CN117068336A - 一种基于rtk载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统 - Google Patents

一种基于rtk载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能航运、船舶吃水实时检测领域，特别涉及一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统。本发明方法包括：在船舶顶部或船艏楼处设置RTK基准站，并通过RTK基准站观测和接收卫星数据；在水面设置RTK移动站，并通过RTK移动站观测和接收卫星数据；利用RTK基准站和RTK移动站接收的卫星数据计算出RTK基准站和RTK移动站的坐标；利用RTK基准站和RTK移动站的的坐标计算船舶的吃水深度。本发明系统包括：RTK基准站、RTK移动站、数据处理装置和数据传输装置。本发明通过RTK移动站，配合船舶顶部安装的RTK基准站，对船舶吃水进行动态实时检测，以保障船舶航行安全。

Description

一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统
技术领域
本发明涉及智能航运、船舶吃水实时检测领域，特别涉及一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统。
背景技术
船舶吃水不仅取决于船舶和船载所有物品，如货物、压载物、燃料和备件的重量，而且还取决于船舶所处水的密度。船舶操纵性能因吃水变化而有明显的变化，船艏与船尾的吃水差直接影响螺旋桨和舵的入水深度，对船舶的操纵性、快速性和耐波性，进而影响船舶的安全。
目前已有的吃水深度检测方法，比如公开号为CN 105416524 A的中国发明申请公开了一种基于单波束侧扫技术的船舶吃水深度检测系统，该通过测得声纳换能器从水面下降到船底的位移，即可获得船舶的吃水深度，但是该系统需要将其固定安装在船舶停靠的岸边，比较受限；再比如公开号为CN 105644730 A的中国发明申请公开了一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统，该方法首先对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；接着采用能量收敛区间检测方法对每个波束计算出能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；然后根据估计的波束的起始门和终止门采用幅度时间加权算法，估算出每个波束中船体回波的到达时间；最后根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度。但该方法过程较为复杂、计算量大。
传统船舶吃水检测方法主要采用人工观测船舶的水尺标志的方式，受水波、天气等因素的影响产生的误差较大，并且船员爬水尺梯的时候存在安全隐患。因此，有必要对船舶吃水快速实时检测方法进行研究，实时掌握船舶的实际吃水情况，以避免船舶在通过浅险水道时发生事故。
发明内容
本发明的目的在于针对船舶航行过程中对吃水数据的实时需求，提出一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法及系统，能够实时检测船舶吃水，给船舶驾引人员提供数据支持，保障船舶安全和航行安全。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出了一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，所述方法包括：
在船舶顶部或船艏楼处设置RTK基准站，并通过RTK基准站接收至少三个卫星的数据；
在水面设置RTK移动站，并通过RTK移动站接收卫星数据；
利用RTK基准站和RTK移动站接收的卫星数据计算出RTK基准站和RTK移动站的坐标；
利用RTK基准站和RTK移动站的坐标计算船舶的吃水深度。
作为上述技术方案的改进之一，所述在水面设置RTK移动站，具体为：在船头处连接RTK移动站使RTK移动站漂浮在船头水面处。
作为上述技术方案的改进之一，RTK基准站接收的卫星数据包括：每个卫星的坐标和RTK基准站与每个卫星之间的距离；
RTK移动站接收的卫星数据包括：每个卫星的坐标和RTK移动站与每个卫星之间的距离。
作为上述技术方案的改进之一，利用RTK基准站和RTK移动站接收的卫星数据计算出RTK基准站或RTK移动站的坐标时，所用方程式均包括：
其中，ri是RTK基准站或RTK移动站到第i颗卫星的距离，i是卫星的索引号，i＝1,2,3；是第i颗卫星的位置；(xue,yue,zue)是RTK基准站或RTK移动站的位置，是要求解的未知量。
