CN113589390B - 一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，该坐标定位方法使用水下机器人作为平台，水下机器人底部设置有水平的履带，水下机器人上设置有两三轴磁传感器，两三轴磁传感器分别为线圈传感器和磁通门传感器；两三轴传感器的Y轴均指向水下机器人的前进方向，前进方向由履带确定；两三轴传感器的Z轴均垂直于履带；水下机器人上设置有陀螺仪，陀螺仪用于采集水下机器人的姿态信息，并根据姿态信息修正两三轴传感器的数据至标准值；本发明将海缆产生的磁信号根据传感器的接收划分成三个区域，在每个区域中执行相应的策略，使传感器最终靠近海缆，获取海缆坐标。

Description

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，属于海缆定位技术领域。

背景技术

海底电缆的定位是海底电缆检测，维修，故障确定和升级等作业过程中不可或缺的一步，快速准确的对海底电缆进行定位，不仅能缩短施工时间，提高施工效率。在海缆故障维修时，还能够极大的降低故障带来的损失。海底电缆铺设与海底，相比于路上电缆，海底电缆定位时存在许多特定的困难，难度也更高。

目前在海底电缆探测上应用最广的是基于声、光、电和磁学等物理原理的技术手段。其中光学和电学探测手段在实际深水环境条件下使用受到限制较大，故而很少使用或作为辅助使用。声学探测法主要是利用声纳回波技术，基于声波的反射回波原理，通过获取一定宽度的海底声学图像进而间接得到海缆路由信息。虽然声波在海水中的衰减远小于高频电磁波，但是声波无法穿透覆盖在海底电缆上的泥沙，因此对埋设电缆的探测效果并不太好。磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术较成熟的一种探测方法。在探测海缆的手段中，磁探测法较声纳技术具有识别能力强、运行时间短、定位精度好、实时性好、成本低等优势。

申请号为202011366513.6的申请文件公布了一种用于海底缆线的双三轴电磁探测及路由定位方法，该方法通过两个三轴电磁探测传感器采集六路实时电磁信号，并通过六路电磁信号对海缆路由的坐标进行标定。缺点在于，没有解决开始探测时传感器与海底电缆之间距离较远的情况，若开始探测时，传感器与海底电缆之间的相对距离较远，则无法采集到有效的磁信号，后续的路由定位就无从开启。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，该定位方法将海缆产生的磁信号根据传感器的接收划分成三个区域，在每个区域中执行相应的策略，使传感器靠近海缆，获取海缆坐标，令传感器跟踪海缆，获得利系列海缆路由坐标。

本发明的技术方案如下：

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，该坐标定位方法使用水下机器人作为平台，所述水下机器人底部设置有水平的履带，所述水下机器人上设置有两个三轴磁传感器，其特征在于，

两所述三轴磁传感器分别为线圈传感器和磁通门传感器，所述线圈传感器灵敏度高于所述磁通门传感器，所述磁通门传感器量程大于所述线圈传感器；两所述三轴传感器的Y轴均指向所述水下机器人的前进方向，所述前进方向由所述履带确定；两所述三轴传感器的Z轴均垂直于所述履带；

所述水下机器人上设置有陀螺仪，所述陀螺仪用于采集所述水下机器人的姿态信息，并根据所述姿态信息修正两所述三轴传感器的数据至标准值；

根据以下步骤获取海缆路由坐标：

所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集的信号存在固定换算关系；设置阈值β，当所述线圈传感器采集的信号强度低于β时，通过所述线圈传感器采集的信号换算得到当前位置磁通门传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述磁通门传感器采集的信号；当所述线圈传感器采集的信号强度高于β时，通过所述磁通门传感器采集的信号换算得到当前位置线圈传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述线圈传感器采集的信号；

在目标海域下放所述水下机器人，通过所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集海缆产生的磁信号；根据所述磁信号计算所述水下机器人与海缆的位置关系；

