CN110082033B - 一种运动状态下的水上载体重心测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于，具备：GNSS信号接收装置，其实时接收GNSS卫星信号，并计算观测点的地理坐标，设有4台及以上，其中两台安装在水上载体的艏向方向上；姿态传感器装置，其实时获取水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值；CPU记录和处理装置，其与各GNSS信号接收装置和姿态传感器相连，实时记录各装置观测值并对观测值进行处理，获得水上载体重心在水上载体坐标系下的坐标。本发明针对现有的水上载体重心确定方法的不合理性和不准确性等问题，提供了一种实现实时精确地获取水上载体的重心位置的水上载体的重心测量装置和方法。

Description

一种运动状态下的水上载体重心测量装置和方法
技术领域
本发明涉及重心测量领域，尤其涉及运动状态下的水上大型水上载体的重心测量装置和方法。
背景技术
水上载体重心测量技术对于水上载体的载重和航行安全是至关重要的。由于水上载体自身结构和重量巨大，在水中处于持续摆动、晃动和运动的状态，不可能通过支撑法和悬挂法等确定其重心，且随着自身的货物配置变化以及燃油和淡水的补充与消耗，其重心位置也会发生变化。
水上大型水上载体重心往往是根据建造期间的设计模型和构筑材料经过估算模型得到的。这种估计仅适用于大型水上载体出厂时期的重心位置，且由于模型自身的误差也会造成估计的重心位置与实际位置偏差过大。并且一旦水上载体和水上载体的货物配重、燃油及淡水消耗等变化过大时，其重心位置也会发生很大的变化。同时，随着DP***在现代水上载体中的普及，其优越功能的发挥对水上载体的精确重心位置依赖很大。现有的测量技术方法都无法实现实时准确的获取水上载体的重心位置。
发明内容
本发明针对现有的水上载体重心确定方法的不合理性和不准确性等问题，提供了一种实现实时精确地获取水上载体的重心位置的水上载体的重心测量装置和方法。
针对以上问题，提供了如下技术方案：一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于，具备：
GNSS信号接收装置，其实时接收GNSS卫星信号，并计算观测点的地理坐标，设有4台及以上，其中两台安装在水上载体的艏向方向上；
姿态传感器装置，其实时获取水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值；
CPU记录和处理装置，其与各GNSS信号接收装置和姿态传感器相连，实时记录各装置观测值并对观测值进行处理，获得水上载体重心在水上载体坐标系下的坐标。
本发明进一步设置为：所述GNSS信号接收装置包括GNSS接收天线，所述GNSS接收天线接收GNSS测距码和载波信号，且实时接收GNSS差分信号或者CORS站信号。
本发明进一步设置为：所述姿态传感器装置设有自身的空间直角参考坐标系，且包括姿态传感器和实时测量水上载体横摇、纵摇、升沉及艏向的测量装置。
本发明进一步设置为：所述CPU记录和处理装置与各GNSS接收天线之间使用等长的馈线连接，所述CPU记录和处理装置解析和处理GNSS接收天线接收的信号并获取GNSS时间信息和各观测点的精确地理坐标，且将自身的***时间与GNSS时间精确对齐。
本发明进一步设置为：所述CPU记录和处理装置与姿态传感器之间通过通信线缆连接，且通过通信线缆将各观测点在水上载体坐标系中的坐标输入到CPU记录和处理装置中，所述CPU记录和处理装置结合各个装置的观测值计算出水上载体的重心坐标。
本发明进一步设置为：所述GNSS接收天线包括使GNSS接收天线与观测点固连在一起的固定工件。
本发明进一步设置为：所述姿态传感器包括使姿态传感器与水上载体固连在一起的固定基座和固定工件。
本发明进一步设置为：所述CPU记录和处理装置具备：
存储器，用于存储各装置的观测值和经处理后的数据和结果；
固定工件，防止CPU记录和处理装置在水上载体晃动；
物理接口，用于和其他装置连接和通信；
人工交互设备，用于向所述CPU记录和处理装置输入必要参数和发送指令，以及输出和显示处理结果。
一种运动状态下的水上载体重心测量方法，其特征在于，其在动态条件下测量水上载体重心位置，包括以下步骤：
(1)建立水上载体坐标系：选择水上载体坐标系参考点，并以船艏方向为一轴建立空间直角坐标系，用以确定观测点在所述坐标系下的三维坐标；
(2)选择并获取观测点的三维坐标：在水上载体上选择至少4个不共线的观测点，观测点需对空视野开阔，且其中两个观测点在水上载体艏向方向上，使用测量方法获取各个观测点在水上载体坐标系的坐标；
(3)架设GNSS接收天线：在步骤(2)中选择的观测点处架设GNSS接收天线，实时获取GNSS信号；
(4)安装姿态传感器：将姿态传感器安装在估计的水上载体重心的附近的已知位置处，并使所述传感器的参考系与水上载体坐标系的三轴分别相互平行；
