雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)及其測量方法
【專利摘要】雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)及其測量方法，屬于光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，為了實現(xiàn)在一定海況下船正常航行時的空間位置測量，測量設(shè)備分為測量系統(tǒng)和合作目標(biāo)兩部分，分別安裝于兩船上；測量系統(tǒng)安裝于測量船固定安裝點，合作目標(biāo)安裝于被測船只固定安裝點；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，用作激光測距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個可發(fā)光的目標(biāo)點，通過對四個點進行擬合求出中心點作為跟蹤中心；測量目標(biāo)捕獲，鎖定跟蹤中心P點進行跟蹤，實時輸出測量方位角a和俯仰角e;測量數(shù)據(jù)采集，激光測距傳感器對目標(biāo)進行激光測距，采集測距值L;姿態(tài)測量傳感器對船體本身進行姿態(tài)測量；測量數(shù)據(jù)處理。
【專利說明】雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)及其測量方法

【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量系統(tǒng)及其測量方法，屬于光學(xué)測量技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國海上航行活動日益頻繁，尤其是遠洋航行活動日漸增加，由于艦船航程 長，需要及時進行燃料、淡水等資源的補充。補充過程中，就需要對兩船之間的相對位置進 行測量。另外，在一些船舶的建造過程中，需要對船的運動特性進行測量標(biāo)定，這就需要對 船塢附近航行的船只與船塢固定檢測面間的相對位置進行測量，這些測量將有助于船只的 標(biāo)定建造及性能檢測。
[0003] 對于行進中的兩船而言，由于行進方向相同，兩船中心線可以視為平行，因此需要 測量的相對位置包括三個坐標(biāo)軸上的三個位置坐標(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。測量過程難點在于兩船相距較遠，且位置不固定， 測量前需要對目標(biāo)進行搜索識別；另外，由于測量船自身受海況影響而搖動，因此測量基準(zhǔn) 是運動的，測量過程需要對此補償。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了實現(xiàn)在一定海況下船正常航行時的空間位置測量，提出一種雙船間空 間位置的精確測量系統(tǒng)及其測量方法。
[0005] 發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)，其特征是，其包括瞄準(zhǔn)測量部分、船姿態(tài)測量部 分、激光測距部分和數(shù)據(jù)顯示部分；
[0007] 瞄準(zhǔn)測量部分為主體部分，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 個部分；光電經(jīng)緯儀可以對合作目標(biāo)成像，實時跟蹤，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)，通過實時跟蹤算法，對目標(biāo)進行跟蹤；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將激光測 距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測量數(shù)據(jù)及瞄準(zhǔn)角數(shù)據(jù)進行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)；
[0008] 船姿態(tài)測量部分通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量部分，將采集到的姿態(tài)測量傳感器 數(shù)據(jù)實時發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量部分進行處理；
[0009] 激光測距部分主要部件為激光測距機，通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量部分，根據(jù) 命令將測距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量部分；
[0010] 數(shù)據(jù)顯示部分是將瞄準(zhǔn)測量部分獲得的數(shù)據(jù)，通過顯示器以數(shù)值的形式顯示出 來；
[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，用于激光測距；跟蹤目標(biāo)為可發(fā)光的目標(biāo)點，用于跟蹤識別。
[0012] 雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是，包括以下步驟：
[0013] 步驟一，測量設(shè)備安裝，
[0014] 測量設(shè)備分為測量系統(tǒng)和合作目標(biāo)兩部分，分別安裝于兩船上；測量系統(tǒng)安裝于 測量船固定安裝點，合作目標(biāo)安裝于被測船只固定安裝點；
[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，用作激光測距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個可發(fā)光的目標(biāo)點，通過對四個點進行 擬合求出中心點作為跟蹤中心；
[0016] 步驟二，測量目標(biāo)捕獲，
[0017] 開始時候，兩船相對較遠，測量船上的測量系統(tǒng)對視場內(nèi)一定區(qū)域進行成像掃描， 直到搜索到被測船合作目標(biāo)上的四個跟蹤中心點，然后鎖定跟蹤中心P點進行跟蹤，實時 輸出測量方位角α和俯仰角β ;
[0018] 步驟三，測量數(shù)據(jù)采集，
[0019] 啟動激光測距傳感器，對目標(biāo)進行激光測距，采集測距值L ;
[0020]啟動姿態(tài)測量傳感器，對船體本身進行姿態(tài)測量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數(shù) 據(jù)；
[0021] 步驟四，測量數(shù)據(jù)處理，
