专利名称：一种船舶定位装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于船舶定位技术领域，尤其涉及一种船舶传统定位手段的方法及装置。
背景技术：
船舶在海上航行，为了保证航行安全，需要能够随时知道自己准确的船位。要在茫茫大海上准确测量自己的位置，必须要以某些已知准确位置的参照物为基准，通过测量自己与这些目标之间的相对位置关系，来间接地确定自己当前所处的位置。当前最流行、最方便的定位手段是卫星定位(包括GPS、北斗、GL0NASS等)，这是 利用专用的导航仪接收来自多个卫星的微波信号(里面包含当前时刻每个卫星的准确位置)，通过测量所接受信号的载波相位来推算出自己与各颗卫星之间的距离，并利用距离交汇法来确定自己空间坐标的方法。此外还有利用雷达探测船舶周边的灯塔、岛礁等已知准确位置的参照物，通过测量船舶与这些参照物之间的方位和距离，来确定自己位置的方法。上述两种方法虽然自动化程度较高，应用起来比较方便，但是由于它们都是利用无线电波的原理进行工作的，所以在复杂电磁环境下，这些定位技术手段都会受到不同程度的影响，甚至根本无法使用。除了这些先进的定位技术手段之外，在航海学上，还有一些比较传统的定位方法，它们是利用磁罗经、方位圈、六分仪等设备，视觉观测灯塔、岛礁、山头等已知准确经纬度的固定参照物，通过测量这些物标相对于本船的方位、夹角和距离等要素，最终在纸质海图上手工绘算出本船当前在海图上所处位置的方法。这些方法不受电磁环境的影响，也不依赖于外部电源，具有较强的生命力，在航海上一直有着广泛的应用。但是这些方法的自动化程度不高，操作流程比较繁琐，单次定位耗时较久，也是其固有的弊端。
实用新型内容针对上述背景技术存在的缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种抗电磁干扰、提高船舶传统定位手段自动化程度的船舶快速精确定位方法及装置。为解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现一种船舶定位的方法，包括I)通过观测设备对已知物标进行测量，并得出下列参数中的一种a) 一已知物标的方位和距离，b)两已知物标的方位或距离，c)三已知物标的方位或距离，d)三已知物标两两之间的夹角；2)把测得参数传送至计算机；3)经计算机的计算输出当前船位。[0017]能够实现上述方法的一种船舶定位装置，包括转台和在所述转台上转动的观测设备以及与所述观测设备通过信号线缆连接的计算机，所述观测设备包括数码摄像机、轴角编码器。上述的一种船舶定位装置，其中，所述船舶定位装置包括电子海图，所述计算机输出的船位直接显示在电子海图上。本实用新型利用观测设备来快速完成对参照物方位、距离、夹角等要素的测量，并将所测得要素自动传送到计算机内，通过计算机来计算出本船当前的位置，从而提高传统定位手段的自动化程度和定位精度，本实用新型不利于无线电波，所以在复杂电磁环境下，也能正常工作。作为本实用新型进一步的改进，所述观测设备还包括激光测距仪和/或航向传感器，在已知物标有限的情况下，通过两标方位、两标距离或一距离一方位等解算模型同样也能计算出当前船位，计算机可直接输出经纬度，也可通过电子海图进行图形化标绘显示。·
图I为本实用新型船舶定位装置转台、观测设备的外形示意图；图2为本实用新型两标方位定位解算模型图；图3为本实用新型三标方位定位模型图；图4为本实用新型两标距离定位模型图；图5为本实用新型三标两角定位模型图；图6为本实用新型一标方位距离定位模型图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做出进一步说明。本实用新型船舶定位装置的转台2、观测设备I外观如图I所示，安装在船舶驾驶平台上能见范围良好的位置，用以对船舶周围的物标进行观测。观测设备I内置数码摄像机、激光测距仪、航向传感器，在转台2的控制下能够在水平方向上进行360度无间断旋转
