CN207780253U - 一种单浮标拖缆形态监测的水下gps系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，包括监测拖缆、GPS智能浮标、GPS天线、无线信号传输设备、监测传感器、计算分析终端；GPS智能浮标为柱式轻质结构，安装有GPS天线、无线信号传输设备等电子仪器；监测拖缆分别连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，监测拖缆上布置有监测传感器；监测传感器可以实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角、旋转角度信息；计算分析终端为安装有计算分析软件的PC终端，能根据监测拖缆形态计算水下目标与GPS智能浮标相对位置，结合GPS智能浮标的GPS坐标最终计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。本实用新型能够在复杂的海洋环境中确保理论计算的准确性。
Description
技术领域
本实用新型涉及水下GPS系统的技术领域，特别是指一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统。
背景技术
GPS定位技术广泛用于海上、陆上、空中各种运动载体的高精度导航定位。由于无线电信号不能在水中传播，潜艇、水下机器人和其他水下航行体在水下导航定位主要利用惯性导航系统。惯性导航系统主要缺点是定位误差随时间积累。借助水声定位等技术得到水下目标与水面GPS天线相对位置，从而将GPS水面定位向水下延伸的技术，称为水下GPS技术。
目前水下GPS应用系统从工作原理上分主要有两种：GPS浮标网络的长基线水下定位系统和单个GPS浮标的水下相对定位系统。GPS浮标的作用是获取浮标点处的GPS坐标。系统工作时一般通过水声定位方式得到水下待定位目标与水上GPS浮标的相对位置，再结合各浮标点处的GPS坐标计算水下目标的大地坐标位置。
GPS浮标网络的长基线水下定位系统，其在应用时要事先在跟踪水域范围布设3至4个GPS浮标，并安排水面船舶在附近保障测试任务，因此不仅作业区域有限，且工序繁琐，成本高。单个GPS浮标的水下相对定位系统采用水下目标拖曳单个GPS浮标的方式，突破了作业区域的限制，能在大范围海域对水下目标进行跟踪定位。这种系统中水下目标与GPS浮标间相对位置的获取有两种方法。一种是在GPS浮标和水下目标上分别装载超短基线阵和水声换能器进行水声定位，该方法目前主要用于对定位精度不是很高的情况(如水下潜艇的自身定位)。另一种是根据水动力参数等信息计算拖缆形态并得到水下目标位置。此方法不需要水声设备配合定位，成本低，但只有在水下目标稳定航行时才能有效定位，且由于复杂的海洋环境，并下不能保证理论计算的准确性。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，为了解决现有技术中在复杂的海洋环境中不能确保理论计算准确性的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，包括GPS天线、GPS智能浮标、监测拖缆、监测传感器和计算分析终端；
所述GPS天线固定在GPS智能浮标位于水面以上的部位，用于接收GPS卫星信号进行定位；
所述GPS智能浮标为柱式轻质结构，用于产生正浮力，直立地漂浮在水面；所述GPS智能浮标内部安装有电子设备；
所述监测拖缆用于连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，为GPS智能浮标与水下航行目标提供拖曳力以及信号和电力传输；所述监测拖缆上布置有监测传感器；
所述监测传感器布置有多套，包含深度传感器、倾角传感器和电子三维罗盘，用于实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角和旋转角度；
所述监测传感器通过连接缆线进行各安装单元的信号传输，包括安装点位处的深度、倾角和旋转角度，并将信号传输到计算分析终端；
所述计算分析终端用于根据所述监测传感器采集的深度、倾角和旋转角度计算水下航行目标与GPS智能浮标的相对位置，再结合GPS智能浮标的GPS坐标，计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。
其中，所述监测拖缆选取时需满足以下要求：
(1)监测拖缆在轴线方向的截面抗拉伸刚度要求大于1×104N/m2，即在1N大小的拉力作用下，监测拖缆每米长度产生的轴向伸长小于0.1mm；