根据所述磁信号判断所述水下机器人所属区域，在当前区域按照磁信号的变化规划所述水下机器人的移动路径，并根据所述移动路径移动所述水下机器人，直至靠近海缆；

通过所述水下机器人的坐标和所述水下机器人与海缆的位置关系计算得到海缆坐标。

进一步的，所述线圈传感器和所述磁通门传感器分别设置在所述水下机器人的前侧和后侧，并通过支架与所述水下机器人连接。

进一步的，对两所述三轴传感器采集到的磁信号进行傅里叶变换，得到与海缆工频同频信号的幅值，将该幅值作为用于计算所述水下机器人与海缆的位置关系和规划所述水下机器人移动路径的磁信号。

进一步的，当所述水下机器人位于无信号区时，进行无信号区探测，通过所述无信号区探测使所述水下机器人进入弱信号区；无信号区为所述线圈传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；弱信号区为所述线圈传感器各轴均可采集到有效的磁信号，且所述磁通门传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；所述无信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人下降至特定高度，通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_x、ε_y和ε_z，得到磁信号的水平分量设置阈值ε_p0和ε_z0，

判断水平分量ε_p、垂直分量ε_z与阈值ε_p0、ε_z0的关系，根据判断结果执行以下操作：

P₁，若ε_z＜ε_z0，则令所述水下机器人下降，直至ε_z＞ε_z0后，若ε_p＞ε_p0，则执行P₃，若ε_p＜ε_p0，则执行P₂，若直至所述水下机器人下降至海底，仍不满足ε_z＞ε_z0，则收回所述水下机器人，调整下放位置，重新下放；

P₂，若ε_p＜ε_p0，且ε_z＞ε_z0，则设定两条相互垂直的水平的搜索路径，令所述水下机器人沿两所述搜索路径移动，直至ε_p＞ε_p0后，执行P₃；

P₃，若ε_p＞ε_p0，且ε_z＞ε_z0，则认为所述水下机器人进入弱信号区。

进一步的，当所述水下机器人位于弱信号区时，进行弱信号区探测，通过所述弱信号区探测使所述水下机器人进入强信号区；强信号区为所述线圈传感器和所述磁通门传感器各轴均能采集到有效磁信号的区域；所述弱信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人降至海底；

通过所述线圈传感器的X轴和Y轴采集海缆产生的磁信号ε_1x和ε_1y，并计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，公式如下：

根据所述夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由；

令所述水下机器人通过所述履带移动；

移动过程中对所述线圈传感器采集到的磁信号进行监测，若移动过程中磁信号变弱，则旋转所述水下机器人的前进方向180°，并令所述水下机器人通过所述履带移动，若移动过程中磁信号未变弱，则继续通过所述履带移动；

直至所述磁通门传感器各轴均采集到有效的磁信号，认为所述水下机器人进入强信号区。

进一步的，所述弱信号区探测还包括所述线圈传感器与海缆路由的距离测量，包括以下步骤：

令所述水下机器人沿垂直于所述海缆路由的方向移动一段距离，并通过所述线圈传感器的三轴采集移动前海缆产生的磁信号ε_3x、ε_3y和ε_3z，和移动后海缆产生的磁信号ε_4x、ε_4y和ε_4z；

计算移动前后所述线圈传感器采集的磁信号ε₃和ε₄，如下：

计算移动前后所述线圈传感器和所述海缆路由之间缩短的距离dr，如下：

其中，dy为所述水下机器人的移动距离；θ_3y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；为所述线圈传感器与海缆路由的俯角，/>

计算得到所述线圈传感器移动前与海缆路由的距离r，如下：

每隔时间T，以过去的时间T内产生的数据计算所述线圈传感器与海缆路由的距离。

进一步的，所述弱信号区探测还包括，所述水下机器人在通过所述履带移动过程中，每隔时间T₁，通过所述线圈传感器采集海缆产生的磁信号，计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，并根据夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由。