(5)CPU记录和处理装置的连接和设置：将各GNSS接收天线与CPU记录和处理装置使用等长馈线连接，将姿态传感器与CPU记录和处理装置使用信号线缆连接，将各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标输入到所述CPU记录和处理装置中，所述CPU记录和处理装置从GNSS接收天线接收的信号中提取GNSS时间并与自身***精确对时；
(6)CPU记录和处理装置计算和处理传入的数据：将使用GNSS接收天线接收到的信号经过处理获得各观测点不同时刻的精确三维地理坐标，并利用艏向方向上的两台GNSS接收天线计算水上载体的艏向值，利用各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标，在地理坐标系中的三维坐标及坐标变化，姿态传感器数据和水上载体艏向值之间的关系计算出水上载体重心在水上载体坐标系中的坐标。
本发明进一步设置为：所述步骤(1)中利用水上载体布置图纸的途径来确定观测点在水上载体坐标系下的三维坐标。
本发明的有益效果：本发明提供的技术方案可以实现实时精确获取水上载体的重心位置，其对于水上载体的动力分配、货物配重分配、航行安全和精确动态定位等具有重大帮助；同时随着GNSS定位技术的不断发展，厘米级甚至毫米级的GNSS定位技术已经获得广泛应用；垂直参考单元等姿态传感器也已经实现了秒级测量精度。
本发明提供的水上载体重心位置测量方法具有易于操作，快速实时获取结果的优势，且本发明提供的水上载体重心位置测量装置具有成本低，自动计算和处理的特点，在水上载体的重心测量中将会有十分广泛的应用。
例如，在大型货船上精确测量其重心位置，有助于船上工作人员合理布置货物的存放位置，避免水上载体配重失衡，确保水上载体安全航行。
例如，在科考调查船中精确测量水上载体的重心位置，有助于多波束、超短基线水下定位***、浅地层剖面仪等调查设备获取更精确的测量成果。
例如，在装有DP***的水上钻进平台中精确测量平台的重心位置，有助于各推进器合理分配动力，提高平台的定位精度，保障平台安全生产。
附图说明
图1为本发明实施例中水上载体重心测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中水上载体坐标系和地理坐标系的示意图；
图3为本发明实施例中水上载体中的功能模块示意图；
图4为本发明实施例中CPU记录和处理装置的处理方案示意图；
图中示意：1-GNSS接收天线；2-GNSS接收天线；3-GNSS接收天线；4-GNSS接收天线；5-姿态传感器；6-CPU记录和处理装置；o-xyz为地理空间直角坐标系；O-XVYVZV为水上载体直角坐标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种运动状态下的水上载体重心测量装置，具备：GNSS信号接收装置，姿态传感器装置，CPU记录和处理装置；
GNSS信号接收装置，其实时接收GNSS卫星信号，并计算观测点的地理坐标，设有4台及以上，其中两台安装在水上载体的艏向方向上；所述GNSS信号接收装置包括GNSS接收天线，所述GNSS接收天线接收GNSS测距码和载波信号，且实时接收GNSS差分信号或者CORS站信号。所述GNSS接收天线包括使GNSS接收天线与观测点固连在一起的固定工件。
姿态传感器装置，其实时获取水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值；所述姿态传感器装置设有自身的空间直角参考坐标系，且包括姿态传感器和实时测量水上载体横摇、纵摇、升沉及艏向的测量装置。所述姿态传感器包括使姿态传感器与水上载体固连在一起的固定基座和固定工件。
CPU记录和处理装置，其与各GNSS信号接收装置和姿态传感器相连，实时记录各装置观测值并对观测值进行处理，获得水上载体重心在水上载体坐标系下的坐标。所述CPU记录和处理装置与各GNSS接收天线之间使用等长的馈线连接，所述CPU记录和处理装置解析和处理GNSS接收天线接收的信号并获取GNSS时间信息和各观测点的精确地理坐标，且将自身的***时间与GNSS时间精确对齐。
所述CPU记录和处理装置与姿态传感器之间通过通信线缆连接，且通过通信线缆将各观测点在水上载体坐标系中的坐标输入到CPU记录和处理装置中，所述CPU记录和处理装置结合各个装置的观测值计算出水上载体的重心坐标。
所述CPU记录和处理装置具备：存储器，用于存储各装置的观测值和经处理后的数据和结果；固定工件，防止CPU记录和处理装置在水上载体晃动；物理接口，用于和其他装置连接和通信；人工交互设备，用于向所述CPU记录和处理装置输入必要参数和发送指令，以及输出和显示处理结果。
图1示出了本发明实施例的水上载体重心测量方法的流程图。该水上载体重心确定方法包括以下步骤：
