專利名稱：一種船舶定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于船舶定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種船舶傳統(tǒng)定位手段的方法及裝置。
背景技術(shù)：
船舶在海上航行，為了保證航行安全，需要能夠隨時知道自己準確的船位。要在茫茫大海上準確測量自己的位置，必須要以某些已知準確位置的參照物為基準，通過測量自己與這些目標之間的相對位置關(guān)系，來間接地確定自己當前所處的位置。當前最流行、最方便的定位手段是衛(wèi)星定位(包括GPS、北斗、GL0NASS等)，這是 利用專用的導航儀接收來自多個衛(wèi)星的微波信號(里面包含當前時刻每個衛(wèi)星的準確位置)，通過測量所接受信號的載波相位來推算出自己與各顆衛(wèi)星之間的距離，并利用距離交匯法來確定自己空間坐標的方法。此外還有利用雷達探測船舶周邊的燈塔、島礁等已知準確位置的參照物，通過測量船舶與這些參照物之間的方位和距離，來確定自己位置的方法。上述兩種方法雖然自動化程度較高，應用起來比較方便，但是由于它們都是利用無線電波的原理進行工作的，所以在復雜電磁環(huán)境下，這些定位技術(shù)手段都會受到不同程度的影響，甚至根本無法使用。除了這些先進的定位技術(shù)手段之外，在航海學上，還有一些比較傳統(tǒng)的定位方法，它們是利用磁羅經(jīng)、方位圈、六分儀等設(shè)備，視覺觀測燈塔、島礁、山頭等已知準確經(jīng)緯度的固定參照物，通過測量這些物標相對于本船的方位、夾角和距離等要素，最終在紙質(zhì)海圖上手工繪算出本船當前在海圖上所處位置的方法。這些方法不受電磁環(huán)境的影響，也不依賴于外部電源，具有較強的生命力，在航海上一直有著廣泛的應用。但是這些方法的自動化程度不高，操作流程比較繁瑣，單次定位耗時較久，也是其固有的弊端。

實用新型內(nèi)容針對上述背景技術(shù)存在的缺陷，本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種抗電磁干擾、提高船舶傳統(tǒng)定位手段自動化程度的船舶快速精確定位方法及裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種船舶定位的方法，包括I)通過觀測設(shè)備對已知物標進行測量，并得出下列參數(shù)中的一種a) 一已知物標的方位和距離，b)兩已知物標的方位或距離，c)三已知物標的方位或距離，d)三已知物標兩兩之間的夾角；2)把測得參數(shù)傳送至計算機；3)經(jīng)計算機的計算輸出當前船位。[0017]能夠?qū)崿F(xiàn)上述方法的一種船舶定位裝置，包括轉(zhuǎn)臺和在所述轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動的觀測設(shè)備以及與所述觀測設(shè)備通過信號線纜連接的計算機，所述觀測設(shè)備包括數(shù)碼攝像機、軸角編碼器。上述的一種船舶定位裝置，其中，所述船舶定位裝置包括電子海圖，所述計算機輸出的船位直接顯示在電子海圖上。本實用新型利用觀測設(shè)備來快速完成對參照物方位、距離、夾角等要素的測量，并將所測得要素自動傳送到計算機內(nèi)，通過計算機來計算出本船當前的位置，從而提高傳統(tǒng)定位手段的自動化程度和定位精度，本實用新型不利于無線電波，所以在復雜電磁環(huán)境下，也能正常工作。作為本實用新型進一步的改進，所述觀測設(shè)備還包括激光測距儀和/或航向傳感器，在已知物標有限的情況下，通過兩標方位、兩標距離或一距離一方位等解算模型同樣也能計算出當前船位，計算機可直接輸出經(jīng)緯度，也可通過電子海圖進行圖形化標繪顯示?！?br> 圖I為本實用新型船舶定位裝置轉(zhuǎn)臺、觀測設(shè)備的外形示意圖；圖2為本實用新型兩標方位定位解算模型圖；圖3為本實用新型三標方位定位模型圖；圖4為本實用新型兩標距離定位模型圖；圖5為本實用新型三標兩角定位模型圖；圖6為本實用新型一標方位距離定位模型圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做出進一步說明。本實用新型船舶定位裝置的轉(zhuǎn)臺2、觀測設(shè)備I外觀如圖I所示，安裝在船舶駕駛平臺上能見范圍良好的位置，用以對船舶周圍的物標進行觀測。觀測設(shè)備I內(nèi)置數(shù)碼攝像機、激光測距儀、航向傳感器，在轉(zhuǎn)臺2的控制下能夠在水平方向上進行360度無間斷旋轉(zhuǎn)