进一步的，当所述水下机器人位于强信号区时，进行强信号区探测，所述强信号区探测包括以下步骤：

通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_2x、ε_2y、ε_2z，通过所述磁通门传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε'_2x、ε'_2y和ε'_2z；

得到所述线圈传感器、所述磁通门传感器与海缆路由的俯角的正切值，如下：

其中，

若则执行第一相对距离算法，否则，则执行第二相对距离算法；

第一相对距离算法：

其中，P、H分别为所述线圈传感器与海缆路由的水平距离、垂直距离；L为所述线圈传感器与所述磁通门传感器之间的距离；θ_2y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；

第二相对距离算法：

获取所述磁线圈传感器和所述磁通门传感器的在垂直方向上的高度差dh和水平方向上的距离差dp，如下：

dh＝Lsinθ_2ysinλ₂，

dp＝Lsinθ_2ycosλ₂，

其中，λ₂为所述水下机器人与水平面的夹角，由所述陀螺仪采集；

得到如下结果：

进一步的，所述强信号区探测还包括：

通过定位技术获取当前所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)；

根据所述强信号区探测获得的数据和所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)，计算海缆路由在探测点k处的经纬度坐标(W_k,J_k)，公式如下：

W_k＝arcsin(sin(W₀)cos(P_k/R)+cos(W₀)sin(P_k/R)cosθ_2y)，

其中，P_k为所述水下机器人与海缆路由在探测点k处的水平距离，通过所述线圈传感器与探测点k处的水平距离换算得到，R为地球半径。

进一步的，所述强信号区探测还包括：

通过所述线圈传感器采集海缆路由产生的信号，并计算所述线圈传感器与海缆路由的夹角，并根据该夹角保持所述水下机器人前进方向与海缆路由平行，并沿平行于海缆路由的方向移动；

每隔特定距离计算海缆路由的坐标。

本发明具有如下有益效果：

1.该定位方法通过两个三轴磁传感器对海缆产生的磁信号进行采集，并将采集的磁信号按照是否有效，对水下机器人所在的区域进行划分，根据所在区域执行不同的策略。相比于现有的技术方案，极大的提高了定位方法的适用区域。当水下机器人下放的位置离海缆较远时，依然可以快速对海缆进行定位。

2.该定位方法通过线圈传感器和磁通门传感器对海缆产生的磁信号进行采集，线圈传感器和磁通门传感器所采集的信号之间存在固定换算关系。由于海缆产生的磁信号在海水中衰减较快，导致随着探测设备与海缆距离的变化，信号范围的跨度非常大，导致一定量程的磁传感器难以在如此大范围的磁场信号下保持线性。通过灵敏度高和量程大两种传感器的配合，根据信号强弱，选择合适的传感器，并通过换算关系修正另一传感器采集的信号值。

3.该定位方法通过水下机器人与探测点处的相对距离和水下机器人的坐标得到探测点处的坐标。并沿海缆移动，获取海缆各探测点处的坐标，最终得到海缆路由的准确坐标。定位过程中，考虑到了海缆埋于海底面下、海底面存在起伏等多种原因。

4.该定位方法对采集到的磁信号进行傅里叶变换，得到与海缆工频同频的信号的幅值，利用该幅值进行探测和定位。相比于现有的技术方案，采用瞬时信号进行探测和定位，需要考虑信号相位的因素，本方法对设备的要求更低，也降低了数据的处理难度。

附图说明

图1为本发明的方法的流程图。

图2为本发明的实施例的无信号区探测示意图。

图3为本发明的实施例的弱信号区探测示意图。

图4为本发明的实施例的相对距离计算时一种状态的示意图。

图5为本发明的实施例的相对距离计算时另一种状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，该坐标定位方法使用水下机器人作为平台，所述水下机器人底部设置有水平的履带，所述水下机器人上设置有两三轴磁传感器，其特征在于，

