CN209037789U - 具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标 - Google Patents

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刘愉强
朱鹏利
周保成
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Abstract

具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，其浮标体上设有三个卫星定位仪安装井，并以井盖密封，井盖中部为工程塑料以接收卫星信号；以浮标中心至其中一个井为基准线，搭载的观测设备的初始0°方向都是与基准线一致重合。浮标体是具有海流计安装井、水质仪安装井、备用安装井的浮标体。把卫星定位仪获取的数据输送到控制器中进行运算处理可得精确方向、位置信息。本实用新型不受地理位置限制，能在全球任何地方部署，不需要地磁，不受纬度地理限制，只要卫星导航系统的信号就可以正常工作；能在恶劣海况条件下使用，没有精密复杂的机械结构，能经受剧烈撞击，翻滚后还能正常使用；对接收的卫星没有要求；低功耗、低成本且定向定位一体化。

Description

具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标
技术领域
本实用新型涉及一种具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，具体是一种通过卫星定位方式，达到对浮标进行准确方向识别和定位，为浮标观测真风向、流向、波向提供基准和位置，属于浮标技术领域。
背景技术
目前海上业务化运行观测的浮标方向识别都是使用三维电子罗盘，三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。在使用前对磁性材料进行了磁化，此后如果遇到了较强的相反方向的磁场就会对材料的磁化产生影响，从而影响传感器的性能。在极端情况下，会使磁化方向翻转180。如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题。而业务化运行观测的浮标绝大多数都是直径6m以上的钢制浮标体，在此环境长期使用三维电子罗盘识别方向，会造成观测浮标的方向存在偏差或者是相反现象，进而造成风向、流向、波向等数据不准确、不可靠，甚至错误。这时只能考虑使用陀螺仪来测定方向了。但是由于陀螺仪实时性差，观测前，陀螺仪需要预热，一次定向时间少则十来分钟，多则一个小时。并且陀螺仪价格十分昂贵，一般的机械陀螺仪近十万元，光纤陀螺仪近百万元。再者陀螺仪是十分精密的仪器，不可以猛烈撞击，不可以翻滚等等。最后，三维电子罗盘和陀螺仪都受纬度限制，在高纬度区域(大于75°)无法正常工作。由此可见，现有技术难以满足业务化运行浮标对方向的要求，特别是在两极区域进行浮标观测的需求。
发明内容
本实用新型的目的在于解决业务化运行观测的浮标方向识别和定位的问题，提供一种不受浮钢制浮标体影响和不受地理限制的方向识别与定位的低功耗系统和方法——无磁低功耗的方向识别与定位浮标系统及方法。
具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，包括浮标体，其特征是浮标体上设有三个卫星定位仪安装井，且所述三个卫星定位仪安装井内分别安装卫星定位仪，并以井盖密封，或者星定位仪安装在所述井盖下底部；所述井盖中间部分为工程塑料、或者所述井盖整体为工程塑料，通过这个工程塑料定位仪可以接收卫星信号；以浮标体的中心至其中一个安装井的方向为基准线，浮标体通过线缆管道给卫星定位仪供电。
所述的具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，其特征在于所述的浮标体还搭载有风观测设备、波浪观测设备、海流观测设备，所述基准线给所述观测设备的方向作为0°基准参照线，也即所述观测设备的初始0°方向都是与基准线一致重合。
所述的具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，其特征在于所述浮标体是具有海流计安装井、水质仪安装井、备用安装井的浮标体；且在所述安装井、水质仪安装井、备用安装井中或三个安装井的井盖下底面分别安装定位仪，安装井的井盖中间部分用工程塑料，处理结果可以获得浮标的方向、精确位置。
与现有技术相比，本实用新型具有以下显著优点：
第一创新点不受地理位置限制
本实用新型能在全球任何地方部署，不需要地磁，不受纬度地理限制。只要卫星导航系统的信号就可以正常工作。
第二创新点不受极端环境影响
本实用新型能在恶劣海况条件下使用，一、它没有精密复杂的机械结构，能经受剧烈撞击，翻滚后还能正常使用；二、对接收的卫星没有要求，只要满足定位的基本要求(三颗及以上)就可以。
第三创新点低功耗、低成本
本实用新型的功耗比光纤陀螺仪的小一个数量级，比机械陀螺仪小两个数量级。而成本是光纤陀螺仪百分之一，是机械陀螺仪的十分之一。
第四创新点定向定位一体化
本实用新型不但能提供方向，还能提供定位信息。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构正面视图。
图2是本实用新型的总体结构剖面视图。
图3是本实用新型的安装井侧视图。
图4是浮标位于北半球、坐标系第一象限的方向识别示意图。
图5是浮标位于北半球、坐标系第二象限的方向识别示意图。
