CN114705114B - 一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端 - Google Patents

一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于位置测量技术领域，公开了一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端，搭建时谐偶极子模拟源；设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹和电场测量装置的输出；根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；以模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定步骤，确认电场测量装置所在的另一条直线；将两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。本发明定位精度高，实验室测试验证定位精度可达0.1m；方法简单、易操作、定位速度快，抗干扰能力强，设置不同的信号频率和源强度。

Description

一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端
技术领域
本发明属于位置测量技术领域，尤其涉及一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端。
背景技术
目前，无论是利用船舶电场对目标探测定位，对船舶电场进行测量评估，还是民用上资源勘探、环境信息采集，都需要准确掌握电场测量装置在水中的位置。如何准确、快速、方便地对水下测量装置进行定位一直是个较大的难题，目前对水下装置的定位方法主要有：惯导、声定位和磁定位等，水下惯导实现相对容易，但定位精度相对较差；声定位又分为超短基线、短基线和长基线三种，前两种系统简单操作容易，但定位绝对精度受到外围设备罗经、姿态传感器的影响，且深水测量要达到高精度基线一般需要大于40m，测量前还需严格校准；磁定位技术，主要是对磁传感器进行定位，在一定条件下可实现0.2m的定位精度，其缺点是定位精度易受地磁异常等干扰。因此，亟需设计一种新的电场测量装置定位方法及系统，以弥补现有技术的缺陷。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前水下电场测量装置定位手段缺乏，定位精度易受地磁异常等干扰，传统定位方式精度不高。
解决以上问题及缺陷的难度为：
若额外增加水声定位设备或磁场定位装置，一方面会增加水下测量系统的功耗，另一方面会增加系统成本。而利用电场测量装置本身的电场信号进行定位可以同时解决功耗和成本问题，而其难度在于电场测量装置的输出信号为电场信号，并不能直接输出位置信息，无法直接实现测量装置定位。
解决以上问题及缺陷的意义为：
为水下电场测量装置定位提供了新的技术途径，利用测量系统本身的传感器和信号输出，不增加系统的功耗和成本负担。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端，尤其涉及一种基于模拟源电场分布的电场测量装置定位方法、系统、设备及终端，旨在解决目前水下电场测量装置定位手段缺乏，传统定位方式精度不高的问题。
本发明是这样实现的，一种电场测量装置定位方法，所述电场测量装置定位方法包括：
利用标准信号源的电场分布特性和电场测量装置的信号输出，实现电场测量装置定位；其中，所述标准信号源为时谐电偶极子。
进一步，所述电场测量装置定位方法包括以下步骤：
步骤一，搭建时谐偶极子模拟源；
步骤二，设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；
步骤三，根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
步骤四，以步骤三中模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复步骤三，确认电场测量装置所在的另一条直线；
步骤五，将步骤三和步骤四中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
进一步，所述步骤一中的时谐偶极子模拟源由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行。
进一步，所述步骤一中的时谐偶极子模拟源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹。
进一步，所述步骤四中，由电场测量装置的电场输出得到出现步骤三中所描述特征值的时刻t1，确认电场测量装置所在的另一条直线。
进一步，所述步骤四中，新航迹与旧航迹的交点尽量靠近t0时刻对应的点。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的电场测量装置定位方法的电场测量装置定位系统，所述电场测量装置定位系统包括：
模拟源搭建模块，用于搭建时谐偶极子模拟源，并将所述时谐偶极子模拟源由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行；
运动轨迹确定模块，用于设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹和电场测量装置的输出；
最大值位置确定模块，用于根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
直线确定模块，用于以模拟源的航迹为参考，选择与之正交的航迹，重复最大值位置确定模块，确认电场测量装置所在的另一条直线；
电场测量装置定位模块，用于将最大值位置确定模块直线确定模块中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
搭建时谐偶极子模拟源；设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；以模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定步骤，确认电场测量装置所在的另一条直线；将两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
搭建时谐偶极子模拟源；设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；以模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定步骤，确认电场测量装置所在的另一条直线；将两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的电场测量装置定位系统。