两所述三轴磁传感器分别为线圈传感器和磁通门传感器，所述线圈传感器灵敏度高于所述磁通门传感器，所述磁通门传感器量程大于所述线圈传感器，由于海缆产生的磁信号在海水中的衰减较快，导致随着探测设备与海缆距离的变化，信号范围跨度非常大。线圈传感器更容易制作成高灵敏度的传感器，磁通门传感器更容易制作成量程大的传感器。本实施例中，选择灵敏度较高的线圈传感器对弱信号进行探测，选择量程较大的磁通门传感器对强信号进行探测。

两所述三轴传感器的Y轴均指向所述水下机器人的前进方向，所述前进方向由所述履带确定，履带可带动所述水下机器人沿某一方向前后移动，本实施例中，需要对移动方向进行特殊约定，因此以所述履带指向的方向中的一个为所述水下机器人的前进方向，另一个为后退方向；两所述三轴传感器的Z轴均垂直于所述履带；令两所述三轴磁传感器的各轴标准化，降低了数据处理的难度，并且能够对两所述三轴传感器和所述水下机器人的数据进行换算。

所述水下机器人上设置有陀螺仪，所述陀螺仪用于采集所述水下机器人的姿态信息，并根据所述姿态信息修正两所述三轴传感器的数据至标准值；所述水下机器人位于海底时，由于海底面不平整，导致两所述三轴传感器的各轴发生倾斜，需要将各轴采集的数据修正至标准状态。本发明各部分所指的采集的信号均经过修正。

根据以下步骤获取海缆路由坐标：

所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集的信号存在固定换算关系，该换算关系由两所述三轴传感器各参数以及安装位置确定；设置阈值β，当所述线圈传感器采集的信号强度低于β时，通过所述线圈传感器采集的信号换算得到当前位置磁通门传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述磁通门传感器采集的信号；当所述线圈传感器采集的信号强度高与β时，通过所述磁通门传感器采集的信号换算得到当前位置线圈传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述线圈传感器采集的信号；本实施例中，通过调整线圈传感器的线圈，提高其对弱信号探测的能力。线圈传感器无法检测直流场，能够避免地磁信号的干扰。磁通门传感器在目标信号较弱时，受到地磁信号干扰较大。因此，在目标信号较弱时，通过线圈传感器采集的磁信号对磁通门传感器采集的磁信号进行修正。线圈传感器在信号强度较高时难以保证测量的线性度，磁通门传感器对大信号测量的线性度更好，因此在信号强度较高时，通过磁通门传感器采集的磁信号对线圈传感器采集的磁信号进行修正。

在目标海域下放所述水下机器人，通过所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集海缆产生的磁信号；

根据所述磁信号判断所述水下机器人所属区域，在当前区域按照磁信号的变化规划水下机器人的移动路径，并根据所述移动路径移动所述水下机器人，直至靠近海缆；

通过所述水下机器人的坐标和所述水下机器人与海缆的位置关系计算得到海缆坐标。

在本实施例中，所述线圈传感器和所述磁通门传感器分别设置在所述水下机器人的前侧和后侧，并通过支架与所述水下机器人连接。两所述三轴传感器之间的距离越远，能够减小因器件测量精度和噪声产生的误差，越有利于对海缆的定位。并且将所述线圈传感器设置在移动方向的前侧，有助于使线圈传感器先达到信号饱和，有利于后续在无信号区和弱信号区的探测。

本实施例中，对两所述三轴传感器采集到的磁信号进行傅里叶变换，得到与海缆工频同频信号的幅值，将该幅值作为用于计算所述水下机器人与海缆的位置关系和规划所述水下机器人移动路径的磁信号。现有的技术方案中，通过传感器直接采集的磁信号的瞬时值进行相应的计算。缺点在于，由于海缆产生的信号是交变的，计算时需要考虑到信号的相位，两传感器采集的磁信号需要经过同步处理，保证用于计算的磁信号为同一时刻产生的。本发明通过对采集的磁信号进行傅里叶变换，得到与海缆工频(工作频率)相同的信号的幅值，根据该幅值进行计算，避免了相位的干扰。本发明各公式中所述磁信号均为经过傅里叶变换并筛选过的信号幅值。

