本发明涉及轨迹规划，尤其涉及一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法。
背景技术：
1、内孤立波是层化海洋中常见的现象，其现象丰富、机制复杂，尽管研究手段多样，但目前尚未完全认识清楚。传统观点认为：内孤立波主要由正压潮流和地形相互作用而产生，但这种机制并不能解释所有的内孤立波生成。研究表明，一些其它机制如混合区塌陷机制、共振机制、西边界流不稳定机制等也可能引起内孤立波，其中共振机制解释的是沿着某一水平方向运动的外强迫，在接近临界速度条件时会向强迫上游周期性地生成内孤立波，外强迫可以作用于水体表面、水体内部或水底，除了向强迫上游周期性地产生孤立波外，在强迫下游还会形成一个随时间发展的向下游方向延伸的等密度面的凹陷区，以及紧随其后的一列弱非线性弱频散的尾波，这种机制生成的内孤立波被称为先驱内孤立波，考虑来自水面的外强迫时可能为海面移动的大气压异常，或者在海面航行的船舶考虑来自水体内部的外强迫可为水体内部的航行体；来自水底的外强迫则对应底地形起伏；
2、研究发现，内孤立波与水下航行体的相互作用下，考虑各运动自由度耦合引起的非线性作用力，能够将水下航行体的运动轨迹和姿态控制在合理的范围内，误差较小，经进一步研究发现，1.位于跃层上层的水下航行体受内孤立波作用上浮距离比较大，进而会跃过初始下潜深度甚至浮出水面，运行姿态和位置会发生剧烈变化，航行难度大；2.位于跃层处的水下航行体受浮力作用的影响会产生较大的纵倾角，操控稳定性降低，增加航行难度；3.当水下航行体位于跃层下层并以恒定速度航行时，由于航速的作用会穿越内孤立波面，但是由于水下航行体在浮重力和内孤立波作用下发生大幅度掉深并伴随大纵倾角，随着航速增加，垂向掉深明显增加；大幅度掉深不仅增加了航行体与海底或其他障碍物碰撞的风险，还可能导致航行体结构受损或设备故障。同时，大纵倾角的出现也可能影响航行体的稳定性，增加其失控的风险，从而严重威胁航行体的安全；当前的水下航行体路线规划在内孤立波影响方面存在明显缺陷，这些缺陷导致航行体在航行过程中面临巨大的安全风险，因此，未来的路线规划必须充分考虑内孤立波的特性及其对航行体的影响，制定更为科学、合理的航行策略，以确保航行体的安全和航行任务的顺利完成。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，以根据优化后的速度、深度进行全新的路线规划，提高航行的稳定性同时制定合理的航行策略。
2、本发明提供了一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，包括：
3、步骤s1，创建两层流体模型以及非静力模型nhwave；
4、步骤s2，获取水下航行体所处环境以及内孤立波环境中的环境参数、水下航行体参数；所述环境参数包括水温、盐度分层、海底地形、内孤立波波高、内孤立波波长、内孤立波波速、内孤立波传播方向；所述水下航行体参数包括水下航行体物理参数、水下航行体运动参数、水下航行体性能参数；
5、步骤s3，将所述环境参数中的水温、盐度分层、海底地形、所述水下航行体参数中水下航行体物理参数输入所述两层流体模型中，将所述环境参数中的内孤立波波高、内孤立波波长、内孤立波波速、内孤立波传播方向、所述水下航行体参数中的水下航行体物理参数、水下航行体性能参数输入非静力模型nhwave，以实现两层流体模型以及非静力模型nhwave的初始化操作；
6、步骤s4，为所述两层流体模型以及非静力模型nhwave定义综合目标函数以及约束条件；
7、所述综合目标函数包括深度目标函数、速度目标函数、路径安全函数；所述深度目标函数用于最大化水下航行体初始下潜深度，所述速度目标函数用于最小化航速导致垂向掉深以及航行过程中纵倾角之间的角度差；所述路径安全函数用于最小化水下航行体与内孤立波发生碰撞的风险；
8、所述约束条件包括第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件，所述第一约束条件用于对所述深度目标函数中的水下航行体深度的取值范围进行约束，所述第二约束条件用于对所述速度目标函数中的水下航行体航行速度、水下航行体垂向掉深、水下航行体纵倾角的取值范围进行约束，所述第三约束条件用于对水下航行体与内孤立波之间的间隔距离进行约束；
9、步骤s5，优化算法对所述综合目标函数以及约束条件进行迭代优化输出优化参数，所述优化参数包括水下航行体航行速度、水下航行体垂向掉深、水下航行体纵倾角以及水下航行体与内孤立波波峰之间的安全距离；
10、步骤s6，判断所述优化参数是否满足所有约束条件，并计算所述综合目标函数的数值，若所述优化参数满足所有约束条件，则执行步骤s7，若所述优化参数不满足所有约束条件，则返回执行步骤s5；
11、步骤s7，根据所述优化参数对水下航行体航行路线进行规划。
12、进一步地，所述速度目标函数根据水下航行体处于强迫区因航速导致垂向掉深以及航行过程中纵倾角的角度差获取；所述深度目标函数根据水下航行体的初始下潜深度与水面至海底深度获取；所述路径安全函数根据水下航行体与强迫区之间的碰撞风险函数项与第三约束条件获得。