建立水上载体坐标系：选择水上载体坐标系参考点O，并以船艏方向为一轴OXV建立空间直角坐标系O-XVYVZV，用以后续步骤确定观测点Pi在所述坐标系下的三维坐标Pi(Xi,Yi,Zi)V；
选择并获取观测点的三维坐标：在水上载体上选择至少4个不共线的观测点Pi，观测点需对空视野开阔，且其中两个观测点在水上载体艏向方向OXV上。为了方便展示原理和操作步骤，图3中给出了观测点的适宜位置：P1、P2、P3和P4。使用测量设备，例如全站仪、经纬仪、水准仪、直尺、细线等测量工具获取各个观测点Pi在水上载体坐标系O-XVYVZV中的坐标Pi(Xi,Yi,Zi)V，也可以使用水上载体建造时的***图纸查询各个观测点的坐标；
架设GNSS接收天线1、2、3、4：在上一步骤中选择的观测点Pi处架设GNSS接收天线，实时获取GNSS信号，GNSS信号种类丰富，包括GNSS授时信息，C/A码，L1载波，L2载波和卫星星历文件，GNSS差分信号，CORS站差分信号等；综合使用这些信息能够获得精确的时间信息和高精度的定位结果。
安装姿态传感器5：将姿态传感器安装在估计的水上载体重心附近的已知位置PVRS(XVRS,YVRS,ZVRS)处，并使所述传感器的参考系o'-x'y'z'的三轴o'x'、o'y'和o'z'与水上载体坐标系O-XVYVZV的三轴OXV、OYV和OZV分别相互平行；例如将PHINS、POSMV、MRU等设备安装在所述水上载体并经过安装偏差校准后(若其三轴与船体坐标系三轴平行，则无需进行安装偏差校准)，能够获得所述水上载体的姿态变化值，进一步的，因为水上载体是刚体，所以当水上载体因为惯性产生摇摆时其上每一点均绕着重心发生相同的姿态变化；
CPU记录和处理装置6的连接和设置：将各GNSS接收天线与所述CPU装置使用等长馈线连接，例如屏蔽性能较好的同轴电缆，将姿态传感器与所述CPU装置使用信号线缆连接，将各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标Pi(Xi,Yi,Zi)V和姿态传感器在水上载体坐标系中的三维坐标PVRS(XVRS,YVRS,ZVRS)输入到所述CPU装置中，例如可通过键盘和鼠标等交互设备将所需参数输入所需CPU装置中。所述CPU装置首先从GNSS接收天线接收的信号中提取GNSS时间，例如GPS时间，并与自身***精确对时，这样所有传入CPU装置的数据都将拥有统一且精确地GPS时间戳，以确保后续数据处理过程中，建立观测方程式时使用不同观测设备获取的观测值具有精确对应的时间信息；
CPU记录和处理装置6计算和处理所传入的数据：使用GNSS接收天线接收的信号经过处理获得各观测点不同时刻的精确三维地理坐标Pi(xi,yi,zi)geo；进一步的，利用艏向方向上的两台GNSS接收天线P1和P2计算水上载体艏向值heading，计算方法如下：
Figure GDA0002586807400000051
进一步地，利用表1所述原则得到heading：
表1坐标方位角的转化
Figure GDA0002586807400000062
如果使用了PHINS或者POS MV等姿态传感器，则设备会自动提供heading值。
接着，利用各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标Pi(Xi，Yi，Zi)V，在地理坐标系中的三维坐标Pi(xi，yi，zi)geo，姿态传感器获得的姿态数据横摇roll、纵摇pitch、升沉heave和水上载体艏向值heading之间的关系计算出水上载体重心PG在水上载体坐标系中的坐标PG(X，Y，Z)G，计算方法如下：
Pi-geo＝R(heading，pitch，roll)＊Pi-v+Po
其中，Pi-geo表示观测点在地理坐标系中的三维坐标，
Pi-geo＝[(xi，yi，zi)geo]T
(xi，yi，zi)geo表示观测点Pi在地理参考系下的坐标；
R(heading，pitch，roll)表示由艏向测量装置和姿态传感器提供的heading、pitch和roll值组成的旋转矩阵，如下所示：
Figure GDA0002586807400000061
式中，h，p，r分别表示heading、pitch和roll；
Pi-v＝[(Xi-XG，Yi-YG，Zi-ZG)]T
其中，Xi、Yi和Zi是观测点Pi在水上载体坐标系下的坐标，XG、YG和ZG是水上载体重心在水上载体坐标系下的坐标；
PO＝[(x0，y0，z0)geo]T
其中，x0，y0，z0表示水上载体坐标系原点在地理参考系下的坐标；
式中，(XG，YG，ZG)和PO＝|(x0，y0，z0)geo|T中共6个是待求解参数，联立多个观测点，考虑到有冗余观测量以便对粗差观测值进行剔除，因此需要3个及以上的观测点，组成观测方程，使用最小二乘或其他误差分配方法求解未知参数，同时也可使用不同观测时刻的观测量组成观测方程，求解水上载体重心在水上载体坐标系中的位置的最优估计值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于，具备：