(2)监测拖缆在径向具有一定的抗压缩变形能力，受到碰撞、挤压和弯曲作用情况下径向不产生大的变形；
(3)监测拖缆在使用全过程中受到最大拉力情况下产生的蠕变需小于2％。
优选地，所述监测拖缆采用双螺旋铠装钢丝加强结构形式。
其中，所述监测传感器的具体安装布置要求如下：
(1)监测传感器中的深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘、电路板和连接缆线组成一套，作为监测传感器基本安装单元；
(2)每个监测传感器基本安装单元中的传感器、电路板和连接缆线以相同的封装形式固定并硫化成型；
(3)监测传感器在监测拖缆上的布置数量为8套至30套；根据水下航行目标定位精度的要求和监测拖缆长度选取具体布置数量，要求的精度越高，布置数量越多；
(4)监测传感器在监测拖缆上的布置间距为0.3m至2m，根据监测拖缆不同部位预测的变形大小确定具体的布置间距；监测拖缆变形越大，布置间距越小。
优选地，所述深度传感器选取为测量静水压强的小型压力传感器，要求压力测量允许误差优于±0.2％ FS，且具有良好的动静态特性；所述倾角传感器选取要求体积小，便于封装在监测拖缆上，且在三轴方向倾角测量最大允许误差优于±0.2°；所述电子三维罗盘选取要求具有三轴加速度补偿，罗盘在平放、侧力、倒置的姿态下均可测量磁北方位，航向测量最大允许误差优于±0.3°。
进一步地，所述监测传感器的安装方式分为固化式和分离式；所述固化式安装方式为在监测传感器封装时，将监测传感器的整个安装单元与监测拖缆硫化为一个整体；所述分离式安装方式为监测传感器在封装完成后，通过夹具将监测传感器安装单元夹持并固定在监测拖缆上。
本实用新型的有益效果为：本实用新型实施例提供了一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，包括GPS天线、GPS智能浮标、监测拖缆、监测传感器和计算分析终端；所述GPS智能浮标为柱式轻质结构，安装有GPS天线、无线信号传输设备等电子仪器；所述监测拖缆分别连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，监测拖缆上布置有监测传感器；所述监测传感器在监测拖缆上安装布置有多套，每套包含深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘，可以实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角、旋转角度信息；所述计算分析终端为安装有计算分析软件的PC终端，能根据监测拖缆形态计算水下目标与GPS智能浮标相对位置，结合GPS智能浮标的GPS坐标最终计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。本实用新型能够在复杂的海洋环境中确保理论计算的准确性。本实用新型具有以下优点：
1.本实用新型只采用单个GPS浮标，仅配置GPS天线和电子三维罗盘等简易设备，采用对拖缆形态监测的方法，结合GPS浮标实时计算拖缆与水下目标连接端的坐标。由于浮标上无需声学发射和接受装置，与目前的多GPS浮标声学定位方法相比，简化了系统构成，大幅降低了制造和使用成本。
2.本实用新型无需大范围布置多个GPS浮标，因此使用前的布放过程更加简便快捷，；使用中对电子罗盘等仪器的保障支持需要的资源更少，降低了系统维护成本。
3.本实用新型使用运行过程中整个系统跟随水下航行目标运动，可突破水域的限制，使用范围大。
4.本实用新型使用监测拖缆获取水下目标物与水面浮标的相对位置，无声学定位部分，在复杂的水声环境下仍具有良好的使用性能，且受温湿度、天气、水域环境等因素影响小，抗干扰力强。
5.本实用新型在进行水下使用前，可在陆上对系统进行数据校准，验证和修正系统测试精度，保证坐标定位的准确性。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统原理框图；
图2是本实用新型实施例提供的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统实物布置图。
图中：1-监测拖缆；2-GPS智能浮标；3-GPS天线；4-无线信号传输设备；5-深度传感器；6-倾角传感器；7-三维电子罗盘；8-水下航行目标；9-计算分析终端。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