I、上下方向上进行360度无间断俯仰，可对船舶周围任意方向的物标进行观察；观测设备I还内置了能够测量摄像机水平及俯仰旋转角度的轴角编码器。摄像机所拍摄到的视频信号、激光测距仪所测得的距离信息、轴角编码器所产生的角度信号以及航向信号均可通过专用的信号线缆传递至船载计算机。在船舶周围观测范围内的已知物标有三个或以上时，观测设备I只需配备数码摄像机和轴角编码器，就能通过三标两角解算模型计算出当前船位。观测设备I在驱动转台2的控制下对准所欲观测的目标时，观测设备I内置的水平轴角编码器能够实时输出该物标相对于船舶首位线的偏转角(舷角)；与此同时，观测设备I内置的航向传感器能够实时输出当前船舶首位线与子午线之间的夹角(航向角)，舷角与航向角的代数和，就是该物标的方位角。观测设备I在驱动转台2的控制下对准所欲观测的目标时，开启内置的激光测距装置，能够直接获得该物标到本船的直线距离。观测设备I先后对准所欲观测的若干物标，并依次记录下由轴角编码器提供的这些物标的舷角值，将这些舷角值进行代数运算，即可得到任意两个物标相对于测者之间的夹角。上述所有观测信息均可通过信号线缆传输到船载计算机，并由计算机进行采集、处理，最后根据专业的数学模型解算出当前船舶所在的位置，计算机可直接输出船舶所在位置的经纬度，也可通过电子海图进行图形化标绘显示。本实用新型具体涉及的解算数学模型如下I.两标方位定位解算模型两标方位定位的原理，同时测得海图上已知准确位置的两个物标的方位，通过做船位线方程来求解观测时的船位。如图2所示，设两个物标的坐标值为M2啉，I2)(为说明方便，设 入Z λ 2)，利用电子罗盘测得两物标的方位观测值CB1和CB2，海图上该区域的磁差Var值利用年差值等资料求解出来，自差Dev以观测物标时船艇的罗航向(CC)为引数查取自差表(需要内插)求�。霉紸C = Var+Dev求得罗经差。利用公式TB = CB+Λ C，修正罗经差的得到两物标的真方位分别为TB1和TB2,设测得的船位位于P点，需要求取P点的坐标。求解模型连线物标Ml和M2，得到Λ M1PM2，在此三角形中上，Z Ρ(简写为P)可通过两物标的方位差值得出，其值的范围为0° 180°，
ρ = ||Γ52-ZS1I if \TB -Hi1KlSO0~{360°-\ TB2-TB1 I else设线M1M2的方向为Q12，则
DX W φ-^φ, 90°<012<180°
O= arctan- {
Οφ [/ φ2>φι 0° < O12 <90°Z PM2M1 (简写为 M2)为
MTB2Iif iQ2-m2i<m。
2 _ [360°-1 elseM2其值的范围为0° 180°。由正弦公式可求得边PM1的长度，因
PM' M1M.矹，则有
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{ sin φ2 + cos φ cos φ2 cos DX，其中 DA = A2-A1得到M1M2 = arccos(sin φι sin φ2 + cos φ{ cos φ2 cos IM)( 2 )将式⑵代入式(I)，就可得到物标Ml与船位间的距离PM1。在求得了物标Ml与船位间的距离后，根据两者间的方向，利用公式 φ = SicosTCJ) A = .VLios TCLSec死可求得船位点与物标间的纬差与经差。物标Ml的真方位为TBl是从海上观测物标所得，则船位点P相对于物标Ml的方位角T的值为
-Jrsi-180。 IfTBl >180°
_ Ijb1+ 180。//'TB1 <180° 因Βφ = PMiCo^T ,得到
φΓ = Πφ+ φΛ=φΑ + PM1 cos T1由于船位距离物标较近，船位与物标间的纬差不大，为简化计算，可利用船位与物标的平均纬度(％ )代替公式中间的中分纬度-
ψη=\(φΡ+ψΛ)最后得到所测得的船位为
φρ = Οφ+ φΑ = φΑ + PM1 cos T
λρ = DX + Ai= λΑ + PM1Ciin JIiec φηι)2.三标方位定位解算模型如图3所示，观测三物标A、B、C(以B标为基准，为以推算船位与中标确定左标和右标)的方位分别为TB1，TB2，TB3，三条船位线相交，形成三角形DEF，该三角形为误三角形。对误差三角形进行处理，可得到三标方位定位的船位。误差三角形处理过程中，首先需要判断三标分布范围，若三标分布范围大于180°，可将船位处理在误差三角形的内心，若三标分布范围小于180°，最或然船位处理在三个船位点形成的三角形的外切圆旁心处。