雙船間空間位置的精確測量系統及其測量方法
【專利摘要】雙船間空間位置的精確測量系統及其測量方法，屬于光學測量【技術領域】，為了實現在一定海況下船正常航行時的空間位置測量，測量設備分為測量系統和合作目標兩部分，分別安裝于兩船上；測量系統安裝于測量船固定安裝點，合作目標安裝于被測船只固定安裝點；合作目標安裝于目標船，具體包括反射面和跟蹤目標兩部分，反射面具有高反射率的金屬平板，用作激光測距反射面；跟蹤目標為四個可發光的目標點，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;測量數據采集，激光測距傳感器對目標進行激光測距，采集測距值L;姿態測量傳感器對船體本身進行姿態測量；測量數據處理。
【專利說明】雙船間空間位置的精確測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙船間空間位置的精確測量系統及其測量方法，屬于光學測量技 術領域。
【背景技術】
[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軸上的三個位置坐標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 是運動的，測量過程需要對此補償。
【發明內容】
[0004] 本發明為了實現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及其測量方法。
[0005] 發明的技術方案是：
[0006] 雙船間空間位置的精確測量系統，其特征是，其包括瞄準測量部分、船姿態測量部 分、激光測距部分和數據顯示部分；
[0007] 瞄準測量部分為主體部分，其包含光電經緯儀、跟蹤控制系統和數據處理系統三 個部分；光電經緯儀可以對合作目標成像，實時跟蹤，并記錄其瞄準角；跟蹤控制系統是光 電經緯儀的跟蹤控制電系統，通過實時跟蹤算法，對目標進行跟蹤；數據處理系統將激光測 距數據、船姿態角測量數據及瞄準角數據進行處理，獲得兩船間空間位置數據；
[0008] 船姿態測量部分通過電連接器連接到瞄準測量部分，將采集到的姿態測量傳感器 數據實時發送到瞄準測量部分進行處理；
[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測量部分，根據 命令將測距數據發送到瞄準測量部分；
[0010] 數據顯示部分是將瞄準測量部分獲得的數據，通過顯示器以數值的形式顯示出 來；
[0011] 合作目標安置于目標船固定位置，包括反射面和跟蹤目標，反射面具有高的反射 率，用于激光測距；跟蹤目標為可發光的目標點，用于跟蹤識別。
[0012] 雙船間空間位置的精確測量系統的測量方法，其特征是，包括以下步驟：
[0013] 步驟一，測量設備安裝，
[0014] 測量設備分為測量系統和合作目標兩部分，分別安裝于兩船上；測量系統安裝于 測量船固定安裝點，合作目標安裝于被測船只固定安裝點；
[0015] 合作目標安裝于目標船，具體包括反射面和跟蹤目標兩部分，反射面具有高反射 率的金屬平板，用作激光測距反射面；跟蹤目標為四個可發光的目標點，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，測量目標捕獲，
[0017] 開始時候，兩船相對較遠，測量船上的測量系統對視場內一定區域進行成像掃描， 直到搜索到被測船合作目標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，測量數據采集，
[0019] 啟動激光測距傳感器，對目標進行激光測距，采集測距值L ;
[0020]啟動姿態測量傳感器，對船體本身進行姿態測量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數 據；
[0021] 步驟四，測量數據處理，
[0022] 瞄準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數據綜合處理，得到兩船空間位置三維坐標。
[0023] 步驟四所述的數據綜合處理方法包括以下步驟：
[0024] 第一步，以測量設備回轉中心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系0HZ。；
[0025] 第二步，目標的船體極坐標位置（L, α，β )變換為船體直角坐標位置（X。，y。，ζ。）；
[0026] 第三步，大地坐標系以測量設備回轉中心0為原點，以垂直于水平面方向向上為Z 軸，以水平面內指向船艏方向為X軸，建立的右手直角坐標系0ΧΥΖ ;