实施例二

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，在实施例一的基础上，当所述水下机器人位于无信号区时，进行无信号区探测，通过所述无信号区探测使所述水下机器人进入弱信号区；无信号区为所述线圈传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；弱信号区为所述线圈传感器各轴均可采集到有效的磁信号，且所述磁通门传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；有效磁信号为采集的信号所包含的信息能够用于解析海缆位置；所述无信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人下降至特定高度，通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_x、ε_y和ε_z，得到磁信号的水平分量设置阈值ε_p0和ε_z0；

判断水平分量ε_p、垂直分量ε_z与阈值ε_p0、ε_z0的关系，根据判断结果执行以下操作：

P₁，若ε_z＜ε_z0，此时沿垂直方向对海缆路由进行探测，令所述水下机器人下降，直至ε_z＞ε_z0后，表示所述线圈传感器与海缆路由在垂直方向较为接近，此时，所述线圈传感器的Z轴能够采集到有效的磁信号，若ε_p＞ε_p0，则执行P₃，若ε_p＜ε_p0，则执行P₂，若直至所述水下机器人下降至海底，若仍不满足ε_z＞ε_z0，表示此时所述水下机器人相对于海缆距离较远，则收回所述水下机器人，调整下放位置，重新下放；

P₂，若ε_p＜ε_p0，且ε_z＞ε_z0，表示线圈传感器与海缆路由在垂直方向较为接近，则设定两条相互垂直的水平的搜索路径，参考图1，考虑到海缆埋藏深度较浅，要两条相互垂直的水平的搜索路径至少有一条与海缆路由相交，令所述水下机器人沿两所述搜索路径移动，直至ε_p＞ε_p0后，执行P₃；

P₃，若ε_p＞ε_p0，且ε_z＞ε_z0，则认为所述水下机器人进入弱信号区。

弱信号区探测是本实施例中海缆路由定位的起始步骤，弱信号区探测的目的在于将水下机器人从无法采集海缆路由产生信号的区域，引入能够采集的区域。现有的技术方案中没有对处于无信号区的水下机器人的移动方式进行设计。本实施例中，通过线圈传感器对弱信号的采集能力，在距离海缆较远的情况下，利用不完整的信号使所述水下机器人靠近海缆，提高了水下机器人位于无信号区对海缆的探测能力。使所述水下机器人快速靠近海缆。

实施例三

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，在实施例二的基础上，当所述水下机器人位于弱信号区时，进行弱信号区探测，通过所述弱信号区探测使所述水下机器人进入强信号区；强信号区为所述线圈传感器和所述磁通门传感器各轴均能采集到有效磁信号的区域；所述弱信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人降至海底；

通过所述线圈传感器的X轴和Y轴采集海缆产生的磁信号ε_1x和ε_1y，并计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，参考图3，公式如下：

根据所述夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由；

令所述水下机器人通过所述履带移动；

由于调整后只能确定履带的移动方向垂直与海缆路由，无法判断前进方向是靠近还是原理海缆路由，因此，移动过程中对所述线圈传感器采集到的磁信号进行监测，若移动过程中磁信号变弱，则旋转所述水下机器人的前进方向180°，并令所述水下机器人通过所述履带移动，若移动过程中磁信号未变弱，则继续通过所述履带移动；

直至所述磁通门传感器各轴均采集到有效的磁信号，认为所述水下机器人进入强信号区。

本实施例中，利用线圈传感器对弱信号的采集能力，利用单个传感器对海缆路由进行探测，并靠近海缆路由

实施例四

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，在实施例三的基础上，所述弱信号区探测还包括所述线圈传感器与海缆路由的距离测量，能够帮助操作人员判断所述水下机器人与海缆路由的距离，包括以下步骤：