作为上述技术方案的改进之一，船舶的吃水深度hd的计算式为：
hd＝hs-ht-(Zb-Zm)
其中，hs为船舶的高度，ht为RTK基准站距离船舶顶部的距离，Zb为RTK基准站的高度坐标，Zm为RTK移动站的高度坐标。
本发明还提出了一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统，所述系统包括：RTK基准站、RTK移动站和数据处理装置；其中，
所述RTK基准站，设置于船舶顶部或船艏楼，用于接收卫星数据；
所述RTK移动站，设置于水面，用于接收卫星数据；
所述数据处理装置，用于利用RTK基准站和RTK移动站接收的卫星数据计算RTK基准站和RTK移动站的坐标，并利用RTK基准站和RTK移动站的高度坐标计算船舶的吃水深度。
作为上述技术方案的改进之一，所述RTK移动站包括：防水外壳、填充物、接收天线、接收机、主机固定架和重心调节物；其中，
所述填充物，用于填充RTK移动站，使RTK移动站漂浮在海面上；
所述接收天线，与接收机连接，固定于接收机上方，用于接收信号；
所述主机固定架，用于将接收机固定在RTK移动站中心；
所述重心调节物，固定于RTK移动站底部，用于使RTK移动站漂浮在海面上时，接收天线朝上。
作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括数据传输装置，用于将RTK基准站和RTK移动站接收的卫星数据传输到数据处理装置。
作为上述技术方案的改进之一，所述数据传输装置为无线电台。
本发明与现有技术相比优点在于：
本发明基于RTK载波相位差分提出了一种新的船舶吃水实时检测方法及系统，通过RTK移动站，配合船舶顶部安装的RTK基准站，对船舶吃水进行动态实时检测，以保障船舶航行安全。
附图说明
图1是本发明实施例的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统示意图；
图2是本发明的RTK移动站结构图；
图3是利用三个不同卫星进行定位的原理图。
附图标识
1、船舶 2、RTK基准站 3、无线电台
4、RTK移动站 5、防水外壳 6、接收天线
7、接收机 8、主机固定架 9、重心调节物
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，关键步骤包括：
步骤1.在船舶1顶部或船首楼安装一个RTK基准站2，无线电台放置在基准站2旁边；
步骤2.RTK移动站4外观是球体，外壳是聚乙烯等塑料材质的防水外壳，内部填充EPS等发泡材料来使移动站能够漂浮在海面上，球体里面固定着接收机7和接收天线6，接收机7通过主机固定架8固定在球体中央，球体底部固定有重心调节物9来保证漂浮在海面上的RTK移动站4的接收天线6朝上。
步骤3.由于船舶行驶过程中一般都是船艏下沉，因此在船艏附近连接1个RTK移动站，RTK移动站一直浮在水面上；
步骤4.位于船舶顶部或船首楼的RTK基准站观测和接收卫星数据；RTK基准站观测并接收的卫星数据包括：三个不同卫星的坐标和RTK基准站与每个卫星之间的距离；(使用的三个卫星的位置不共线)
步骤5.RTK基准站通过旁边的无线电台将观测数据实时发送给RTK移动站；
步骤6.RTK移动站收到基准站数据的同时，也观测和接收了卫星数据；RTK移动站观测并接收的卫星数据包括：三个不同卫星的坐标和RTK基准站与每个卫星之间的距离。
步骤7.RTK移动站在基准站数据和自身数据的基础上，根据相对定位原理，进行实时差分运算，从而解算出流动站的三维坐标及其精度，其定位精度可达1～2cm。具体过程包括：
根据知道的三颗卫星的坐标位置和RTK基准站或RTK移动站到它们的距离(如图3所示)，可以确定RTK基准站或RTK移动站一定位于相交的两点之一，然后再排除一点就可以确定RTK基准站或RTK移动站的坐标位置。其中，在确定RTK基准站或RTK移动站的坐标位置时，即求经纬高三个未知量时，需要解三个方程：
其中ri是RTK基准站或RTK移动站到卫星的距离，i是卫星的索引号，i＝1,2,3；是第i颗卫星的位置；(xue,yue,zue)是RTK基准站或RTK移动站的位置，是要求解的未知量。
步骤8.船舶的高度已知为hs；RTK基准站距离船舶顶部的距离已知为ht，(RTK基准站如果安装在船舶顶部则ht＝0，RTK基准站如果安装在船首楼则ht为一已知的定值)，经过实时差分运算得出船舶顶部或船首楼的RTK基准站高度坐标为Zb，RTK移动站的高度坐标为Zm；那么船舶的吃水深度为：
hd＝hs-ht-(Zb-Zm)。
实施例2
如图1所示，是本发明实施例的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统示意图。图2是本发明的RTK移动站结构图；