[0027] 第四步，目標的船體直角坐標位置（x。，^。）變換為大地直角坐標位置 (χ〇, y〇, z〇)；
[0028] 具體計算公式如下，船體直角坐標位置變換：
[0029]
【權利要求】
1. 雙船間空間位置的精確測量系統，其特征是，其包括測量單元和合作目標，該測量單 元包括瞄準測量裝置、船姿態測量裝置、激光測距裝置和數據顯示裝置； 瞄準測量裝置為主體，其包含光電經緯儀、跟蹤控制器和數據處理器；光電經緯儀可以 對合作目標成像，實時跟蹤，并記錄其瞄準角；跟蹤控制器用于跟蹤控制光電經緯儀，通過 實時跟蹤算法，對合作目標進行跟蹤；數據處理器將激光測距數據、船姿態角測量數據及瞄 準角數據進行處理，獲得兩船間空間位置數據； 船姿態測量裝置為姿態測量傳感器，其通過電連接器連接到瞄準測量裝置，將采集到 的姿態測量傳感器數據實時發送到瞄準測量裝置進行處理； 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測量裝置，根據命令將 測距數據發送到瞄準測量裝置； 數據顯示裝置是將瞄準測量裝置獲得的數據，通過顯示器以數值的形式顯示出來； 合作目標安置于目標船固定位置，其包括反射面和跟蹤目標，反射面具有高的反射率， 用于激光測距；跟蹤目標為可發光的目標點，用于跟蹤識別。
2. 基于雙船間空間位置的精確測量系統的測量方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一，測量設備安裝， 測量設備分為測量單元和合作目標，分別安裝于兩船上；測量單元安裝于測量船固定 安裝點，合作目標安裝于被測船只固定安裝點； 該測量單元包括瞄準測量裝置、船姿態測量裝置、激光測距裝置和數據顯示裝置； 瞄準測量裝置為主體，包含光電經緯儀、跟蹤控制器和數據處理器；光電經緯儀可以對 合作目標成像，實時跟蹤，并記錄其瞄準角；跟蹤控制器用于跟蹤控制光電經緯儀，通過實 時跟蹤算法，對合作目標進行跟蹤；數據處理器將激光測距數據、船姿態角測量數據及瞄準 角數據進行處理，獲得兩船間空間位置數據； 船姿態測量裝置為姿態測量傳感器，其通過電連接器連接到瞄準測量裝置，將采集到 的姿態測量傳感器數據實時發送到瞄準測量裝置進行處理； 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測量裝置，根據命令將 測距數據發送到瞄準測量裝置； 數據顯示裝置是將瞄準測量裝置獲得的數據，通過顯示器以數值的形式顯示出來； 合作目標安裝于目標船上，其具體包括反射面和跟蹤目標，反射面具有高反射率的金 屬平板，用作激光測距反射面；跟蹤目標為四個可發光的目標點，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一定區域進行成像掃描，直 到搜索到被測船合作目標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，測量數據采集， 啟動激光測距傳感器，對目標進行激光測距，采集測距值L ; 啟動姿態測量傳感器，對船體本身進行姿態測量，采集船橫搖角Θ和縱搖角φ數據； 步驟四，測量數據處理， 瞄準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數據綜合處理，得到兩船空間位置三維坐標。
3.根據權利要求2所述的雙船間空間位置測量系統的測量方法，其特征在于，步驟四 所述的數據綜合處理方法包括以下步驟： 第一步，以測量設備回轉中心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系OHZ。； 第二步，目標的船體極坐標位置（L, α，β)變換為船體直角坐標位置（x^y^z。）； 第三步，大地坐標系以測量設備回轉中心〇為原點，以垂直于水平面方向向上為Z軸， 以水平面內指向船艏方向為X軸，建立的右手直角坐標系OXYZ ; 第四步，目標的船體直角坐標位置（X。，^。）變換為大地直角坐標位置； 具體計算公式如下，船體直角坐標位置變換：
橫搖及縱搖角坐標變換：
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,通過數據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 優先權日:2014年8月29日
【發明者】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:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
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