CN212008949U - 一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，包括射频接口模块、两个北斗双天线测向接收机、测姿模块、数据存储模块和通信接口模块。与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：本实用新型利用现有的北斗双天线测向接收机板卡进行测量，利用板卡自身的互差分技术能够准确计算出两个天线之间的相对基线长度和方向，从而消除了对差分基准站的依赖。通过利用两个北斗双天线测向接收机板卡对一个公用的北斗卫星导航天线共同测量，建立起两个北斗双天线测向接收机板卡测量数据的相互联系和测量坐标值统一，从而实现两个北斗双天线测向接收机板卡的数据融合。

Description

一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备

技术领域

本实用新型涉及一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备。

背景技术

传统的船舶测姿依赖于高精度陀螺仪和高精度加速度计组成的惯性导航系统，但是该测量方式具有导航误差随时间累积的缺陷，并且其价格相对比较昂贵。同时，惯性导航系统需要进行精准的安装和标定。由于价格，安装标定复杂等客观因素，导致惯性导航系统在船舶测量方面的普及受到限制。

随着我国北斗三号卫星导航系统的建成与投入使用，与卫星定位、导航、授时相关的卫星应用在我国必将快速普及。与惯导相比，北斗系统能够提供全天时、全天候定位功能，相对价格低廉且能保证较高测量精度。因此，在某些方面，基于北斗多天线的船舶测姿方法相对惯导测姿有一定优势。

目前常用的北斗测姿设备为双天线测向接收机，只能准确测量两个姿态角，无法满足三维姿态角的准确测量。并且船体航向、横摇、纵摇信息是相互耦合的，无法通过多台双天线测向接收机独立测量。

采用RTK精准定位技术可以利用多台北斗接收机测量各个点位的位置，进而通过数据后处理的方法计算船体姿态。但是该方案的缺点是无法实现实时测量，并且必须配备基准站设备，成本高、应用范围受基准站位置限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本实用新型提供了一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，利用两个商用的双天线测向接收机板卡进行组合，根据双天线测向接收机基线和方向测量精度高、绝对定位精度相对差的特性，创新性的使用公用天线进行测量，消除两个双天线测向接收机板卡定位的偏差，进而通过数据融合处理的方法，计算出船舶的准确三维姿态信息。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，包括射频接口模块、两个北斗双天线测向接收机、测姿模块、数据存储模块和通信接口模块，其中：

所述射频接口模块包含卫星信号功分器，用于将三个北斗卫星导航天线A、B、C的射频信号传入两个北斗双天线测向接收机，其中所述卫星信号功分器用于将公用北斗卫星导航天线B的射频信号分成两路，分别传给两个北斗双天线测向接收机；

所述两个北斗双天线测向接收机通过射频接口模块分别连接两个北斗卫星导航天线，用于测量北斗卫星导航天线的安装位置以及两个天线之间的基线和夹角信息，并输出定位和测姿信息给测姿模块；

所述测姿模块对接收的两个北斗双天线测向接收机的定位和测姿信息，经过数据同步、定位数据关联和数据融合测姿处理，输出标定参数和船舶的实时姿态测量信息给数据存储模块，同时将船舶的实时姿态测量信息通过通信接口模块进行输出。

与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：

本实用新型利用现有的北斗双天线测向接收机板卡进行测量，利用板卡自身的互差分技术能够准确计算出两个天线之间的相对基线长度和方向，从而消除了对差分基准站的依赖。通过利用两个北斗双天线测向接收机板卡对一个公用的北斗卫星导航天线共同测量，建立起两个北斗双天线测向接收机板卡测量数据的相互联系和测量坐标值统一，从而实现两个北斗双天线测向接收机板卡的数据融合。

本实用新型将双天线测向功能和数据融合算法相结合，实现三轴姿态测量功能，实时测量船舶的航向、横摇、纵摇数据。本实用新型基于北斗卫星定位技术，与传统的船舶测姿设备相比，该设备价格低廉，安装方便，且测量误差不随时间发散，是一种稳定可靠的船舶姿态测量方案。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为基于北斗系统的船舶姿态测量设备的模块组成图；

图2为北斗卫星导航天线的安装示意图，其中：天线Ant-A为安装在船舶前侧的天线，天线Ant-B为安装在船舶后侧的天线，且Ant-A和Ant-B形成的基线方向与船舶中轴线方向一致，天线Ant-C为安装在船舶右弦(或左弦)的天线；

图3为船舶载体坐标系和天线平面坐标系示意图；

图4为基于北斗系统的船舶姿态测量方法的信息流图；

图5为基于北斗系统的船舶姿态测量方法的流程图。

具体实施方式

一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，如图1所示，包括：射频接口模块、两块北斗双天线测向接收机板卡、测姿模块、数据存储模块、通信接口模块、电源模块等，其中各个模块的功能如下：

