CN113484892A - 一种基于gnss的船体姿态计算方法及系统 - Google Patents

一种基于gnss的船体姿态计算方法及系统 Download PDF

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CN113484892A CN202110735077.3A CN202110735077A CN113484892A CN 113484892 A CN113484892 A CN 113484892A CN 202110735077 A CN202110735077 A CN 202110735077A CN 113484892 A CN113484892 A CN 113484892A
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Abstract

本发明涉及一种基于GNSS的船体姿态计算方法及系统，所述船体姿态包括横倾和纵倾，所述方法包括步骤：在船体中轴线上取两个测试点；在所述测试点设置GNSS接收装置，并通过所述GNSS接收装置实时监测所述测试点的GNSS定位；建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。本发明提供了一种简易可靠的方法计算船体形式中的姿态并解决相关技术中的问题。

Description

一种基于GNSS的船体姿态计算方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶测量领域，特别涉及一种基于GNSS的船体姿态计算方法及系统。
背景技术
船舶在运行停靠的过程中受到风浪的影响，会同时产生横滚现象和起伏现象，严重时会影响船体引导与靠岸过程。目前，在船体上装有卫星定位系统，但一般仅仅用于平面定位，无法对船体的姿态进行分析。
相关技术CN110082033A，针对现有的水上载体重心确定方法的不合理性和不准确性等问题，提出了一种运动状态下的水上载体重心测量装置。其中涉及到基于GNSS信号接收装置实时接收GNSS卫星信号，并通过设置姿态传感器装置获取水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值。
但是，相关技术是采用不同的专用传感器(比如PHINS或者POS MV等姿态传感器)来获取不同类型的姿态数据(包括测航向角)，合并到一个坐标系下后计算水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值，而姿态传感器是使用磁性或者重力原理测量船只的横倾纵倾等姿态数据，在磁性异常的地区或者舰船有磁性/重力干扰的情况下，船只横滚的姿态不容易准确得到。同时该方法需要将GNSS的平面坐标和姿态传感器的横倾数据结合在一起用于计算船只的姿态，计算方法相对复杂。
发明内容
本发明实施例提供一种基于GNSS的船体姿态计算方法及系统，以提供一种简易可靠的方法计算船体形式中的姿态并解决相关技术中的问题。
一方面，本发明提供了一种基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，所述船体姿态包括横倾和纵倾，所述方法包括步骤：
在船体中轴线上取两个测试点；
在所述测试点设置GNSS接收装置，并通过所述GNSS接收装置实时监测所述测试点的GNSS定位；
建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
一些实施例中，建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标，包括步骤：
以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标。
一些实施例中，基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态，包括步骤：
以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度。
一些实施例中，比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾，包括步骤：
将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
当XA>XA0，XB>XB0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生右倾；
当XA<0，XB<0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生左倾。
一些实施例中，在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度，包括步骤：
若船体横倾的角度为θ，则根据
Figure BDA0003141314180000031
计算角度θ，其中ΔX＝|XA-XB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
一些实施例中，基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态，包括步骤：
获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值；
比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
一些实施例中，比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾，包括步骤：
将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
当(ZA-ZA0)<(ZB-ZB0)时，判断船体发生前倾；
当(ZA-ZA0)>(ZB-ZB0)时，判断船体发生后倾。
一些实施例中，在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度，包括步骤：
若船体前倾的角度为θ，根据
Figure BDA0003141314180000032
计算角度θ，其中ΔY＝|YA-YB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
另一方面，提供了一种基于GNSS的船体姿态计算系统，其特征在于，其包括：
GNSS接收装置，其设于船体中轴线上的两个测试点上，且所述GNSS接收装置用于实时监测所述测试点的GNSS定位；
船体姿态计算装置，其与所述GNSS接收装置通信，其用于：
从所述GNSS接收装置实时获取GNSS定位信息；
建立空间坐标系并将所述GNSS定位信息在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
一些实施例中，所述船体姿态计算装置还用于：
以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标；
以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度；
