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雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【專利摘要】雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，屬于光學(xué)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，為了實(shí)現(xiàn)在一定海況下船正常航行時(shí)的空間位置測(cè)量，測(cè)量設(shè)備分為測(cè)量系統(tǒng)和合作目標(biāo)兩部分，分別安裝于兩船上；測(cè)量系統(tǒng)安裝于測(cè)量船固定安裝點(diǎn)，合作目標(biāo)安裝于被測(cè)船只固定安裝點(diǎn)；合作目標(biāo)安裝于目標(biāo)船，具體包括反射面和跟蹤目標(biāo)兩部分，反射面具有高反射率的金屬平板，用作激光測(cè)距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個(gè)可發(fā)光的目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合求出中心點(diǎn)作為跟蹤中心；測(cè)量目標(biāo)捕獲，鎖定跟蹤中心P點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)輸出測(cè)量方位角a和俯仰角e;測(cè)量數(shù)據(jù)采集，激光測(cè)距傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距，采集測(cè)距值L;姿態(tài)測(cè)量傳感器對(duì)船體本身進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量；測(cè)量數(shù)據(jù)處理。
【專利說(shuō)明】雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，屬于光學(xué)測(cè)量技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)海上航行活動(dòng)日益頻繁，尤其是遠(yuǎn)洋航行活動(dòng)日漸增加，由于艦船航程 長(zhǎng)，需要及時(shí)進(jìn)行燃料、淡水等資源的補(bǔ)充。補(bǔ)充過(guò)程中，就需要對(duì)兩船之間的相對(duì)位置進(jìn) 行測(cè)量。另外，在一些船舶的建造過(guò)程中，需要對(duì)船的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，這就需要對(duì) 船塢附近航行的船只與船塢固定檢測(cè)面間的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)量將有助于船只的 標(biāo)定建造及性能檢測(cè)。
[0003] 對(duì)于行進(jìn)中的兩船而言，由于行進(jìn)方向相同，兩船中心線可以視為平行，因此需要 測(cè)量的相對(duì)位置包括三個(gè)坐標(biāo)軸上的三個(gè)位置坐標(biāo)Χο,Υο,Ζο。其中x〇為兩船前后位置距離， y〇為兩船橫向距離，為兩船縱向距離。測(cè)量過(guò)程難點(diǎn)在于兩船相距較遠(yuǎn)，且位置不固定， 測(cè)量前需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索識(shí)別；另外，由于測(cè)量船自身受海況影響而搖動(dòng)，因此測(cè)量基準(zhǔn) 是運(yùn)動(dòng)的，測(cè)量過(guò)程需要對(duì)此補(bǔ)償。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)在一定海況下船正常航行時(shí)的空間位置測(cè)量，提出一種雙船間空 間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
[0005] 發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，其包括瞄準(zhǔn)測(cè)量部分、船姿態(tài)測(cè)量部 分、激光測(cè)距部分和數(shù)據(jù)顯示部分；
[0007] 瞄準(zhǔn)測(cè)量部分為主體部分，其包含光電經(jīng)緯儀、跟蹤控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三 個(gè)部分；光電經(jīng)緯儀可以對(duì)合作目標(biāo)成像，實(shí)時(shí)跟蹤，并記錄其瞄準(zhǔn)角；跟蹤控制系統(tǒng)是光 電經(jīng)緯儀的跟蹤控制電系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤算法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將激光測(cè) 距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測(cè)量數(shù)據(jù)及瞄準(zhǔn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)；
[0008] 船姿態(tài)測(cè)量部分通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量部分，將采集到的姿態(tài)測(cè)量傳感器 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量部分進(jìn)行處理；
[0009] 激光測(cè)距部分主要部件為激光測(cè)距機(jī)，通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量部分，根據(jù) 命令將測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量部分；
[0010] 數(shù)據(jù)顯示部分是將瞄準(zhǔn)測(cè)量部分獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示器以數(shù)值的形式顯示出 來(lái)；