参见图1，本实用新型实施例提供了一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，包含GPS天线、GPS智能浮标、监测拖缆、监测传感器和计算分析终端。
GPS天线固定在GPS智能浮标位于水面以上的部位，作用为接收GPS卫星信号进行定位。
GPS智能浮标为柱式轻质结构，能够在承受GPS天线和内部电子设备的重力及监测拖缆的拖曳力情况下仍产生正浮力，直立状态地漂浮在水面。电子设备安装在GPS智能浮标内部，包括接线盒、天线盒、无线调制解调器等硬件，其中天线盒和无线调制解调器为可选硬件。
监测拖缆分别连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，作为GPS智能浮标与水下目标的物理连接提供拖曳力，使GPS智能浮标跟随水下航行目标在水域中航行；并为GPS智能浮标和水下航行目标提供信号和电力传输连接；监测拖缆上布置有监测传感器。
监测传感器在监测拖缆上安装布置有多套，每套包含深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘，可以实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角、旋转角度信息。
监测传感器通过连接缆线进行各安装单元的信号传输，包括安装点位处的深度、倾角、转角，最终将信号传输到计算分析终端。
计算分析终端为安装有计算分析软件的PC终端。计算分析终端根据传感器采集的深度、倾角、转角数据计算水下目标与GPS智能浮标的相对位置，再结合GPS智能浮标的GPS坐标，计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。
如图1所示，本实用新型包括一条直径3cm～8cm具有良好力学性能的监测拖缆1，监测拖缆1一端连接GPS智能浮标2，GPS智能浮标2上安装有GPS天线3和无线信号传输设备4，监测拖缆1上布置有多套压力传感器5、倾角传感器6、三维电子罗盘7，监测拖缆1另一端连接水下航行目标8，水下航行目标8上设置计算分析终端9。
本实用新型实施例中，GPS智能浮标2主体为细长柱形轻质结构，内部安装数据GPS接收机、数据采集设备和电池等，下方添加配重使整个浮标重心下移至距离底部1/3长度内。
本实用新型实施例中，监测线缆需要满足以下要求：(1)监测拖缆在轴线方向有足够的截面抗拉刚度，使其在自身重力和拖曳力的作用下具有一定抵抗轴向变形的能力。监测拖缆的截面抗拉伸刚度要求大于1×104N/m2，即在1N大小的拉力作用下，监测拖缆每米长度产生的轴向伸长小于0.1mm。另外为满足水下航行目标的定位精度，根据监测拖缆自身重量和水下航行目标产生的拖曳力大小，调整截面抗拉伸刚度大小。水下航行目标定位精度要求越高，截面抗拉伸刚度要求越大；监测拖缆自身重量和水下航行目标产生的拖曳力越大，截面抗拉伸刚度要求越大。(2)监测拖缆在径向的抗压缩变形能力强，受到碰撞、挤压和弯曲作用情况下径向不产生大的变形。(3)监测拖缆在长时间使用情况下产生的蠕变小。根据水下航行目标的定位精度要求，监测拖缆在使用全过程中受到最大拉力情况下产生的蠕变需小于2％，精度要求越高，要求产生蠕变越小。
当要求的监测拖缆截面抗拉伸刚度较大时，监测拖缆可以采用双螺旋铠装钢丝加强结构形式。
本实用新型实施例中，监测传感器在监测拖缆上安装布置10套，每套包含深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘，加上电路板和相关连接缆线组成一套，作为基本安装单元，可以实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角、旋转角度信息。监测传感器的具体安装布置形式如下：
(1)每个监测传感器安装单元中的传感器、电路板和连接缆线以相同的封装形式固定并硫化成型。
(2)所述深度传感器为测量静水压强的小型压力传感器，要求压力测量允许误差优于±0.2％FS，且具有良好的动静态特性。
(3)所述倾角传感器要求体积小，便于封装在监测拖缆上，且在三轴方向倾角测量最大允许误差优于±0.2°。
(4)所述电子三维罗盘要求具有三轴加速度补偿，罗盘在平放、侧力、倒置的姿态下均可测量磁北方位，航向测量最大允许误差优于±0.3°。
(5)监测传感器在监测拖缆上的布置数量为8套至30套；根据水下航行目标定位精度的要求和监测拖缆长度选取具体布置数量，要求的精度越高，布置数量越多。
(6)监测传感器在监测拖缆上的布置间距为0.3m至2m。根据监测拖缆不同部位预测的变形大小确定具体的布置间距；监测拖缆变形越大，布置间距越小。