令所述水下机器人沿垂直于所述海缆路由的方向移动一段距离，并通过所述线圈传感器的三轴采集移动前海缆产生的磁信号ε_3x、ε_3y和ε_3z，和移动后海缆产生的磁信号ε_4x、ε_4y和ε_4z；

计算移动前后所述线圈传感器采集的磁信号ε₃和ε₄，如下：

计算移动前后所述线圈传感器和所述海缆路由之间缩短的距离dr，如下：

其中，dy为所述水下机器人的移动距离；θ_3y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；为所述线圈传感器与海缆路由的俯角，/>由于海底平面存在起伏和障碍，所以，虽然水下机器人沿垂直于海缆路由的方向前进，任然难免发生一定的偏转。因此计算缩短的距离时应考虑水下机器人的俯角和与海缆的夹角。

计算得到所述线圈传感器移动前与海缆路由的距离r，如下：

所述弱信号区探测过程中，每隔时间T，以过去的时间T内产生的数据计算所述线圈传感器与海缆路由的距离。即以时间T为间隔更新水下机器人与海缆路由的距离，便于操作人员监测移动方向是否正确。由于探测设备相对于海缆路由的距离较探测设备各部分之间的结构的距离大得多，因此各结构与海缆路由的距离可看做近似。

在另一种具体的实施方式中，所述弱信号区探测还包括，所述水下机器人在通过所述履带移动过程中，每隔时间T₁，通过所述线圈传感器采集海缆产生的磁信号，计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，并根据夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由。在水下机器人靠近海缆路由的过程中，周期性的调整水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由，避免因海底平面的不平整，长时间移动后，偏离海缆路由。

实施例五

一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，在实施例三的基础上，当所述水下机器人位于强信号区时，进行强信号区探测，所述强信号区探测包括以下步骤：

通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_2x、ε_2y、ε_2z，通过所述磁通门传感器的三轴ε'_2x、ε'_2y和ε'_2z；

得到所述线圈传感器、所述磁通门传感器与海缆路由的俯角的正切值，如下：

其中，P、H分别为所述线圈传感器与海缆路由的水平距离、垂直距离；P'、H'分别为所述磁通门传感器与海缆路由的水平距离、垂直距离；

若则执行第一相对距离算法，否则，则执行第二相对距离算法；当时，两所述三轴磁传感器与海缆路由在同一直线上，需要通过不同的算法进行相对距离的计算；

参考图4，第一相对距离算法：

其中，L为所述线圈传感器与所述磁通门传感器之间的距离；θ_2y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；

第二相对距离算法：

参考图5，获取所述磁线圈传感器和所述磁通门传感器的在垂直方向上的高度差dh和水平方向上的距离差dp，如下：

dh＝Lsinθ_2ysinλ₂，

dp＝Lsinθ_2ycosλ₂，

其中，λ₂为所述水下机器人与水平面的夹角，由所述陀螺仪采集；

得到如下结果：

通过所述线圈传感器与海缆路由的相对距离能够得到海缆路由的准确坐标。

所述强信号区探测还包括：

通过定位技术获取当前所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)；

根据所述强信号区探测获得的数据和所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)，计算海缆路由在探测点k处的经纬度坐标(W_k,J_k)，公式如下：

W_k＝arcsin(sin(W₀)cos(P_k/R)+cos(W₀)sin(P_k/R)cosθ_2y)，

其中，P_k为所述水下机器人与海缆路由在探测点k处的水平距离，通过所述线圈传感器与探测点k处的水平距离换算得到，换算关系根据探测设备的具体结构和传感器的参数确定，所述线圈传感器与探测点k处的水平距离由相对距离算法得到，R为地球半径。

所述强信号区探测还包括：

通过所述线圈传感器采集海缆路由产生的信号，并计算所述线圈传感器与海缆路由的夹角，并根据该夹角保持所述水下机器人前进方向与海缆路由平行，并沿平行于海缆路由的方向移动；