[0011] 合作目標(biāo)安置于目標(biāo)船固定位置，包括反射面和跟蹤目標(biāo)，反射面具有高的反射 率，用于激光測(cè)距；跟蹤目標(biāo)為可發(fā)光的目標(biāo)點(diǎn)，用于跟蹤識(shí)別。
[0012] 雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征是，包括以下步驟：
[0013] 步驟一，測(cè)量設(shè)備安裝，
[0014] 測(cè)量設(shè)備分為測(cè)量系統(tǒng)和合作目標(biāo)兩部分，分別安裝于兩船上；測(cè)量系統(tǒng)安裝于 測(cè)量船固定安裝點(diǎn)，合作目標(biāo)安裝于被測(cè)船只固定安裝點(diǎn)；
[0015] 合作目標(biāo)安裝于目標(biāo)船，具體包括反射面和跟蹤目標(biāo)兩部分，反射面具有高反射 率的金屬平板，用作激光測(cè)距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個(gè)可發(fā)光的目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行 擬合求出中心點(diǎn)作為跟蹤中心；
[0016] 步驟二，測(cè)量目標(biāo)捕獲，
[0017] 開始時(shí)候，兩船相對(duì)較遠(yuǎn)，測(cè)量船上的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)一定區(qū)域進(jìn)行成像掃描， 直到搜索到被測(cè)船合作目標(biāo)上的四個(gè)跟蹤中心點(diǎn)，然后鎖定跟蹤中心P點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí) 輸出測(cè)量方位角α和俯仰角β ;
[0018] 步驟三，測(cè)量數(shù)據(jù)采集，
[0019] 啟動(dòng)激光測(cè)距傳感器，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距，采集測(cè)距值L ;
[0020]啟動(dòng)姿態(tài)測(cè)量傳感器，對(duì)船體本身進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數(shù) 據(jù)；
[0021] 步驟四，測(cè)量數(shù)據(jù)處理，
[0022] 瞄準(zhǔn)測(cè)量部分對(duì)采集到的方位角α和俯仰角β，激光測(cè)距值L，船橫搖角Θ和縱 搖角Φ數(shù)據(jù)綜合處理，得到兩船空間位置三維坐標(biāo)。
[0023] 步驟四所述的數(shù)據(jù)綜合處理方法包括以下步驟：
[0024] 第一步，以測(cè)量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點(diǎn)，以垂直船甲板平面為Ζ。軸，指向船艏方向 為X。軸，建立測(cè)量站右手直角坐標(biāo)系0HZ。；
[0025] 第二步，目標(biāo)的船體極坐標(biāo)位置（L, α，β )變換為船體直角坐標(biāo)位置（X。，y。，ζ。）；
[0026] 第三步，大地坐標(biāo)系以測(cè)量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點(diǎn)，以垂直于水平面方向向上為Z 軸，以水平面內(nèi)指向船艏方向?yàn)閄軸，建立的右手直角坐標(biāo)系0ΧΥΖ ;
[0027] 第四步，目標(biāo)的船體直角坐標(biāo)位置（x。，^。）變換為大地直角坐標(biāo)位置 (χ〇, y〇, z〇)；
[0028] 具體計(jì)算公式如下，船體直角坐標(biāo)位置變換：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，其包括測(cè)量單元和合作目標(biāo)，該測(cè)量單 元包括瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置、船姿態(tài)測(cè)量裝置、激光測(cè)距裝置和數(shù)據(jù)顯示裝置； 瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置為主體，其包含光電經(jīng)緯儀、跟蹤控制器和數(shù)據(jù)處理器；光電經(jīng)緯儀可以 對(duì)合作目標(biāo)成像，實(shí)時(shí)跟蹤，并記錄其瞄準(zhǔn)角；跟蹤控制器用于跟蹤控制光電經(jīng)緯儀，通過(guò) 實(shí)時(shí)跟蹤算法，對(duì)合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；數(shù)據(jù)處理器將激光測(cè)距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測(cè)量數(shù)據(jù)及瞄 準(zhǔn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)； 船姿態(tài)測(cè)量裝置為姿態(tài)測(cè)量傳感器，其通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置，將采集到 的姿態(tài)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置進(jìn)行處理； 激光測(cè)距裝置為激光測(cè)距傳感器，其通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置，根據(jù)命令將 測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置； 數(shù)據(jù)顯示裝置是將瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示器以數(shù)值的形式顯示出來(lái)； 合作目標(biāo)安置于目標(biāo)船固定位置，其包括反射面和跟蹤目標(biāo)，反射面具有高的反射率， 用于激光測(cè)距；跟蹤目標(biāo)為可發(fā)光的目標(biāo)點(diǎn)，用于跟蹤識(shí)別。