由于以上特点，本实用新型在监测拖缆变形较大且变形情况较难预测时，传感器的布置可能无法满足水下目标定位精度的要求，但当水下目标具有一定航行速度，这时监测拖缆形态简单，容易预计其基本形态，本实用新型具有较好的应用效果。
本实用新型实施例中，深度传感器5的型号为HM91-H1-3，根据水深选用不同量程范围压力传感器，越靠近水面选用量程范围越小。深度传感器5为动态压力传感器，根据监测拖缆1的直径具体定制传感器尺寸。
本实用新型实施例中，倾角传感器6和三维电子罗盘7采用合成封装形式的TCM5型三维电子罗盘，包含倾角和航向测量两种功能，3.6～5V供电，数据更新率20Hz，RS232通信，重量12g，尺寸35mm*43mm*13mm，使用三轴加速度计对大范围内的倾角进行航向补偿。倾角传感器6为三轴倾角传感器，三维电子罗盘7输出的方位是罗盘指北轴线在水平面的投影和地磁北线在地面投影的夹角。
本实用新型实施例中，监测传感器的安装方式分两种：固化式和分离式。固化式安装方式为在监测传感器封装时，将监测传感器的整个安装单元与监测拖缆硫化为一个整体。分离式安装方式为监测传感器在封装完成后，通过夹具将监测传感器安装单元夹持并固定在监测拖缆上。
本实用新型实施例中，计算分析终端9设置在水下航行目标8上，当水下航行目标8为ROV等小型目标无法安装计算分析终端9时，则在ROV的水面支持船只安装计算分析终端9，利用无线信号传输设备4获取GPS智能浮标2采集的数据信息。
本实用新型工作时，工作原理如下：
首先在陆上将系统组装完成后进行系统调试和监测传感器标定，然后在使用水域中布置系统(图2)。布置完成后，GPS天线3和GPS智能浮标内的GPS接收机实时接收卫星信号，得到水面GPS智能浮标的GPS坐标。压力传感器5、倾角传感器6、三维电子罗盘7由GPS智能浮标2内的电池通过监测拖缆1供电，并监测监测拖缆1的深度、倾角和航向数据。当计算分析终端9位于水下航行目标8中时，监测拖缆1将这些数据和GPS坐标传送给水下航行目标8，再交由计算分析终端9处理；当计算分析终端9位于水面支持船只时，监测拖缆1将监测数据和GPS坐标传送到GPS智能浮标2内的数据采集设备，然后由无线信号传输设备4发送到计算分析终端9。计算分析终端9根据监测传感器监测数据计算得到水下航行目标8与GPS智能浮标2的相对位置，再结合GPS智能浮标2的GPS坐标计算得到水下航行目标8的GPS坐标。
本实用新型实施例提供了一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，包括GPS天线、GPS智能浮标、监测拖缆、监测传感器和计算分析终端；所述GPS智能浮标为柱式轻质结构，安装有GPS天线、无线信号传输设备等电子仪器；所述监测拖缆分别连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，监测拖缆上布置有监测传感器；所述监测传感器在监测拖缆上安装布置有多套，每套包含深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘，可以实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角、旋转角度信息；所述计算分析终端为安装有计算分析软件的PC终端，能根据监测拖缆形态计算水下目标与GPS智能浮标相对位置，结合GPS智能浮标的GPS坐标最终计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。本实用新型能够在复杂的海洋环境中确保理论计算的准确性。本实用新型具有以下优点：
1.本实用新型只采用单个GPS浮标，仅配置GPS天线和电子三维罗盘等简易设备，采用对拖缆形态监测的方法，结合GPS浮标实时计算拖缆与水下目标连接端的坐标。由于浮标上无需声学发射和接受装置，与目前的多GPS浮标声学定位方法相比，简化了系统构成，大幅降低了制造和使用成本。
2.本实用新型无需大范围布置多个GPS浮标，因此使用前的布放过程更加简便快捷，；使用中对电子罗盘等仪器的保障支持需要的资源更少，降低了系统维护成本。
3.本实用新型使用运行过程中整个系统跟随水下航行目标运动，可突破水域的限制，使用范围大。
4.本实用新型使用监测拖缆获取水下目标物与水面浮标的相对位置，无声学定位部分，在复杂的水声环境下仍具有良好的使用性能，且受温湿度、天气、水域环境等因素影响小，抗干扰力强。
