[發明專利]一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備及測量方法

有效

• 申請號: 202010324308.7
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111323804B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 陳揚;吳海樂;侯利朋;陳云鋒
• 申請（專利權）人: 北京國泰星云科技有限公司
• 主分類號: G01S19/53
• 分類號: G01S19/53;G01S19/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一、將兩個北斗雙天線測向接收機獲取的定位信息和測姿信息轉換為本地坐標；

步驟二、根據基線和定位位置信息，計算出天線A和天線C的本地坐標；

步驟三、利用3個天線的坐標值計算天線平面的姿態角：

(1)定義本地坐標系為n系，天線平面坐標系為m系；n系到m系的坐標轉換矩陣為m系到n系的坐標轉換矩陣為設某一基線向量在n系下的分量為X_n，在m系下的分量為X_m；若天線平面的實際方位、俯仰和滾轉角度分別為(ψ,θ,γ)，則得到：

(2)根據坐標系轉換關系，得到如下X_m和X_n的轉換關系：

(3)利用N條獨立基線向量構成如下N個方程：

令組成矩陣M_m，令組成矩陣M_n，M_m和M_n均為3×N矩陣；

(4)當N大于等于3個時，利用最小二乘原理，解算出的各個元素值：

(5)根據公式1和公式4，利用本地坐標系到船舶載體坐標系的實時轉換矩陣計算出天線平面的姿態角：

所述的計算方法為：

1)計算m系到船舶載體坐標系的轉換矩陣

將船舶停靠在靜止水域，保證船舶處于靜止狀態，此時船舶的水平姿態角為0；通過采集一段時間的北斗定位測向數據，利用公式1至公式5求出夾角誤差為(0,θ,γ)，代入公式1則計算出

2)按如下公式計算

步驟四、根據天線平面和傳遞坐標系之間角度關系，計算出船體的姿態角；

所述船舶姿態測量設備包括射頻接口模塊、兩個北斗雙天線測向接收機、測姿模塊、數據存儲模塊和通信接口模塊，其中：

所述射頻接口模塊包含衛星信號功分器，用于將三個北斗衛星導航天線A、B、C的射頻信號傳入兩個北斗雙天線測向接收機，其中所述衛星信號功分器用于將公用北斗衛星導航天線B的射頻信號分成兩路，分別傳給兩個北斗雙天線測向接收機；

所述兩個北斗雙天線測向接收機通過射頻接口模塊分別連接兩個北斗衛星導航天線，用于測量北斗衛星導航天線的安裝位置以及兩個天線之間的基線和夾角信息，并輸出定位和測姿信息給測姿模塊；

所述測姿模塊對接收的兩個北斗雙天線測向接收機的定位和測姿信息，經過數據同步、定位數據關聯和數據融合測姿處理，輸出標定參數和船舶的實時姿態測量信息給數據存儲模塊，同時將船舶的實時姿態測量信息通過通信接口模塊進行輸出。

2.根據權利要求1所述的一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：所述天線A安裝在船舶前側，天線B安裝在船舶后側，且天線A和天線B形成的基線AB方向與船舶中軸線方向一致，天線C安裝于一側船舷，且保證ABC呈三角形排列。

3.根據權利要求2所述的一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：所述天線B的一路和天線A共同連接到一個北斗雙天線測向接收機，天線B的另一路和天線C共同連接到另一個北斗雙天線測向接收機，天線A和天線C作為測向天線，天線B作為定位天線。

4.根據權利要求3所述的一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：一個北斗雙天線測向接收機輸出天線B的位置和基線AB的航向，另一個北斗雙天線測向接收機輸出天線B的位置和基線BC的航向。

5.根據權利要求1所述的一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：所述通信接口模塊包括實時信息輸入輸出接口和事后數據傳輸接口。

6.根據權利要求1所述的一種基于北斗系統的船舶姿態測量設備的測量方法，其特征在于：天線A、B、C的本地坐標值的確定方法為：

(1)設一個北斗雙天線測向接收機中天線A、B的本地坐標分別為(X_A,Y_A,Z_A)、(X_B1,Y_B1,Z_B1)，另一個北斗雙天線測向接收機中天線B、C的本地坐標分別為(X_B2,Y_B2,Z_B2)、(X_C,Y_C,Z_C)；

(2)計算兩個北斗雙天線測向接收機對天線B的測量差值，得到(X_B2-X_B1,Y_B2-Y_B1,Z_B2-Z_B1)；

(3)利用測量差值進行誤差補償，得到天線A、B、C的本地坐標值分別為(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)。