2. 基于雙船間空間位置的精確測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一，測(cè)量設(shè)備安裝， 測(cè)量設(shè)備分為測(cè)量單元和合作目標(biāo)，分別安裝于兩船上；測(cè)量單元安裝于測(cè)量船固定 安裝點(diǎn)，合作目標(biāo)安裝于被測(cè)船只固定安裝點(diǎn)； 該測(cè)量單元包括瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置、船姿態(tài)測(cè)量裝置、激光測(cè)距裝置和數(shù)據(jù)顯示裝置； 瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置為主體，包含光電經(jīng)緯儀、跟蹤控制器和數(shù)據(jù)處理器；光電經(jīng)緯儀可以對(duì) 合作目標(biāo)成像，實(shí)時(shí)跟蹤，并記錄其瞄準(zhǔn)角；跟蹤控制器用于跟蹤控制光電經(jīng)緯儀，通過(guò)實(shí) 時(shí)跟蹤算法，對(duì)合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；數(shù)據(jù)處理器將激光測(cè)距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測(cè)量數(shù)據(jù)及瞄準(zhǔn) 角數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)； 船姿態(tài)測(cè)量裝置為姿態(tài)測(cè)量傳感器，其通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置，將采集到 的姿態(tài)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置進(jìn)行處理； 激光測(cè)距裝置為激光測(cè)距傳感器，其通過(guò)電連接器連接到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置，根據(jù)命令將 測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置； 數(shù)據(jù)顯示裝置是將瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示器以數(shù)值的形式顯示出來(lái)； 合作目標(biāo)安裝于目標(biāo)船上，其具體包括反射面和跟蹤目標(biāo)，反射面具有高反射率的金 屬平板，用作激光測(cè)距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個(gè)可發(fā)光的目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合求 出中心點(diǎn)作為跟蹤中心； 步驟二，測(cè)量目標(biāo)捕獲， 測(cè)量開始時(shí)，兩船相對(duì)較遠(yuǎn)，測(cè)量船上的測(cè)量單元對(duì)視場(chǎng)內(nèi)一定區(qū)域進(jìn)行成像掃描，直 到搜索到被測(cè)船合作目標(biāo)上的四個(gè)跟蹤中心點(diǎn)，然后鎖定跟蹤中心P點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)輸 出測(cè)量方位角α和俯仰角β ; 步驟三，測(cè)量數(shù)據(jù)采集， 啟動(dòng)激光測(cè)距傳感器，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距，采集測(cè)距值L ; 啟動(dòng)姿態(tài)測(cè)量傳感器，對(duì)船體本身進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數(shù)據(jù)； 步驟四，測(cè)量數(shù)據(jù)處理， 瞄準(zhǔn)測(cè)量部分對(duì)采集到的方位角α和俯仰角β，激光測(cè)距值L，船橫搖角Θ和縱搖角 Φ數(shù)據(jù)綜合處理，得到兩船空間位置三維坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙船間空間位置測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，步驟四 所述的數(shù)據(jù)綜合處理方法包括以下步驟： 第一步，以測(cè)量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點(diǎn)，以垂直船甲板平面為Ζ。軸，指向船艏方向?yàn)閄。 軸，建立測(cè)量站右手直角坐標(biāo)系OHZ。； 第二步，目標(biāo)的船體極坐標(biāo)位置（L, α，β)變換為船體直角坐標(biāo)位置（x^y^z。）； 第三步，大地坐標(biāo)系以測(cè)量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心〇為原點(diǎn)，以垂直于水平面方向向上為Z軸， 以水平面內(nèi)指向船艏方向?yàn)閄軸，建立的右手直角坐標(biāo)系OXYZ ; 第四步，目標(biāo)的船體直角坐標(biāo)位置（X。，^。）變換為大地直角坐標(biāo)位置； 具體計(jì)算公式如下，船體直角坐標(biāo)位置變換：
橫搖及縱搖角坐標(biāo)變換：
由上述計(jì)算公式可知，通過(guò)測(cè)量距離值L，方位角α和俯仰角β，船橫搖角Θ和縱搖 角9,通過(guò)數(shù)據(jù)處理即可獲得兩船間空間位置Χ(ι，％，Ζ(ι。
【文檔編號(hào)】G01S17/08GK104215967SQ201410440391
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】劉紹錦, 王志乾, 李建榮, 沈鋮武, 劉暢, 劉玉生, 王旻, 李雪雷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所