图6是浮标位于北半球、坐标系第三象限的方向识别示意图。
图7是浮标位于北半球、坐标系第四象限的方向识别示意图。
图8是浮标位于南半球、坐标系第一象限的方向识别示意图。
图9是浮标位于南半球、坐标系第二象限的方向识别示意图。
图10是浮标位于南半球、坐标系第三象限的方向识别示意图。
图11是浮标位于南半球、坐标系第四象限的方向识别示意图。
其中，1浮标体、2海流计安装井、3水质仪安装井、4备用安装井、5井盖、6基准线、7定位仪、8线缆管道，9、小平台，10、太阳能电池板支架。
具体实施方式
如图1-3，具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，包括浮标体1，其特征是浮标体1上设有三个卫星定位仪安装井，且所述三个卫星定位仪安装井内分别安装卫星定位仪7，并以井盖5密封，或者星定位仪安装在所述井盖5下底部；所述井盖5中间部分为工程塑料、或者所述井盖5整体为工程塑料，通过这个工程塑料定位仪7可以接收卫星信号；以浮标体1的中心至其中一个安装井的方向为基准线6；浮标体1通过线缆管道8给卫星定位仪7供电。
如图1，所述的具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，其特征在于所述的浮标体1还搭载有风观测设备、波浪观测设备、海流观测设备，所述基准线6给所述观测设备的方向作为0°基准参照线，也即所述观测设备的初始0°方向都是与基准线6一致重合。可采用现有浮标的常规设计，其桅筒上具有小平台9及太阳能电池板支架10，各种设备可同时安装在支架上。
如图2，所述的无磁低功耗的浮标方向识别与定位系统，其特征在于所述浮标体1是具有海流计安装井2、水质仪安装井3、备用安装井4的浮标体；且在所述安装井2、水质仪安装井3、备用安装井4中或三个安装井的井盖下底面分别安装定位仪7，安装井的井盖中间部分用工程塑料5，处理结果可以获得浮标的方向、精确位置。
本实用新型在浮标上装上浮标无磁低功耗方向和定位系统，实现不受地理条件限制，可以在恶劣环境下使用，并且功耗低、成本低。把卫星定位仪7获取的数据输送到控制器中进行运算处理即可得精确的方向和位置信息。
上述系统的方向识别和定位方法，具体如下：
(1)将该系统投放至指定海域，三个卫星定位仪7分别获取到卫星信号，设卫星信号中经度数值为x1、x2、x3，纬度数值为y1、y2、y3，则坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；设基准线(6)经过的安装井为一号井(或曰以浮标体1中心至一号安装井的方向为基准线6)，基准线6是给浮标系统安装风、波浪、海流等观测设备的方向作为0°基准参照线，这些仪器设备的初始0°方向都是与基准线6一致重合；
(2)将获得的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)数据信息，传输到上位机或浮标自带的控制器进行运算处理，以这三个点为顶点构建三角形，设三角形外接圆的圆心坐标(x0，y0)，圆半径为R，其算法如下：
R＝(x1-x0)2+(y1-y0)2 (3)
则，浮标的实时位置为(x0，y0)，x0为经度，y0为纬度。
(3)以浮标体1中心点为原点，建立笛卡尔坐标系，设基准线6与笛卡尔坐标系x轴所夹的锐角为φ，单位为度°，则
这个夹角还需根据以下条件进一步判断后，确定浮标方位θ，单位为度°；
根据笛卡尔坐标系以纵轴为y轴，自原点向上为正，向下为负；以横轴为x轴，自原点向右为正，向左为负；测量上的平面直角坐标系以南北方向的纵轴为x轴，自原点向北为正，向南为负；以东西方向的横轴为y轴，自原点向东为正，向西为负。
1)若在北半球，则
a)x1≥x0且y1＞y0时，浮标方位θ为，见图4
θ＝90-φ
b)x1＜x0且y1＞y0时，浮标方位θ为，见图5
θ＝270+φ
c)x1＜x0且y1＜y0时，浮标方位θ为，见图6
θ＝270-φ
d)x1＞x0且y1＜y0时，浮标方位θ为，见图7
θ＝90+φ
2)若在南半球，则
a)x1≥x0且y1＞y0时，浮标方位θ为，见图8
θ＝270-φ
b)x1＜x0且y1＞y0时，浮标方位θ为，见图9
θ＝90+φ
c)x1＜x0且y1≤y0时，浮标方位θ为，见图10
θ＝90-φ
d)x1≥x0且y1≤y0时，浮标方位θ为，见图11
θ＝270+φ。

Claims (2)

1.具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，包括浮标体（1），其特征是浮标体（1）上设有三个卫星定位仪安装井，且所述三个卫星定位仪安装井内分别安装卫星定位仪（7），并以井盖（5）密封，或者星定位仪安装在所述井盖（5）下底部；所述井盖（5）中间部分为工程塑料、或者所述井盖（5）整体为工程塑料；以浮标体（1）的中心至其中一个安装井的方向为基准线（6），浮标体（1）通过线缆管道（8）给卫星定位仪（7）供电。
2.如权利要求1所述的具有无磁低功耗的方向识别与定位功能的浮标，其特征在于所述的浮标体（1）还搭载有风观测设备、波浪观测设备、海流观测设备，所述基准线（6）给所述观测设备的方向作为0°基准参照线，也即所述观测设备的初始0°方向都是与基准线（6）一致重合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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