一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备技术方案

本实用新型专利技术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，本实用新型专利技术的积极效果是：本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备
本技术涉及一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本技术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。本技术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，本技术的积极效果是：本技术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。本技术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。本技术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。附图说明本技术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。...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈扬，吴海乐，侯利朋，陈云锋，
申请(专利权)人：北京国泰星云科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11