I、上下方向上進行360度無間斷俯仰，可對船舶周圍任意方向的物標進行觀察；觀測設(shè)備I還內(nèi)置了能夠測量攝像機水平及俯仰旋轉(zhuǎn)角度的軸角編碼器。攝像機所拍攝到的視頻信號、激光測距儀所測得的距離信息、軸角編碼器所產(chǎn)生的角度信號以及航向信號均可通過專用的信號線纜傳遞至船載計算機。在船舶周圍觀測范圍內(nèi)的已知物標有三個或以上時，觀測設(shè)備I只需配備數(shù)碼攝像機和軸角編碼器，就能通過三標兩角解算模型計算出當前船位。觀測設(shè)備I在驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2的控制下對準所欲觀測的目標時，觀測設(shè)備I內(nèi)置的水平軸角編碼器能夠?qū)崟r輸出該物標相對于船舶首位線的偏轉(zhuǎn)角(舷角)；與此同時，觀測設(shè)備I內(nèi)置的航向傳感器能夠?qū)崟r輸出當前船舶首位線與子午線之間的夾角(航向角)，舷角與航向角的代數(shù)和，就是該物標的方位角。觀測設(shè)備I在驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2的控制下對準所欲觀測的目標時，開啟內(nèi)置的激光測距裝置，能夠直接獲得該物標到本船的直線距離。觀測設(shè)備I先后對準所欲觀測的若干物標，并依次記錄下由軸角編碼器提供的這些物標的舷角值，將這些舷角值進行代數(shù)運算，即可得到任意兩個物標相對于測者之間的夾角。上述所有觀測信息均可通過信號線纜傳輸?shù)酱d計算機，并由計算機進行采集、處理，最后根據(jù)專業(yè)的數(shù)學模型解算出當前船舶所在的位置，計算機可直接輸出船舶所在位置的經(jīng)緯度，也可通過電子海圖進行圖形化標繪顯示。本實用新型具體涉及的解算數(shù)學模型如下I.兩標方位定位解算模型兩標方位定位的原理，同時測得海圖上已知準確位置的兩個物標的方位，通過做船位線方程來求解觀測時的船位。如圖2所示，設(shè)兩個物標的坐標值為M2啉，I2)(為說明方便，設(shè) 入Z λ 2)，利用電子羅盤測得兩物標的方位觀測值CB1和CB2，海圖上該區(qū)域的磁差Var值利用年差值等資料求解出來，自差Dev以觀測物標時船艇的羅航向(CC)為引數(shù)查取自差表(需要內(nèi)插)求取，利用公式AC = Var+Dev求得羅經(jīng)差。利用公式TB = CB+Λ C，修正羅經(jīng)差的得到兩物標的真方位分別為TB1和TB2,設(shè)測得的船位位于P點，需要求取P點的坐標。求解模型連線物標Ml和M2，得到Λ M1PM2，在此三角形中上，Z Ρ(簡寫為P)可通過兩物標的方位差值得出，其值的范圍為0° 180°，
ρ = ||Γ52-ZS1I if \TB -Hi1KlSO0~{360°-\ TB2-TB1 I else設(shè)線M1M2的方向為Q12，則
DX W φ-^φ, 90°<012<180°
O= arctan- {
Οφ [/ φ2>φι 0° < O12 <90°Z PM2M1 (簡寫為 M2)為
MTB2Iif iQ2-m2i<m。
2 _ [360°-1 elseM2其值的范圍為0° 180°。由正弦公式可求得邊PM1的長度，因
PM' M1M.矹，則有
MMPM1 = -~~~L sin M2(I)
sin P式(I)中，M1M2可由球面公式求得。由公式cos M1M2 = sin φ{(diào) sin φ2 + cos φ cos φ2 cos DX，其中 DA = A2-A1得到M1M2 = arccos(sin φι sin φ2 + cos φ{(diào) cos φ2 cos IM)( 2 )將式⑵代入式(I)，就可得到物標Ml與船位間的距離PM1。在求得了物標Ml與船位間的距離后，根據(jù)兩者間的方向，利用公式 φ = SicosTCJ) A = .VLios TCLSec死可求得船位點與物標間的緯差與經(jīng)差。物標Ml的真方位為TBl是從海上觀測物標所得，則船位點P相對于物標Ml的方位角T的值為
