成船艏坐标为圆心、艏向方位角定向的最小外接搜索圆正方形搜索模型,②、采用前进方向最小外接搜索圆正方形右顶点两边夹角与对角联合判断相交范围逻辑处理模型，最大化检索船舶当前安全吃水高程匹配的水下地形高程等值线、安全航行保障线矢量坐标集合及相关深度基准面拟合参数、水位信息。2公里半径最小外接搜索圆正方形坐标计算数学模型：x(i＝a、d)＝x船艏+2000÷cos45°×cos(α航向±45°)y(i＝a、d)＝y船艏+2000÷sin45°×sin(α航向±45°)x(i＝b、c)＝x船艏+2000÷cos45°×cos(α航向±180°±45°)y(i＝b、c)＝y船艏+2000÷sin45°×sin(α航向±180°±45°)s6所述的安全航行保障线是针对复杂困难航段，依据水下地形特征分析模型划定的可航行水域与碍航水域的矢量边界线，通过获取其节点坐标集合和相关属性信息确定其当季运行水位范围、优先运行定义，解决桥梁、适淹乱礁、航道整治建筑物等重点航段，安全航行航道边界、安全警示距离、安全警示航向失真现象，实现其安全航行保障作用，确保船舶安全通过碍航区域困难航道。水下地形特征分析模型：ρ＝σ+γφsinθ+γλcosθ通过验证导航系数ρ越大，地形粗糙度越大，地表破碎，安全航行边界线越容易失真。当通过ρ值划定的安全航行保障线符合dem分辨率确定的极限值，就能解决可航水域与碍航区域安全航行边界线。s7能依据航线信息，检索多条不同安全吃水高程匹配的水下地形矢量等深线、安全航行保障线节点坐标集合，并根据船舶当前安全吃水高程分段标注播发防触礁安全助航警示边界、警示距离、警示航向信息。有益效果：防触礁地图安全助航技术应用方法采用一次检索多条不同安全吃水高程匹配的水下地形高程等值线方法，并依据船舶当前安全吃水高程分段标注安全航行航道边界的微循环交互式设计，提高防触礁地图安全助航技术应用模型采样频率，提高防触礁地图安全助航技术应用模型动态运行精度。以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12