本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的电场测量装置定位方法，具体涉及利用标准源电场分布的电场测量装置定位方法，以电场测量装置本身的信号输出作为定位依据，不需要在测量装置上加装额外的设备；其原理是利用时谐电偶极子的电场分布特性，结合电场测量装置的输出实现电场测量装置定位。
本发明提供一种电场测量装置的定位方法，利用标准信号源，结合标准信号源的分布规律和电场测量装置的信号输出，解决目前水下电场测量装置定位手段缺乏，传统定位方式精度不高的问题。
本发明所需设备为电场测量通用设备，不需要额外增加设备，利用测量标准源电场信号，结合电场测量装置输出，就能有效解决对水下电场传感器的定位问题，此定位方法操作简便，定位快速，且定位精度高，实验室验证定位精度可达0.1m，且采用可设定频率时谐标准源对测量装置定位抗环境噪声干扰能力强，不受测量区域环境限制，可广泛应用于船舶电场测量评估、水下定位、地质勘探等领域。同时，本发明还具有以下优点及积极效果：
1.定位精度高，实验室测试验证定位精度可达0.1m；
2.方法简单、易操作、定位速度快，系统核心为模拟源和电场测量装置本身，模拟源可搭载于快艇、USV等各类航行工具之上；
3.抗干扰能力强，模拟源可根据环境和电场测量装置的不同深度，设置不同的信号频率和源强度；
4.较发明专利一种电场测量装置的定位方法(ZL 201910320072.7)，其优点在于：专利中采用卡尔曼滤波进行估计，其准确度依赖于获取测量装置初值位置的准确度，本方法不需要测量装置的初始位置；专利中涉及电场模型和卡尔曼滤波计算需要相应的计算软件，本发明只需实时观察电场测量装置的输出，记录特征时刻即可完成，系统更简单，操作更容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的电场测量装置定位方法流程图。
图2是本发明实施例提供的电场测量装置定位系统结构框图；
图3是本发明实施例提供的电场测量装置输出示意图。其中，图3(a)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图一；图3(b)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图二；图3(c)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图三。
图4是本发明实施例提供的确认电场测量装置所在直线示意图。
图5是本发明实施例提供的确认另一条电场测量装置所在直线示意图。
图6是本发明实施例提供的实验过程示意图。
图7是本发明实施例提供的某一航次的电场测量系统两分量输出图。其中，图7(a)实测测量输出的电场Ex分量；图7(b)实测测量输出的电场Ex分量。
图8是本发明实施例提供的确定测量系统图。
图9是本发明实施例提供的使模拟源沿图6所示的y方向运动，可得量装置所处y轴位置为34.2cm图。
图中：1、模拟源搭建模块；2、运动轨迹确定模块；3、最大值位置确定模块；4、直线确定模块；5、电场测量装置定位模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电场测量装置定位方法、系统、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的电场测量装置定位方法包括以下步骤：
S101，搭建时谐偶极子模拟源；
S102，设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；
S103，根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
S104，以S103中模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交的航迹，重复S103，确认电场测量装置所在的另一条直线；
S105，将S103和S104中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
如图2所示，本发明实施例提供的电场测量装置定位系统包括：
模拟源搭建模块1，用于搭建时谐偶极子模拟源，并将所述时谐偶极子模拟源由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行；
运动轨迹确定模块2，用于设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹和电场测量装置的输出；
最大值位置确定模块3，用于根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
直线确定模块4，用于以模拟源的航迹为参考，选择与之正交的航迹，重复最大值位置确定模块，确认电场测量装置所在的另一条直线；
电场测量装置定位模块5，用于将最大值位置确定模块直线确定模块中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明以电场测量装置本身的信号输出作为定位依据，不需要在测量装置上加装额外的设备。其原理是利用时谐电偶极子的电场分布特性，结合电场测量装置的输出实现电场测量装置定位。
本发明提供一种电场测量装置的定位方法，本发明利用标准信号源，结合标准信号源的分布规律和电场测量装置的信号输出，解决目前水下电场测量装置定位手段缺乏，传统定位方式精度不高的问题。
为实现此目的，本发明所设计的电场测量装置的定位方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：搭建时谐偶极子模拟源，并由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行，所述时谐偶极子模拟源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹。
步骤2：设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出，时谐偶极子通过电场测量装置后，电场测量装置的输出如图3所示。其中，图3(a)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图一；图3(b)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图二；图3(c)电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置示意图三。
步骤3：根据图3所示电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点，对应的时刻，如图3中的t0＝100s处，对照模拟源源航迹t0处的经纬度，便能确定电场测量装置就在通过航迹t0时刻位置与航迹相垂直的直线上，如图4所示。