-Jrsi-180。 IfTBl >180°
_ Ijb1+ 180。//'TB1 <180° 因Βφ = PMiCo^T ,得到
φΓ = Πφ+ φΛ=φΑ + PM1 cos T1由于船位距離物標較近，船位與物標間的緯差不大，為簡化計算，可利用船位與物標的平均緯度(％ )代替公式中間的中分緯度-
ψη=\(φΡ+ψΛ)最后得到所測得的船位為
φρ = Οφ+ φΑ = φΑ + PM1 cos T
λρ = DX + Ai= λΑ + PM1Ciin JIiec φηι)2.三標方位定位解算模型如圖3所示，觀測三物標A、B、C(以B標為基準，為以推算船位與中標確定左標和右標)的方位分別為TB1，TB2，TB3，三條船位線相交，形成三角形DEF，該三角形為誤三角形。對誤差三角形進行處理，可得到三標方位定位的船位。誤差三角形處理過程中，首先需要判斷三標分布范圍，若三標分布范圍大于180°，可將船位處理在誤差三角形的內(nèi)心，若三標分布范圍小于180°，最或然船位處理在三個船位點形成的三角形的外切圓旁心處。利用兩標方位定位的求解模型，可得到兩兩方位船位線的三個交點的D、E、F的地理坐標值D (xD, yD)，E (xE, yE)，F(xiàn) (xF, yF)(此處，先將地理坐標值轉(zhuǎn)換為直角坐標值)。判斷三標分布范圍的方法如下①先將三物標的按真方值的按從小到大的順序進行排序，設(shè)所排順序如下TBl, TB2, TB3。②求得最小的方位TBl的反方向TBM(作中間變量):TBM=TB1+180°③然后以TBM為基準，對其他兩方位進行判斷，如果TB2 < TBm且TB3 < TBm,或者TB2 > TBm且TB3 > TBm,則三標的分布范圍小于180°。按下面的方法(I)處理誤差三角形求取最或然船位。否則，三標的分布范圍大于180，按下面的方法(2)處理誤差三角形求取最或然船位。根據(jù)三標的分布范圍，求取最或然船位(I)若三標的分布范圍小于180°，此時的觀測船位位于三個船位點形成的三角形的外切圓旁心處，為記三角形的3個頂點為D (xD, yD), E (xE, yE), F (xF, yF)，該三角形外接圓的圓心為Ρ(χρ, yp),其坐標值為xp= ((yE-yD) (yF2-yD2+xF2_xD2) - (yF-yD) (yE2_yD2+xE2_xD2)) /(2 (xF-xD) (yE-yD) -2 ((xE-xD) (yF-yD)))yp = ((xE-xD) (xF2-xD2+yF2-yE2) - (xF_xD) (xE2-xD2+yE2-yD2)) / (3) (2 (yF-yD) (xE_xD) ~2 ((yE-yD) (xF_xD)))(2)若三標的分布范圍大于180°，此時的觀測船位位于三個船位點形成的三角形的內(nèi)心處，則P(xp，yp)的值可按如下方法求取
__ axD + Ivce + cxFX 廠 a\b + C(4)
_ ay a +by E+cyF
、p a+b+c式⑷中，a，b，c為三個船位所形成的三角形的三邊的邊長，其中，a =| DE I= ^Jixf -xDf+(yE-yDf ,同理，6=丨 ￡F [= ^j(xF-xEf+(yF-yEfc =| DF I=P (xp, yp)即為利用三標方位定位所求得的船位。3.兩標距離定位解算模型已知海圖上兩物標的坐標值(預先將經(jīng)線度值轉(zhuǎn)換成像素值)分別為M1 (X1, Y1)、M2 (x2, y2)，利用測距儀器測得船位與兩物標間的距離值分別為a和b。以兩物標M1 (X1, Y1)、M2(x2, y2)為圓心，分別以a和b為半徑作圓弧，兩圓弧的交點P即為觀測時刻的船位，如圖4所示。已知船位點P與兩物標的距離a和b，要求P點的坐標值P (X，y)。其方法如下由方程組(X-X1)2+ (y-y^ 2=a2(5)(x-x2)2+ (y-y2) 2=b2(6)可得到X = Μ —辦2) — [(-yI2 — 4 ) + 2>；(-> 2 — )\ ) + (j' — VI)](7)