射频接口模块将外部北斗卫星导航天线的射频信号传入指定的北斗双天线测向接收机板卡。射频接口模块中包含卫星信号功分器，其中卫星信号功分器负责将公用卫星天线信号分成两路，分别传给两个双天线测向板卡，实现两个双天线测向板卡定位数据的关联。

北斗双天线测向接收机板卡通过射频接口模块连接两个北斗卫星导航天线，测量北斗卫星导航天线的安装位置以及两个天线之间的基线、夹角信息。

测姿模块接收两个北斗双天线测向接收机板卡的定位、测姿信息，通过数据同步、定位数据关联、数据融合测姿等处理，测量载体的实时姿态。该模块具备两个功能：设备标定功能和载体姿态测量功能。设备标定功能输出卫星天线相对于船体的安装参数信息，并储存成内置标定参数；载体姿态测量功能测量卫星天线平面的姿态，结合内置的卫星天线安装参数信息，计算出船舶的实时姿态，并进行实时存储，同时将姿态信息通过通信接口输出。

数据存储模块用以存储标定参数和实时姿态测量信息。

通信接口模块负责与外部设备进行通信。

电源模块为整个设备供电，同时提供过压等保护措施。

3个北斗天线的安装方式如图2所示。3个北斗天线分别为天线A、天线B和天线C，其中天线A和天线B沿着船呈前后排列，A接近船首，且AB基线的方向与船舶中轴线方向一致，天线C安装于一侧船舷，且保证ABC呈三角形排列。

3个北斗天线和测量设备的连接如图1所示。天线B通过功分器分成两路，天线A和天线B的一路共同连接到双天线测向接收机1，天线C和天线B的另一路共同连接到双天线测向接收机2。天线A和天线C作为测向天线，天线B作为定位天线。

通过上述安装和连接，则双天线测向接收机1可输出天线B的位置和基线BA的航向；双天线测向接收机2可输出天线B的位置和基线BC的航向。

由于在没有差分基准站的情况下，双天线测向接收机的工作原理决定其测向精度高，但是定位精度差。且在测量同一位置时，不同设备、同一设备不同时间的测量值波动较差，因此，需要对双天线测向接收机的数据进行校正，从而实现两台双天线测向接收机数据的统一。

测姿模块接收双天线测向接收机1和双天线测向接收机2的定位测向数据，由于天线B为两个双天线测向接收机的定位天线的事实，因此双天线测向接收机1和双天线测向接收机2的定位数据之差(产生原因同上文所述)即为两个接收机位置测量的不一致性。利用该值对双天线测向接收机2的测量数据进行统一校正，则两个双天线测向接收机的定位、测向数据实现坐标统一。此时利用两个双天线测向接收机的定位、测向数据，结合最小二乘算法，可实现船舶姿态的测量。

存储模块存储两类信息。一类信息为设备的配置信息，如设备标定以后自动形成的天线安装参数信息、由外部接口输入的设备配置信息等；一类信息为设备工作过程中实时存储的测量信息，可供读取进行事后分析。

通信接口包含实时信息输入输出接口和事后数据传输接口。实时信息输入输出接口实时输出设备的姿态测量信息和相应的时间信息，同时接受外部配置信息，通过配置信息可自适应改变设备工作模式、数据输出速率以及输出数据格式等。事后数据传输接口可将存储模块存储的测量信息拷贝到U盘等移动设备，供事后分析用。

本实用新型还提供了一种基于北斗系统的船舶姿态测量方法，包括如下内容：

(一)坐标系定义

船舶载体坐标系定义如图3所示。天线B的中心为坐标原点，Y轴水平指向船首，与船舶中轴线方向一致；Z轴垂直向上；X轴指向船的右弦，且与YZ轴共同组成右手直角坐标系。

天线平面坐标系定义如图3所示。天线B的中心为坐标原点，Y1轴由天线B指向天线A；Z1轴垂直向上；X1与Y1、Z1轴共同组成右手直角坐标系。

3、姿态测量方案

(二)多天线测量的方案大致需要如下几步：

1、通过高斯坐标转换，将北斗的定位信息(经纬度)转换为本地坐标；

2、根据基线和定位位置信息，计算出A、C天线的本地坐标；

3、利用3个天线的坐标值计算天线平面的姿态角；

4、根据天线平面和传递坐标系之间角度关系，计算出船体的姿态角。

上述步骤中有如下几个关键技术点：

(1)两台接收机坐标统一

双天线测向接收机能够准确测量两个天线之间的相对基线。但是由于接收机1使用天线A和天线B进行测向，接收机2使用天线C和天线B进行测向，因此定位测向时使用的可见卫星组合可能会有差异。另外每个接收机的基带噪声水平客观上存在差异，导致两个接收机对天线B的位置测量值不完全相同，测量同一个位置出现两个测量结果，会影响两台接收机数据的统一性，进而影响最终的联合测量精度。因此需要对该误差进行补偿。