[0022] 瞄準(zhǔn)測量部分對采集到的方位角α和俯仰角β，激光測距值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，以測量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點，以垂直船甲板平面為Ζ。軸，指向船艏方向 為X。軸，建立測量站右手直角坐標(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)系以測量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點，以垂直于水平面方向向上為Z 軸，以水平面內(nèi)指向船艏方向為X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量系統(tǒng)，其特征是，其包括測量單元和合作目標(biāo)，該測量單 元包括瞄準(zhǔn)測量裝置、船姿態(tài)測量裝置、激光測距裝置和數(shù)據(jù)顯示裝置； 瞄準(zhǔn)測量裝置為主體，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 對合作目標(biāo)成像，實時跟蹤，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 實時跟蹤算法，對合作目標(biāo)進行跟蹤；數(shù)據(jù)處理器將激光測距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測量數(shù)據(jù)及瞄 準(zhǔn)角數(shù)據(jù)進行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)； 船姿態(tài)測量裝置為姿態(tài)測量傳感器，其通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量裝置，將采集到 的姿態(tài)測量傳感器數(shù)據(jù)實時發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量裝置進行處理； 激光測距裝置為激光測距傳感器，其通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量裝置，根據(jù)命令將 測距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量裝置； 數(shù)據(jù)顯示裝置是將瞄準(zhǔn)測量裝置獲得的數(shù)據(jù)，通過顯示器以數(shù)值的形式顯示出來； 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， 用于激光測距；跟蹤目標(biāo)為可發(fā)光的目標(biāo)點，用于跟蹤識別。
2. 基于雙船間空間位置的精確測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一，測量設(shè)備安裝， 測量設(shè)備分為測量單元和合作目標(biāo)，分別安裝于兩船上；測量單元安裝于測量船固定 安裝點，合作目標(biāo)安裝于被測船只固定安裝點； 該測量單元包括瞄準(zhǔn)測量裝置、船姿態(tài)測量裝置、激光測距裝置和數(shù)據(jù)顯示裝置； 瞄準(zhǔn)測量裝置為主體，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 合作目標(biāo)成像，實時跟蹤，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，通過實 時跟蹤算法，對合作目標(biāo)進行跟蹤；數(shù)據(jù)處理器將激光測距數(shù)據(jù)、船姿態(tài)角測量數(shù)據(jù)及瞄準(zhǔn) 角數(shù)據(jù)進行處理，獲得兩船間空間位置數(shù)據(jù)； 船姿態(tài)測量裝置為姿態(tài)測量傳感器，其通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量裝置，將采集到 的姿態(tài)測量傳感器數(shù)據(jù)實時發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量裝置進行處理； 激光測距裝置為激光測距傳感器，其通過電連接器連接到瞄準(zhǔn)測量裝置，根據(jù)命令將 測距數(shù)據(jù)發(fā)送到瞄準(zhǔn)測量裝置； 數(shù)據(jù)顯示裝置是將瞄準(zhǔn)測量裝置獲得的數(shù)據(jù)，通過顯示器以數(shù)值的形式顯示出來； 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，用作激光測距反射面；跟蹤目標(biāo)為四個可發(fā)光的目標(biāo)點，通過對四個點進行擬合求 出中心點作為跟蹤中心； 步驟二，測量目標(biāo)捕獲， 測量開始時，兩船相對較遠，測量船上的測量單元對視場內(nèi)一定區(qū)域進行成像掃描，直 到搜索到被測船合作目標(biāo)上的四個跟蹤中心點，然后鎖定跟蹤中心P點進行跟蹤，實時輸 出測量方位角α和俯仰角β ; 步驟三，測量數(shù)據(jù)采集， 啟動激光測距傳感器，對目標(biāo)進行激光測距，采集測距值L ; 啟動姿態(tài)測量傳感器，對船體本身進行姿態(tài)測量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數(shù)據(jù)； 步驟四，測量數(shù)據(jù)處理， 瞄準(zhǔn)測量部分對采集到的方位角α和俯仰角β，激光測距值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量系統(tǒng)的測量方法，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，以測量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心0為原點，以垂直船甲板平面為Ζ。軸，指向船艏方向為X。 軸，建立測量站右手直角坐標(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)系以測量設(shè)備回轉(zhuǎn)中心〇為原點，以垂直于水平面方向向上為Z軸， 以水平面內(nèi)指向船艏方向為X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：
由上述計算公式可知，通過測量距離值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】G01S17/08GK104215967SQ201410440391
【公開日】2014年12月17日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所