每隔特定距离计算海缆路由的坐标。最终得到完整的海缆路由坐标。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，该坐标定位方法使用水下机器人作为平台，所述水下机器人底部设置有水平的履带，所述水下机器人上设置有两个三轴磁传感器，其特征在于，

两所述三轴磁传感器分别为线圈传感器和磁通门传感器，所述线圈传感器灵敏度高于所述磁通门传感器，所述磁通门传感器量程大于所述线圈传感器；两所述三轴传感器的Y轴均指向所述水下机器人的前进方向，所述前进方向由所述履带确定；两所述三轴传感器的Z轴均垂直于所述履带；

所述水下机器人上设置有陀螺仪，所述陀螺仪用于采集所述水下机器人的姿态信息，并根据所述姿态信息修正两所述三轴传感器的数据至标准值；

根据以下步骤获取海缆路由坐标：

所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集的信号存在固定换算关系；设置阈值β，当所述线圈传感器采集的信号强度低于β时，通过所述线圈传感器采集的信号换算得到当前位置磁通门传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述磁通门传感器采集的信号；当所述线圈传感器采集的信号强度高于β时，通过所述磁通门传感器采集的信号换算得到当前位置线圈传感器的预期信号，并根据该预期信号修正所述线圈传感器采集的信号；

在目标海域下放所述水下机器人，通过所述线圈传感器和所述磁通门传感器采集海缆产生的磁信号；根据所述磁信号计算所述水下机器人与海缆的位置关系；

根据所述磁信号判断所述水下机器人所属区域，在当前区域按照磁信号的变化规划所述水下机器人的移动路径，并根据所述移动路径移动所述水下机器人，直至靠近海缆；

通过所述水下机器人的坐标和所述水下机器人与海缆的位置关系计算得到海缆坐标；

所述线圈传感器和所述磁通门传感器分别设置在所述水下机器人的前侧和后侧，并通过支架与所述水下机器人连接；

对两所述三轴传感器采集到的磁信号进行傅里叶变换，得到与海缆工频同频信号的幅值，将该幅值作为用于计算所述水下机器人与海缆的位置关系和规划所述水下机器人移动路径的磁信号；

当所述水下机器人位于无信号区时，进行无信号区探测，通过所述无信号区探测使所述水下机器人进入弱信号区；无信号区为所述线圈传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；弱信号区为所述线圈传感器各轴均可采集到有效的磁信号，且所述磁通门传感器无法采集或仅在部分轴上能够采集到有效的磁信号的区域；所述无信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人下降至特定高度，通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_x、ε_y和ε_z，得到磁信号的水平分量设置阈值ε_p0和ε_z0，

判断水平分量ε_p、垂直分量ε_z与阈值ε_p0、ε_z0的关系，根据判断结果执行以下操作：

P₁，若ε_z＜ε_z0，则令所述水下机器人下降，直至ε_z＞ε_z0后，若ε_p＞ε_p0，则执行P₃，若ε_p＜ε_p0，则执行P₂，若直至所述水下机器人下降至海底，仍不满足ε_z＞ε_z0，则收回所述水下机器人，调整下放位置，重新下放；

P₂，若ε_p＜ε_p0，且ε_z＞ε_z0，则设定两条相互垂直的水平的搜索路径，令所述水下机器人沿两所述搜索路径移动，直至ε_p＞ε_p0后，执行P₃；

P₃，若ε_p＞ε_p0，且ε_z＞ε_z0，则认为所述水下机器人进入弱信号区；

当所述水下机器人位于弱信号区时，进行弱信号区探测，通过所述弱信号区探测使所述水下机器人进入强信号区；强信号区为所述线圈传感器和所述磁通门传感器各轴均能采集到有效磁信号的区域；所述弱信号区探测包括以下步骤：