2(x2 --T1)將式(7)代入到方程(5)，即可求y的值，則P點的坐標值P(x，y)就可得到，然后將其轉(zhuǎn)化為地理坐標值，直接在海圖上進行標注。[0099]4.三標距離定位解算模型三標距離定位采用與三方位定位相同的方式進行處理，因三條距離船位線亦形成誤差三角形，誤差三角形的處理方式與三方位定位誤差三角形的處理方式相同。通過兩標距離的求解公式求得誤差三角形的三個頂點，原后利用三標方位定位解算模型中所給出的模型求解。5.三標兩角定位解算模型三標兩角定位中觀測的左、中、右標(物標的經(jīng)度不同時，以經(jīng)度為基準確定左、中、右標，經(jīng)度最小的左標；若經(jīng)度相同，以纟韋度值來確定，纟韋度值最的為左標)，如圖5中A、M、B所示，設(shè)其已知坐標分別為(xA，yA)、(xM，yM)、(xB，yB)，利用測角儀器測定的兩水平角(即左標A與中標M、中標M與右標B之間的夾角)分別為α、β，Ρ點即位欲解算船位。 令左標A與中標Μ、中標M與右標B間的距離分別為AM = a, BM=b，有a =丨::)2+([.:) ):Jy = j)2 + (a :以中標M為基準，則左標A與右標B相對于中標M的方位角分別為Ψμλ = tan-1 Χα_Χμ φΜΒ = tan-1
^y.4-yM或
Λ) — yI — yΨμα = cos—1 — φΜΒ = COS—1 Β Μ
aο進而可求得右標與左標間的夾角Y
7=Ψμα-Ψ令 tan %m(P ,
sin 在Λ BMP 中有
sin0 sin . ΜΡ τιβ ———=——-=> sm =-—
b MP b在ΛΑΜΡ 中有
Γ π b MP . MP sin α-=-^>smm =-
sin a sina從而有
a _ sin φ _ MPsin β _ a _asinfi
ten u —-=-參-=-
sin 傲 b MPsina hsina故e = tan1^-^-(9)
ft sin Ar由于
權(quán)利要求1.一種船舶定位裝置，其特征在于所述船舶定位裝置包括轉(zhuǎn)臺和在所述轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動的觀測設(shè)備以及與所述觀測設(shè)備通過信號線纜連接的計算機，所述觀測設(shè)備包括數(shù)碼攝像機、軸角編碼器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種船舶定位裝置，其特征在于所述觀測設(shè)備還包括激光測距儀和/或航向傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種船舶定位裝置，其特征在于所述觀測設(shè)備在所述轉(zhuǎn)臺控制下，在水平方向和上下方向上進行360度無間斷旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種船舶定位裝置，其特征在于所述船舶定位裝置包括電子海圖，所述計算機輸出的船位直接顯示在電子海圖上。
專利摘要本實用新型公開了一種抗電磁干擾、提高船舶傳統(tǒng)定位手段自動化程度的船舶快速精確定位方法及裝置，裝置包括轉(zhuǎn)臺和在所述轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動的觀測設(shè)備以及與所述觀測設(shè)備通過信號線纜連接的計算機，所述觀測設(shè)備包括數(shù)碼攝像機、軸角編碼器。本實用新型利用觀測設(shè)備來快速完成對參照物方位、距離、夾角等要素的測量，并將所測得要素自動傳送到計算機內(nèi)，通過計算機來計算出本船當前的位置，從而提高傳統(tǒng)定位手段的自動化程度和定位精度；本實用新型不利于無線電波，所以在復雜電磁環(huán)境下，也能正常工作。
文檔編號G01S5/00GK202693786SQ201220196948
公開日2013年1月23日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者魏旭冠, 李明, 趙柯, 時昌金, 王則勝 申請人:中國人民解放軍鎮(zhèn)江船艇學院, 趙柯