GNSS信号接收装置，其实时接收GNSS卫星信号，并计算观测点的地理坐标，设有4台及以上，其中两台安装在水上载体的艏向方向上；
姿态传感器装置，其实时获取水上载体的横摇、纵摇和升沉的姿态值；
CPU记录和处理装置，其与各GNSS信号接收装置和姿态传感器相连，实时记录各装置观测值并对观测值进行处理，获得水上载体重心在水上载体坐标系下的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于：所述GNSS信号接收装置包括GNSS接收天线，所述GNSS接收天线接收GNSS测距码和载波信号，且实时接收GNSS差分信号或者CORS站信号。
3.根据权利要求1所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于：所述姿态传感器装置设有自身的空间直角参考坐标系，且包括姿态传感器和实时测量水上载体横摇、纵摇、升沉及艏向的测量装置。
4.根据权利要求2所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于：所述CPU记录和处理装置与各GNSS接收天线之间使用等长的馈线连接，所述CPU记录和处理装置解析和处理GNSS接收天线接收的信号并获取GNSS时间信息和各观测点的精确地理坐标，且将自身的***时间与GNSS时间精确对齐。
5.根据权利要求3所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于：所述CPU记录和处理装置与姿态传感器之间通过通信线缆连接，且通过通信线缆将各观测点在水上载体坐标系中的坐标输入到CPU记录和处理装置中，所述CPU记录和处理装置结合各个装置的观测值计算出水上载体的重心坐标。
6.根据权利要求2所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于：所述GNSS接收天线包括使GNSS接收天线与观测点固连在一起的固定工件。
7.根据权利要求3所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于，所述姿态传感器包括使姿态传感器与水上载体固连在一起的固定基座和固定工件。
8.根据权利要求1所述的一种运动状态下的水上载体重心测量装置，其特征在于，所述CPU记录和处理装置具备：
存储器，用于存储各装置的观测值和经处理后的数据和结果；
固定工件，防止CPU记录和处理装置在水上载体晃动；
物理接口，用于和其他装置连接和通信；
人工交互设备，用于向所述CPU记录和处理装置输入必要参数和发送指令，以及输出和显示处理结果。
9.一种运动状态下的水上载体重心测量方法，其特征在于，其在动态条件下测量水上载体重心位置，包括以下步骤：
(1)建立水上载体坐标系：选择水上载体坐标系参考点，并以船艏方向为一轴建立空间直角坐标系，用以确定观测点在所述坐标系下的三维坐标；
(2)选择并获取观测点的三维坐标：在水上载体上选择至少4个不共线的观测点，观测点需对空视野开阔，且其中两个观测点在水上载体艏向方向上，使用测量方法获取各个观测点在水上载体坐标系的坐标；
(3)架设GNSS接收天线：在步骤(2)中选择的观测点处架设GNSS接收天线，实时获取GNSS信号；
(4)安装姿态传感器：将姿态传感器安装在估计的水上载体重心的附近的已知位置处，并使所述传感器的参考系与水上载体坐标系的三轴分别相互平行；
(5)CPU记录和处理装置的连接和设置：将各GNSS接收天线与CPU记录和处理装置使用等长馈线连接，将姿态传感器与CPU记录和处理装置使用信号线缆连接，将各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标输入到所述CPU记录和处理装置中，所述CPU记录和处理装置从GNSS接收天线接收的信号中提取GNSS时间并与自身***精确对时；
(6)CPU计算和处理传入的数据：将使用GNSS接收天线接收到的信号经过处理获得各观测点不同时刻的精确三维地理坐标，并利用艏向方向上的两台GNSS接收天线计算水上载体的艏向值，利用各观测点在水上载体坐标系中的三维坐标，在地理坐标系中的三维坐标及坐标变化，姿态传感器数据和水上载体艏向值之间的关系计算出水上载体重心在水上载体坐标系中的坐标。
10.根据权利要求9所述的一种运动状态下的水上载体重心测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中利用水上载体布置图纸的途径来确定观测点在水上载体坐标系下的三维坐标。
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