關(guān)于失蹤飛機(jī)的搜尋方案設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-05-31 12:20 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 左圖縱軸為高度，橫軸為飛機(jī)墜落過(guò)程中的水平速度。右圖縱軸為高度，橫軸為飛機(jī)墜落過(guò)程中的縱向速度。 模型三：一般搜尋目標(biāo)整體漂移模型 首先基于計(jì)算機(jī)模擬概率過(guò)程能很好地描述計(jì)算搜尋區(qū)域過(guò)程中包含的多種不確定因素,采用蒙特卡羅技術(shù)，適應(yīng)復(fù)雜搜救條件下的搜尋規(guī)劃需要,建立隨機(jī)粒子仿真法。而后從分析搜尋目標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)出發(fā),在海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模式下,考慮不同的遇險(xiǎn)推測(cè)場(chǎng)景條件,采用隨機(jī)粒子仿真法確定目標(biāo)初始概率分布。隨后,通過(guò)分析海洋環(huán)境數(shù)據(jù)誤差擾動(dòng)以及風(fēng)壓系數(shù)誤差擾動(dòng),對(duì)漂移的影響建立一般搜尋目標(biāo)整體漂移模型。最后,通過(guò)模擬漂移物的運(yùn)動(dòng)對(duì)漂移區(qū)域數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)，即對(duì)該整體漂移模型進(jìn)行驗(yàn)證?！∧繕?biāo)受力分析 海上搜尋目標(biāo)漂移受風(fēng)、浪、流三類力的共同影響。根據(jù)牛頓第二定律,目標(biāo)的加速度方程為: 式～式中: 為目標(biāo)漂移速度, 為目標(biāo)所受外力之和, 為風(fēng)的拖拽力, 為浪的輻射力, 為流的拖拽力,附加質(zhì)量來(lái)源于附著在目標(biāo)表面水粒子的加速度。與分別為風(fēng)和流的拽力系數(shù), 為波浪的反射系數(shù), 與為空氣與海水的密度, 與分別為目標(biāo)暴露于水面以上以及浸沒(méi)于水面以下的面積, 為海浪的波幅,與分別為海面風(fēng)速以及目標(biāo)風(fēng)致漂移速度,為目標(biāo)長(zhǎng)度尺度, 為重力加速度。根據(jù)文獻(xiàn)的研究,當(dāng)目標(biāo)長(zhǎng)度相對(duì)于海浪波長(zhǎng)較小(一般小于,包括船舶殘骸、落水人員、救生艇筏、小型機(jī),等),波浪的輻射力一般可以忽略,即為零。目標(biāo)初始漂移時(shí)在外力的作用下加速非常快(加速度無(wú)窮大),而后隨著所受外力達(dá)到平衡,速度達(dá)到某一恒定值以后就保持不變,此時(shí)加速度為零。 目標(biāo)漂移速度根據(jù)以上目標(biāo)受力分析,目標(biāo)漂移速度的兩個(gè)組成部分是: 式中為對(duì)地的海流速度,為目標(biāo)對(duì)周圍海水的速度。由表層海流與浪致斯托克斯漂移兩部分組成。表層海流包括?？寺?、斜壓運(yùn)動(dòng)、潮流和慣性流,等。體現(xiàn)了風(fēng)和海浪對(duì)漂移速度的影響。由于搜尋目標(biāo)長(zhǎng)度相對(duì)于海浪的波長(zhǎng)較小,海浪的影響可以略,主要受風(fēng)壓的影響,主要受表層海流的影響。當(dāng)目標(biāo)長(zhǎng)度與海浪的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)(大于50 m,較大殘骸),此時(shí)浪的影響不能忽略,需要建立復(fù)雜的解析模型求解,僅研究長(zhǎng)度相對(duì)于海浪波長(zhǎng)尺度較小的一般搜尋目標(biāo)的漂移情況。設(shè)為表層海流的流速,為目標(biāo)的風(fēng)致漂移速度,此時(shí)目標(biāo)漂移速度可表示為: 目標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)方程為: 風(fēng)壓是由于風(fēng)作用在目標(biāo)的水上部分而導(dǎo)致目標(biāo)對(duì)水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[9]。風(fēng)壓是個(gè)矢量,即由大小和方向兩個(gè)量來(lái)表示。風(fēng)壓的大小,指目標(biāo)相對(duì)于周圍水運(yùn)動(dòng)速度大小。風(fēng)壓的方向用風(fēng)壓角表示,它指目標(biāo)偏移下風(fēng)向的角度,向左偏移為負(fù)、向右偏移為正。目標(biāo)的形狀、大小、運(yùn)動(dòng)方向,以及水上、水下部分面積之比,都對(duì)風(fēng)壓有很大影響。