假设双天线测向接收机1中天线A、B的本地坐标分别为(X_A,Y_A,Z_A)、(X_B1,Y_B1,Z_B1)，双天线测向接收机2中天线B、C的本地坐标分别为(X_B2,Y_B2,Z_B2)、(X_C,Y_C,Z_C)。则两个接收机对天线B的测量差值为(X_B2-X_B1,Y_B2-Y_B1,Z_B2-Z_B1)。

经过误差补偿后，天线A、B、C的本地坐标值依次为(X_A,Y_A,Z_A)、(X_B1,Y_B1,Z_B1)，(X_C-X_B2+X_B1,Y_C-Y_B2+Y_B1,Z_C-Z_B2+Z_B1)。

(2)天线测量平面姿态测量方法

定义本地坐标系为n系，天线平面坐标系为m系。n系到m系的坐标转换矩阵为

m系到n系的坐标转换矩阵为

设某一基线向量在n系下的分量为X_n，在m系下的分量为X_m。

若天线平面的实际方位、俯仰和滚转角度分别为(ψ,θ,γ)，

可表示为：

则根据坐标系转换关系，X_m和X_n的转换关系可表示为：

由上式可知，每一个独立的基线向量可以构成一个方程，N条独立基线可构成N个方程。

可组成矩阵M_m，

可组成矩阵M_n，M_m和M_n都为3×N矩阵。

因此，当独立基线个数大于等于3个时，利用最小二乘原理，则可解算出姿态矩阵各个元素值：

根据公式1和公式4，可从矩阵

中计算出天线平面的姿态信息：

在本应用中，三个北斗天线可构建两条独立基线(BA和BC)，因此通过构造虚拟点的方式计算出第三条虚拟基线，实现公式4的计算。

(3)设备安装角度标定

由于天线安装时，无法保证3个天线在船舶载体坐标系中的高度一致，因此3个天线形成的测量平面与船舶载体之间存在安装角度误差。又因为基线AB的方向与船舶中轴线方向一致，所以测量平面与船舶载体之间只存在水平夹角。

将船舶停靠在静止水域，保证船舶处于静止状态，此时船舶的水平姿态角为0。通过采集一段时间(如20min)的北斗定位测向数据，利用公式1-公式5可求出夹角误差为(0,θ,γ)，代入公式1可计算出天线测量平面(m系)到船舶载体坐标系的转换矩阵

(4)船舶姿态计算

根据上文分析，本地坐标系到天线平面坐标系的转换关系为

可通过天线测量值和转换矩阵计算公式解算得出；天线平面坐标系到船舶载体坐标系的转换关系为

可通过标定得出，则本地坐标系到船舶载体坐标系的实时转换矩阵

计算方法如下：

根据公式5可计算出船舶实时的姿态角。

(三)数据处理流程

基于北斗系统的船舶姿态测量方法，其信息流图如图4所示。

基于北斗系统的船舶姿态测量方法，测姿算法在测姿模块进行实现，其算法流程如图5所示。

Claims (5)

1.一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，其特征在于：包括射频接口模块、两个北斗双天线测向接收机、测姿模块、数据存储模块和通信接口模块，其中：

所述射频接口模块包含卫星信号功分器，用于将三个北斗卫星导航天线A、B、C的射频信号传入两个北斗双天线测向接收机，其中所述卫星信号功分器用于将公用北斗卫星导航天线B的射频信号分成两路，分别传给两个北斗双天线测向接收机；

所述两个北斗双天线测向接收机通过射频接口模块分别连接两个北斗卫星导航天线，用于测量北斗卫星导航天线的安装位置以及两个天线之间的基线和夹角信息，并输出定位和测姿信息给测姿模块；

所述测姿模块对接收的两个北斗双天线测向接收机的定位和测姿信息，经过数据同步、定位数据关联和数据融合测姿处理，输出标定参数和船舶的实时姿态测量信息给数据存储模块，同时将船舶的实时姿态测量信息通过通信接口模块进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，其特征在于：所述天线A安装在船舶前侧，天线B安装在船舶后侧，且天线A和天线B形成的基线AB方向与船舶中轴线方向一致，天线C安装于一侧船舷，且保证ABC呈三角形排列。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，其特征在于：所述天线B的一路和天线A共同连接到一个北斗双天线测向接收机，天线B的另一路和天线C共同连接到另一个北斗双天线测向接收机，天线A和天线C作为测向天线，天线B作为定位天线。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，其特征在于：一个北斗双天线测向接收机输出天线B的位置和基线AB的航向，另一个北斗双天线测向接收机输出天线B的位置和基线BC的航向。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备，其特征在于：所述通信接口模块包括实时信息输入输出接口和事后数据传输接口。

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