步骤4：以步骤3中模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交的航迹(不正交也不影响定位结果，新航迹与旧航迹的交点尽量靠近t0时刻对应的点，如此可提高信噪比)，重复步骤3，由电场测量装置的电场输出得到出现步骤3中所描述特征值的时刻t1，便能确认电场测量装置所在的另一条直线，如图5所示。
步骤5：步骤3、步骤4中两条电场测量装置所在的直线即为电场测量装置的准确位置。
本发明所需设备为电场测量通用设备，不需要额外增加设备，利用测量标准源电场信号，结合电场测量装置输出，就能有效解决对水下电场传感器的定位问题，此定位方法操作简便，定位快速，且定位精度高，实验室验证定位精度可达0.1m，且采用可设定频率时谐标准源对测量装置定位抗环境噪声干扰能力强，不受测量区域环境限制，可广泛应用于船舶电场测量评估、水下定位、地质勘探等领域。
结合上述实施例记载的技术方案，本发明的优点及积极效果为：定位精度高，实验室测试验证定位精度可达0.1m；方法简单、易操作、定位速度快，系统核心为模拟源和电场测量装置本身，模拟源可搭载于快艇、USV等各类航行工具之上；抗干扰能力强，模拟源可根据环境和电场测量装置的不同深度，设置不同的信号频率和源强度；较发明专利一种电场测量装置的定位方法(ZL201910320072.7)，其优点在于：专利中采用卡尔曼滤波进行估计，其准确度依赖于获取测量装置初值位置的准确度，本方法不需要测量装置的初始位置；专利中涉及电场模型和卡尔曼滤波计算需要相应的计算软件，本发明只需实时观察电场测量装置的输出，记录特征时刻即可完成，系统更简单，操作更容易。
下面结合具体实验对本发明的技术方案作进一步描述。
为验证方法的有效性，开展了水池试验，试验中采用两分量的电场测量装置布设与水池底部待定位的电场测量系统，模拟源的发射电极由位于水池上方的横梁带动沿水池中线运动，运动过程中利用电场信号采集设备和电脑记录观测电场测量系统的信号输出。实验过程示意图和现场照片如图6所示。
定义，模拟源运动方向为x轴方向，运动起点为坐标原点，某一航次的电场测量系统两分量输出如图7所示。其中，图7(a)实测测量输出的电场Ex分量图7(b)实测测量输出的电场Ex分量。
由通过特性可知，模拟源在时刻32s通过测量系统，结合行车速度为5.7cm/s，可知测量装置所处x轴位置为182.4cm，因此可以确定测量系统在图8所示的中间横线上。
同理，使模拟源沿图6所示的y方向运动，可得量装置所处y轴位置为34.2cm，如图9所示。
于是可以得到，测量装置在图6所示坐标中的位置为(182.4,34,2)cm，而测量装置的真实位置为(181.7,30)cm，二者之间距离误差为4.3cm。
在上述实施例中，表明本发明可有效实现水下测量装置的精确定位。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电场测量装置定位方法，其特征在于，所述电场测量装置定位方法包括：利用标准信号源的电场分布特性和电场测量装置的信号输出，进行电场测量装置定位；所述标准信号源为时谐电偶极子；
所述电场测量装置定位方法包括以下步骤：
步骤一，搭建时谐偶极子模拟源；
步骤二，设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；
步骤三，根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
步骤四，以步骤三中模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交的航迹，重复步骤三，确认电场测量装置所在的另一条直线；
步骤五，将步骤三和步骤四中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
2.如权利要求1所述电场测量装置定位方法，其特征在于，所述步骤一中的时谐偶极子模拟源由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行。
3.如权利要求1所述电场测量装置定位方法，其特征在于，所述步骤一中的时谐偶极子模拟源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹。
4.如权利要求1所述电场测量装置定位方法，其特征在于，所述步骤四中，由电场测量装置的电场输出得到出现步骤三中所描述特征值的时刻t1，确认电场测量装置所在的另一条直线。
5.如权利要求1所述电场测量装置定位方法，其特征在于，所述步骤四中，新航迹与旧航迹的交点尽量靠近t0时刻对应的点。
6.一种应用如权利要求1～5任意一项所述电场测量装置定位方法的电场测量装置定位系统，其特征在于，所述电场测量装置定位系统包括：
模拟源搭建模块，用于搭建时谐偶极子模拟源，并将所述时谐偶极子模拟源由具有航迹记录功能的快艇或其他水面交通工具拖行；
运动轨迹确定模块，用于设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹和电场测量装置的输出；
最大值位置确定模块，用于根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；
直线确定模块，用于以模拟源的航迹为参考，选择与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定模块，确认电场测量装置所在的另一条直线；
电场测量装置定位模块，用于将最大值位置确定模块直线确定模块中两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
搭建时谐偶极子模拟源；设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；以模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定步骤，确认电场测量装置所在的另一条直线；将两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
搭建时谐偶极子模拟源；设定时谐偶极子模拟源的输出频率及电流，快速通过电场测量装置的布置区域，记录时谐偶极子的运动轨迹，并观察电场测量装置的输出；根据电场测量装置的输出，找到水平x分量出现最大值位置，或者y、z分量最大值之间的过零点对应的时刻；以模拟源的航迹为参考，选择一条与之正交或大角度相交的航迹，重复最大值位置确定步骤，确认电场测量装置所在的另一条直线；将两条电场测量装置所在的直线确定为电场测量装置的准确位置。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求6所述电场测量装置定位系统的功能。
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