在實(shí)踐中一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的方法確定風(fēng)壓與風(fēng)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1999年美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)Allen等對(duì)以往不同類型搜救目標(biāo)的風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié),并通過(guò)線性回歸的方法建立8大類共63種常見搜救目標(biāo)的風(fēng)壓與風(fēng)速之間的線性回歸方程。2005年Allen將風(fēng)壓沿下風(fēng)方向和垂直下風(fēng)方向進(jìn)行分解,分別得到下風(fēng)方向矢量與橫風(fēng)向矢量。圖3為風(fēng)壓分解示意圖,圖中為風(fēng)壓矢量,為風(fēng)壓角,為下風(fēng)方向矢量,為橫風(fēng)方向矢量。下風(fēng)方向矢量與風(fēng)速之間的經(jīng)驗(yàn)回歸公式為: 式中:為的最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值,為風(fēng)速,為回歸系數(shù)。其中為風(fēng)速斜率,為偏移量。同理可以得到的最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)值,根據(jù)目標(biāo)偏移下風(fēng)方向左右情況,系數(shù)與對(duì)應(yīng)取不同的值。由風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,初始狀態(tài)下目標(biāo)偏移下風(fēng)方向左右的概率是相等的,在漂移運(yùn)動(dòng)前并不能確定漂移方向,一旦沿某一方向漂移,風(fēng)壓的方向?qū)⒉粫?huì)再改變。 下圖為海上搜尋目標(biāo)漂移速度矢量計(jì)算示意圖。 殘骸漂移模型 風(fēng)壓系數(shù)擾動(dòng)為了描述風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)中存在的誤差所造成的不確定性,需要對(duì)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行擾動(dòng),從而反映漂移目標(biāo)獨(dú)一無(wú)二的風(fēng)壓屬性。根據(jù)Allen的研究,第個(gè)粒子的風(fēng)壓系數(shù)擾動(dòng)公式為: 式～式中:與為第個(gè)粒子的風(fēng)壓系數(shù),為第j個(gè)粒子的風(fēng)壓系數(shù)擾動(dòng)。計(jì)算時(shí)從均值為,方差為的正態(tài)分布中隨機(jī)抽取,一旦根據(jù)遇險(xiǎn)場(chǎng)景確定搜尋目標(biāo)類型,它在整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程中保持不變。 風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)的估計(jì)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)船舶報(bào)告直接獲得,也可以參考引航圖上的風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖和水文圖表。目前風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)數(shù)據(jù)大多通過(guò)用于海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算機(jī)輸出和當(dāng)?shù)貧庀笈c海洋局獲得,這樣能保證精度滿足計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。為了與早期風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)條件一致,取距海面高的風(fēng)速和水深的流速作為表層流來(lái)進(jìn)行漂移推算,計(jì)算時(shí)可以將海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模型輸出的某一高度的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),與某一水深的流場(chǎng)數(shù)據(jù)插值到風(fēng)速與流速。風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)的擾動(dòng)一般服從圓形正態(tài)分布,并且在漂移推算過(guò)程中隨時(shí)間和位置發(fā)生變化。風(fēng)速擾動(dòng)為: 將式～式代入式可得: 流速擾動(dòng)為: 式～式中:與分別為第個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的風(fēng)速與流速,與分別為與流速的平均值,為第個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓
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