获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值；
比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
本发明实施例通过GNSS接收装置获取船体定位信息的同时就能计算船体姿态，而不需要设置其他传感器(比如PHINS或者POS MV等姿态传感器)来获取不同类型的姿态数据(包括测航向角)再通过对各姿态数据的合并计算来获取船体姿态。本实施例提供的方案在获取定位信息的同时就能计算出船体姿态，具有更好的同时性和一致性。而采用使用GNSS定位信息来计算船体姿态，还可以避免设置倾角仪/航向仪时受干扰而在失效环境下无法测量或者测量不准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于GNSS的船体姿态计算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的船体俯视图；
图3为本发明实施例提供的船体前视图
图4为本发明实施例提供的船体发生横倾时的示意图；
图5为本发明实施例提供的船体发生纵倾时的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于GNSS的船体姿态计算方法，包括步骤：
S100:在船体中轴线上取两个测试点；
S200:在所述测试点设置GNSS接收装置，并通过所述GNSS接收装置实时监测所述测试点的GNSS定位；
S300:建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
S400:基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
需要说明的是，船体姿态包括横倾(横滚)、横倾角、纵倾以及纵倾角，横倾是指船体中横剖面垂直于静止水面，但是中纵剖面与铅垂面成一横倾角时的浮态，也即船体自正浮位置向右舷或左舷倾斜使左右舷吃水不等的浮态。横倾角表示横倾的程度，是船体横倾后中纵剖面与正浮时的中纵剖面的交角，即船体横倾后的水线面与正浮时的水线面的交角。纵倾是指船体中纵剖面垂直于静止水面，但是中横剖面与铅锤面成一纵倾角时的浮态，纵倾角是船体在正浮时的水线面与纵倾后的水线面相交的角度。GNSS接收装置包括MG10s接收机或M900W接收机，其用于提供接收机本机的位置信息(X,Y,Z坐标)且精度可达厘米级。
本实施例中，通过GNSS接收装置获取船体定位信息的同时就能计算船体姿态，而不需要设置其他传感器(比如PHINS或者POS MV等姿态传感器)来获取不同类型的姿态数据(包括测航向角)再通过对各姿态数据的合并计算来获取船体姿态。本实施例提供的方案在获取定位信息的同时就能计算出船体姿态，具有更好的同时性和一致性。而采用使用GNSS定位信息来计算船体姿态，还可以避免设置倾角仪/航向仪时受干扰而在失效环境下无法测量或者测量不准确的问题。
在一些实施例中，S300包括步骤：
S310:以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
S320:在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标。
本实施例通过建立空间坐标系，使测试点的定位信息直接转化为空间坐标系中的坐标，有利于利用坐标值的变化计算船体姿态，使计算过程简单、实用。
在一些实施例中，S400包括步骤：
S410：以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
S420：以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
S430：比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
S440：在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度。
进一步地，S430包括步骤：
S431：将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
S432：当XA>XA0，XB>XB0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生右倾；
S433：当XA<0，XB<0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生左倾。
进一步地，S440包括步骤：
S441：若船体横倾的角度为θ，则根据
Figure BDA0003141314180000071
计算角度θ，其中ΔX＝|XA-XB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
在一些实施例中，S400还包括步骤：
S450：获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值，比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
S460：在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
进一步地，S450包括步骤：
S451：将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
S452：当(ZA-ZA0)<(ZB-ZB0)时，判断船体发生前倾；
S453：当(ZA-ZA0)>(ZB-ZB0)时，判断船体发生后倾。
进一步地，S460包括步骤：
S461：若船体前倾的角度为θ，根据
Figure BDA0003141314180000081
计算角度θ，其中ΔY＝|YA-YB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
如图2、3所示，在一个具体的实施例中，将GNSS接收机安装在船体1中轴线上的A和B两点，可设置是A比B高。船体向前行驶时，以船体直行的方向为y轴，以水平方向垂直于所述y轴的方向为x轴，以同时垂直于x轴和y轴的方向为z轴建立空间坐标系(笛卡尔直角坐标系)。通过实时监测A和B的GNSS定位信息，对应在空间坐标中记为A(XA,YA,ZA)和B(XB,YB,ZB)。
首先通过分析A和B的坐标变化，判断船体的横倾。
设置船体在稳定(处于正浮)时A和B的空间坐标为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)并以此为基准坐标。
如图4所示，当XA>XA0，XB>XB0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生右倾。此时，若船体右倾的角度为θ，则根据
Figure BDA0003141314180000091
可计算出
Figure BDA0003141314180000092
其中ΔX＝|XA-XB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
当XA<0，XB<0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生左倾。此时，若船体左倾的角度为θ，则根据
