一种运动状态下的水上载体重心测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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数据记录和处理装置，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。本发明专利技术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。

A device and method for measuring gravity center of underwater carrier in motion

【技术实现步骤摘要】
一种运动状态下的水上载体重心测量装置和方法
本专利技术涉及重心测量领域，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。
技术介绍
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系统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。
技术实现思路
本专利技术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数据记录和处理装置，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。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术进一步设置为：所述CPU数据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数据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，且将自身的系统时间与GNSS时间精确对齐。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术进一步设置为：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时间并与自身系统精确对时；(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。本专利技术进一步设置为：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。本专利技术的有益效果：本专利技术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。本专利技术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，且本专利技术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、超短基线水下定位系统、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系统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为本专利技术实施例中水上载体重心测量方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例中水上载体坐标系和地理坐标系的示意图；图3为本专利技术实施例中水上载体中的功能模块示意图；图4为本专利技术实施例中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，对本专利技术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专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。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数据记录和处理装置；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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数据记录和处理装置，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。

【技术特征摘要】
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数据记录和处理装置，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数据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数据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，且将自身的系统时间与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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李治远，胡俊，吴永亭，张海泉，张彬彬，豆虎林，
申请(专利权)人：国家海洋局第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37