本发明实施例2的系统包括：RTK基准站2、RTK移动站4、数据处理装置和数据传输装置3；其中，
RTK基准站2，设置于船舶1顶部或船首楼，用于观测并接收卫星数据；
RTK移动站4，设置于水面，用于观测并接收卫星数据；
数据处理装置，用于利用RTK基准站2和RTK移动站4接收的卫星数据计算RTK基准站2和RTK移动站4的坐标，并利用RTK基准站2和RTK移动站4的高度坐标计算船舶1的吃水深度。
数据传输装置3，用于将RTK基准站2和RTK移动站4接收的卫星数据传输到数据处理装置；
本实施例中，数据传输装置3为无线电台。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，所述方法包括：
在船舶(1)顶部或船艏楼处设置RTK基准站(2)，并通过RTK基准站(2)接收至少三个卫星的数据；
在水面设置RTK移动站(4)，并通过RTK移动站(4)接收卫星数据；
利用RTK基准站(2)和RTK移动站(4)接收的卫星数据计算出RTK基准站(2)和RTK移动站(4)的坐标；
利用RTK基准站(2)和RTK移动站(4)的坐标计算船舶(1)的吃水深度。
2.根据权利要求1所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，其特征在于，所述在水面设置RTK移动站(4)，具体为：在船头处连接RTK移动站(4)使RTK移动站(4)漂浮在船头水面处。
3.根据权利要求1所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，其特征在于，RTK基准站(2)接收的卫星数据包括：每个卫星的坐标和RTK基准站(2)与每个卫星之间的距离；
RTK移动站(4)接收的卫星数据包括：每个卫星的坐标和RTK移动站(4)与每个卫星之间的距离。
4.根据权利要求3所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，其特征在于，利用RTK基准站(2)和RTK移动站(4)接收的卫星数据计算出RTK基准站(2)或RTK移动站(4)的坐标时，所用方程式均包括：
其中，ri是RTK基准站(2)或RTK移动站(4)到第i颗卫星的距离，i是卫星的索引号，i＝1,2,3；是第i颗卫星的位置；(xue,yue,zue)是RTK基准站(2)或RTK移动站(4)的位置，是要求解的未知量。
5.根据权利要求4所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测方法，其特征在于，船舶(1)的吃水深度hd的计算式为：
hd＝hs-ht-(Zb-Zm)
其中，hs为船舶(1)的高度，ht为RTK基准站(2)距离船舶顶部的距离，Zb为RTK基准站(2)的高度坐标，Zm为RTK移动站(4)的高度坐标。
6.一种基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统，其特征在于，所述系统包括：RTK基准站(2)、RTK移动站(4)和数据处理装置；其中，
所述RTK基准站(2)，设置于船舶(1)顶部或船艏楼，用于接收卫星数据；
所述RTK移动站(4)，设置于水面，用于接收卫星数据；
所述数据处理装置，用于利用RTK基准站(2)和RTK移动站(4)接收的卫星数据计算RTK基准站(2)和RTK移动站(4)的坐标，并利用RTK基准站(2)和RTK移动站(4)的高度坐标计算船舶(1)的吃水深度。
7.根据权利要求6所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统，其特征在于，所述RTK移动站(4)包括：防水外壳(5)、填充物、接收天线(6)、接收机(7)、主机固定架(8)和重心调节物(9)；其中，
所述填充物，用于填充RTK移动站(4)，使RTK移动站(4)漂浮在海面上；
所述接收天线(6)，与接收机(7)连接，固定于接收机(7)上方，用于接收信号；
所述主机固定架(8)，用于将接收机(7)固定在RTK移动站(4)中心；
所述重心调节物(9)，固定于RTK移动站(4)底部，用于使RTK移动站(4)漂浮在海面上时，接收天线(6)朝上。
8.根据权利要求6所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统，其特征在于，所述系统还包括数据传输装置(3)，用于将RTK基准站(2)和RTK移动站(4)接收的卫星数据传输到数据处理装置。
9.根据权利要求8所述的基于RTK载波相位差分的船舶吃水实时检测系统，其特征在于，所述数据传输装置(3)为无线电台。
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