Figure BDA0003141314180000093
可计算出
Figure BDA0003141314180000094
如图5所示，G点为船体的重心，y轴正方向为船头方向，当(ZA-ZA0)<(ZB-ZB0)时，判断船体发生前倾。此时，若船体前倾的角度为θ，计算出
Figure BDA0003141314180000095
其中ΔY＝|YA-YB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
当(ZA-ZA0)>(ZB-ZB0)时，判断船体发生后倾。此时，船体前倾的角度θ可通过
Figure BDA0003141314180000096
计算得到，其中ΔY＝|YA-YB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
在上述的判断中，若ZA＝ZA0且ZB＝ZB0，或者(ZA-ZA0)＝(ZB-ZB0)，则表明船体没有发生纵倾横倾，仅仅是横向的平移。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于GNSS的船体姿态计算系统，其特征在于，其包括：
GNSS接收装置，其设于船体中轴线上的两个测试点上，且所述GNSS接收装置用于实时监测所述测试点的GNSS定位；
船体姿态计算装置，其与所述GNSS接收装置通信，其用于：
从所述GNSS接收装置实时获取GNSS定位信息；
建立空间坐标系并将所述GNSS定位信息在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
在一些实施例中，所述船体姿态计算装置还用于：
以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标；
以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度；
获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值；
比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，所述船体姿态包括横倾和纵倾，所述方法包括步骤：
在船体中轴线上取两个测试点；
在所述测试点设置GNSS接收装置，并通过所述GNSS接收装置实时监测所述测试点的GNSS定位；
建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
2.如权利要求1所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，
建立空间坐标系并将所述测试点的GNSS定位在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标，包括步骤：
以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标。
3.如权利要求2所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态，包括步骤：
以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度。
4.如权利要求3所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾，包括步骤：
将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
当XA>XA0，XB>XB0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生右倾；
当XA<0，XB<0，且ZA<ZA0,ZB<ZB0时，判断船体发生左倾。
5.如权利要求4所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度，包括步骤：
若船体横倾的角度为θ，则根据
Figure FDA0003141314170000021
计算角度θ，其中ΔX＝|XA-XB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
6.如权利要求3所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态，包括步骤：
获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值；
比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
7.如权利要求6所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾，包括步骤：
将所述测试点的基准坐标标记为：A(XA0,YA0,ZA0)、B(XB0,YB0,ZB0)，所述测试点的实时坐标标记为：A(XA,YA,ZA)、B(XB,YB,ZB)；
当(ZA-ZA0)<(ZB-ZB0)时，判断船体发生前倾；
当(ZA-ZA0)>(ZB-ZB0)时，判断船体发生后倾。
8.如权利要求7所述的基于GNSS的船体姿态计算方法，其特征在于，在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度，包括步骤：
若船体前倾的角度为θ，根据
Figure FDA0003141314170000031
计算角度θ，其中ΔY＝|YA-YB|，ΔZ＝|ZA-ZB|。
9.一种基于GNSS的船体姿态计算系统，其特征在于，其包括：
GNSS接收装置，其设于船体中轴线上的两个测试点上，且所述GNSS接收装置用于实时监测所述测试点的GNSS定位；
船体姿态计算装置，其与所述GNSS接收装置通信，其用于：
从所述GNSS接收装置实时获取GNSS定位信息；
建立空间坐标系并将所述GNSS定位信息在所述空间坐标系中形成对应的空间坐标；
基于两个所述测试点对应空间坐标的变化情况确定所述船体姿态。
10.如权利要求9所述的基于GNSS的船体姿态计算系统，其特征在于，
所述船体姿态计算装置还用于：
以船体正浮时的直行方向为y轴，以船体横截面的旋转质心为原点，以船体正浮时垂直于船体中纵剖面的方向为x轴，以船体正浮时垂直于船体横剖面的方向为z轴，建立空间坐标系；
在船体行驶过程中实时根据所述GNSS定位获取所述测试点在所述空间坐标系中的空间坐标；
以船体正浮时所述测试点的空间坐标为基准坐标；
以船体行驶过程中实时获取的所述测试点的空间坐标为实时坐标；
比较所述测试点对应的实时坐标与基准坐标以确定是否发生横倾；
在判断为发生横倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在x轴和z轴的坐标值计算横倾角度；
获取所述测试点对应的实时坐标相对于基准坐标在z轴的坐标差值；
比较两个所述测试点对应的坐标差值以确定是否发生纵倾；
在判断为发生纵倾时，根据所述测试点对应的实时坐标分别在y轴和z轴的坐标值计算纵倾角度。
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