令所述水下机器人降至海底；

通过所述线圈传感器的X轴和Y轴采集海缆产生的磁信号ε_1x和ε_1y，并计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，公式如下：

根据所述夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由；

令所述水下机器人通过所述履带移动；

移动过程中对所述线圈传感器采集到的磁信号进行监测，若移动过程中磁信号变弱，则旋转所述水下机器人的前进方向180°，并令所述水下机器人通过所述履带移动，若移动过程中磁信号未变弱，则继续通过所述履带移动；

直至所述磁通门传感器各轴均采集到有效的磁信号，认为所述水下机器人进入强信号区；

当所述水下机器人位于强信号区时，进行强信号区探测，所述强信号区探测包括以下步骤：

通过所述线圈传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε_2x、ε_2y、ε_2z，通过所述磁通门传感器的三轴采集海缆产生的磁信号ε'_2x、ε'_2y和ε'_2z；

得到所述线圈传感器、所述磁通门传感器与海缆路由的俯角的正切值，如下：

其中，

若则执行第一相对距离算法，否则，则执行第二相对距离算法；

第一相对距离算法：

其中，P、H分别为所述线圈传感器与海缆路由的水平距离、垂直距离；L为所述线圈传感器与所述磁通门传感器之间的距离；θ_2y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；

第二相对距离算法：

获取所述磁线圈传感器和所述磁通门传感器的在垂直方向上的高度差dh和水平方向上的距离差dp，如下：

dh＝Lsinθ_2y sinλ₂，

dp＝Lsinθ_2y cosλ₂，

其中，λ₂为所述水下机器人与水平面的夹角，由所述陀螺仪采集；

得到如下结果：

所述强信号区探测还包括：

通过定位技术获取当前所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)；

根据所述强信号区探测获得的数据和所述水下机器人的经纬度坐标(W₀,J₀)，计算海缆路由在探测点k处的经纬度坐标(W_k,J_k)，公式如下：

W_k＝arcsin(sin(W₀)cos(P_k/R)+cos(W₀)sin(P_k/R)cosθ_2y)，

其中，P_k为所述水下机器人与海缆路由在探测点k处的水平距离，通过所述线圈传感器与探测点k处的水平距离换算得到，R为地球半径。

2.根据权利要求1所述基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，其特征在于，所述弱信号区探测还包括所述线圈传感器与海缆路由的距离测量，包括以下步骤：

令所述水下机器人沿垂直于所述海缆路由的方向移动一段距离，并通过所述线圈传感器的三轴采集移动前海缆产生的磁信号ε_3x、ε_3y和ε_3z，和移动后海缆产生的磁信号ε_4x、ε_4y和ε_4z；

计算移动前后所述线圈传感器采集的磁信号ε₃和ε₄，如下：

计算移动前后所述线圈传感器和所述海缆路由之间缩短的距离dr，如下：

其中，dy为所述水下机器人的移动距离；θ_3y为所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角；为所述线圈传感器与海缆路由的俯角，/>

计算得到所述线圈传感器移动前与海缆路由的距离r，如下：

每隔时间T，以过去的时间T内产生的数据计算所述线圈传感器与海缆路由的距离。

3.根据权利要求1所述基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，其特征在于，所述弱信号区探测还包括，所述水下机器人在通过所述履带移动过程中，每隔时间T₁，通过所述线圈传感器采集海缆产生的磁信号，计算所述线圈传感器Y轴与海缆路由的夹角θ_y，并根据夹角θ_y调整所述水下机器人的前进方向至垂直于海缆路由。

4.根据权利要求1所述基于弱磁信号的海缆路由坐标定位方法，其特征在于，所述强信号区探测还包括：

通过所述线圈传感器采集海缆路由产生的信号，并计算所述线圈传感器与海缆路由的夹角，并根据该夹角保持所述水下机器人前进方向与海缆路由平行，并沿平行于海缆路由的方向移动；

每隔特定距离计算海缆路由的坐标。