13、进一步地，第一约束条件为初始下潜深度约束条件。
14、进一步地，所述第二约束条件包括航速约束条件、垂向掉深约束条件和纵倾角角度差约束条件。
15、进一步地，所述第三约束条件包括水下航行体与内孤立波之间的间隔距离约束条件。
16、进一步地，所述速度目标函数为：
17、；
18、式中，代表速度目标函数，代表水下航行体垂向掉深，代表水下航行体在强迫区发生的实时纵倾角，代表强迫区预测水下航行体航行时发生的预测纵倾角，代表水下航行体垂向掉深的权重值，代表水下航行体在强迫区发生的实时纵倾角与强迫区预测水下航行体航行时发生的预测纵倾角之差的权重值；
19、所述速度目标函数的航速约束条件为：；
20、所述代表水下航行体航行的航速下界值，所述代表水下航行体航行的航速，所述代表水下航行体航行的航速上界值；
21、所述速度目标函数中垂向掉深约束条件为：；
22、所述代表水下航行体垂向掉深的下界值，所述代表水下航行体垂向掉深的上界值；
23、所述速度目标函数的实时纵倾角的约束条件为：；
24、所述代表水下航行体在强迫区发生的实时纵倾角的下界值，代表水下航行体在强迫区发生的实时纵倾角的上界值。
25、进一步地，所述深度目标函数为：
26、；
27、；
28、；
29、式中，代表深度目标函数，代表最大化水下航行体的初始下潜深度的调整项，代表水面至海底深度的调整项；代表水下航行体的初始下潜深度，代表水下航行体下潜的实时深度，代表水面至海底深度，代表最大化水下航行体的初始下潜深度的调整项的权重系数，以实现将初始下潜深度最大化，，代表水面至海底深度的调整项权重系数，以避免水下航行体浮出水面，，为正数，防止水面至海底深度的调整项分母为0；
30、第一约束条件为：
31、；
32、 h代表水下航行体下潜的深度。
33、进一步地，所述路径安全函数为：
34、；
35、式中，代表路径安全函数，代表水下航行体与强迫区之间的碰撞风险函数项， d代表水下航行体与强迫区的间隔距离，代表碰撞风险函数项的权重系数，， n代表碰撞风险函数项的指数，代表第三约束条件。
36、进一步地，所述第三约束条件为：
37、；
38、其中，代表水下航行体与强迫区之间的安全距离，为正数，防止水面至海底深度的调整项分母为0。
39、进一步地，所述步骤s7中根据所述优化参数对水下航行体航行路线进行规划，包括以下步骤：
40、步骤s71，确定水下航行体的航行起点以及航行终点；
41、步骤s72，利用路径规划算法结合水下航行体的航行起点、航行终点以及所述优化算法生成由航行起点至航行终点的最优航行线路。
42、本发明实施例具有以下技术效果：
43、1、本发明在内孤立波作用下的水下航行体航行过程中同时考虑速度目标函数、深度目标函数、路径安全函数，同时对水下航行体航行于强迫区的速度、深度进行优化，根据优化后的速度、深度进行全新的路线规划，提高航行的稳定性同时制定合理的航行策略。
44、2、本发明设计的速度目标函数、深度目标函数能够对不同位置的速度、垂向掉深、纵倾角进行优化，对不同位置的水下航行体的运行状态进行优化。
45、3、本发明通过优化路径安全函数减少水下航行体在航行过程中受到的不利因素干扰，有助于保持水下航行体的稳定性和操控性能，进一步为路线规划以及路线调整提供了有力的依据。
1.一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述速度目标函数根据水下航行体处于强迫区因航速导致垂向掉深以及航行过程中纵倾角的角度差获取；所述深度目标函数根据水下航行体的初始下潜深度与水面至海底深度获取；所述路径安全函数根据水下航行体与强迫区之间的碰撞风险函数项与第三约束条件获得。
3.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，第一约束条件为初始下潜深度约束条件。
4.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述第二约束条件包括航速约束条件、垂向掉深约束条件和纵倾角角度差约束条件。
5.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述第三约束条件包括水下航行体与内孤立波之间的间隔距离约束条件。
6.根据权利要求2所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述速度目标函数为：
7.根据权利要求2所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述深度目标函数为：
8.根据权利要求2所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述路径安全函数为：
9.根据权利要求8所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述第三约束条件为：
10.根据权利要求1所述的一种内孤立波作用下的水下航行体运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s7中根据所述优化参数对水下航行体航行路线进行规划，包括以下步骤：