5.本实用新型在进行水下使用前，可在陆上对系统进行数据校准，验证和修正系统测试精度，保证坐标定位的准确性。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
当然，本实用新型还可以有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，包括GPS天线、GPS智能浮标、监测拖缆、监测传感器和计算分析终端；
所述GPS天线固定在GPS智能浮标位于水面以上的部位，用于接收GPS卫星信号进行定位；
所述GPS智能浮标为柱式轻质结构，用于产生正浮力，直立地漂浮在水面；所述GPS智能浮标内部安装有电子设备；
所述监测拖缆用于连接GPS智能浮标的水面以下部位和水下航行目标，为GPS智能浮标与水下航行目标提供拖曳力以及信号和电力传输；所述监测拖缆上布置有监测传感器；
所述监测传感器布置有多套，包含深度传感器、倾角传感器和电子三维罗盘，用于实时测量安装点位处监测拖缆的深度、倾角和旋转角度；
所述监测传感器通过连接缆线进行各安装单元的信号传输，包括安装点位处的深度、倾角和旋转角度，并将信号传输到计算分析终端；
所述计算分析终端用于根据所述监测传感器采集的深度、倾角和旋转角度计算水下航行目标与GPS智能浮标的相对位置，再结合GPS智能浮标的GPS坐标，计算得到水下航行目标的GPS坐标，并在显示设备上输出。
2.根据权利要求1所述的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，所述监测拖缆在轴线方向的截面抗拉伸刚度要求大于1×104N/m2，即在1N大小的拉力作用下，监测拖缆每米长度产生的轴向伸长小于0.1mm；所述监测拖缆在径向具有一定的抗压缩变形能力；所述监测拖缆在使用全过程中受到最大拉力情况下产生的蠕变需小于2％。
3.根据权利要求2所述的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，所述监测拖缆采用双螺旋铠装钢丝加强结构形式。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，所述监测传感器中的深度传感器、倾角传感器、电子三维罗盘、电路板和连接缆线组成一套，作为监测传感器基本安装单元；每个所述监测传感器基本安装单元中的传感器、电路板和连接缆线以相同的封装形式固定并硫化成型；所述监测传感器在监测拖缆上的布置数量为8套至30套；所述监测传感器在监测拖缆上的布置间距为0.3m至2m。
5.根据权利要求4所述的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，所述深度传感器选取为测量静水压强的小型压力传感器，要求压力测量允许误差优于±0.2％FS，且具有良好的动静态特性；所述倾角传感器选取要求体积小，便于封装在监测拖缆上，且在三轴方向倾角测量最大允许误差优于±0.2°；所述电子三维罗盘选取要求具有三轴加速度补偿，罗盘在平放、侧力、倒置的姿态下均可测量磁北方位，航向测量最大允许误差优于±0.3°。
6.根据权利要求5所述的单浮标拖缆形态监测的水下GPS系统，其特征在于，所述监测传感器的安装方式分为固化式和分离式；所述固化式安装方式为在监测传感器封装时，将监测传感器的整个安装单元与监测拖缆硫化为一个整体；所述分离式安装方式为监测传感器在封装完成后，通过夹具将监测传感器安装单元夹持并固定在监测拖缆上。
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| CN110488334A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-22 | 嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司 | 一种水下物体定位装置、定位系统及其定位方法 |
| CN111637918A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-09-08 | 浙江大学 | 一种微型低功耗漂流浮标及由其组成的海洋物联网浮标系统 |
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2017
- 2017-12-26 CN CN201721875655.9U patent/CN207780253U/zh not_active Expired - Fee Related
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