利用两标方位定位的求解模型，可得到两两方位船位线的三个交点的D、E、F的地理坐标值D (xD, yD)，E (xE, yE)，F (xF, yF)(此处，先将地理坐标值转换为直角坐标值)。判断三标分布范围的方法如下①先将三物标的按真方值的按从小到大的顺序进行排序，设所排顺序如下TBl, TB2, TB3。②求得最小的方位TBl的反方向TBM(作中间变量):TBM=TB1+180°③然后以TBM为基准，对其他两方位进行判断，如果TB2 < TBm且TB3 < TBm,或者TB2 > TBm且TB3 > TBm,则三标的分布范围小于180°。按下面的方法(I)处理误差三角形求取最或然船位。否则，三标的分布范围大于180，按下面的方法(2)处理误差三角形求取最或然船位。根据三标的分布范围，求取最或然船位(I)若三标的分布范围小于180°，此时的观测船位位于三个船位点形成的三角形的外切圆旁心处，为记三角形的3个顶点为D (xD, yD), E (xE, yE), F (xF, yF)，该三角形外接圆的圆心为Ρ(χρ, yp),其坐标值为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)若三标的分布范围大于180°，此时的观测船位位于三个船位点形成的三角形的内心处，则P(xp，yp)的值可按如下方法求取
__ axD + Ivce + cxFX 厂 a\b + C(4)
_ ay a +by E+cyF
、p a+b+c式⑷中，a，b，c为三个船位所形成的三角形的三边的边长，其中，a =| DE I= ^Jixf -xDf+(yE-yDf ,同理，6=丨 ￡F [= ^j(xF-xEf+(yF-yEfc =| DF I=P (xp, yp)即为利用三标方位定位所求得的船位。3.两标距离定位解算模型已知海图上两物标的坐标值(预先将经线度值转换成像素值)分别为M1 (X1, Y1)、M2 (x2, y2)，利用测距仪器测得船位与两物标间的距离值分别为a和b。以两物标M1 (X1, Y1)、M2(x2, y2)为圆心，分别以a和b为半径作圆�。皆不〉慕坏鉖即为观测时刻的船位，如图4所示。已知船位点P与两物标的距离a和b，要求P点的坐标值P (X，y)。其方法如下由方程组(X-X1)2+ (y-y^ 2=a2(5)(x-x2)2+ (y-y2) 2=b2(6)可得到X = Μ —办2) — [(-yI2 — 4 ) + 2>；(-> 2 — )\ ) + (j' — VI)](7)
2(x2 --T1)将式(7)代入到方程(5)，即可求y的值，则P点的坐标值P(x，y)就可得到，然后将其转化为地理坐标值，直接在海图上进行标注。[0099]4.三标距离定位解算模型三标距离定位采用与三方位定位相同的方式进行处理，因三条距离船位线亦形成误差三角形，误差三角形的处理方式与三方位定位误差三角形的处理方式相同。通过两标距离的求解公式求得误差三角形的三个顶点，原后利用三标方位定位解算模型中所给出的模型求解。5.三标两角定位解算模型三标两角定位中观测的左、中、右标(物标的经度不同时，以经度为基准确定左、中、右标，经度最小的左标；若经度相同，以纟韦度值来确定，纟韦度值最的为左标)，如图5中A、M、B所示，设其已知坐标分别为(xA，yA)、(xM，yM)、(xB，yB)，利用测角仪器测定的两水平角(即左标A与中标M、中标M与右标B之间的夹角)分别为α、β，Ρ点即位欲解算船位。 令左标A与中标Μ、中标M与右标B间的距离分别为AM = a, BM=b，有a =丨::)2+([.:) ):Jy = j)2 + (a :以中标M为基准，则左标A与右标B相对于中标M的方位角分别为Ψμλ = tan-1 Χα_Χμ φΜΒ = tan-1
^y.4-yM或
Λ) — yI — yΨμα = cos—1 — φΜΒ = COS—1 Β Μ
aο进而可求得右标与左标间的夹角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从而有
a _ sin φ _ MPsin β _ a _asinfi
ten u —-=-參-=-
sin 傲 b MPsina hsina故e = tan1^-^-(9)
ft sin Ar由于
权利要求1.一种船舶定位装置，其特征在于所述船舶定位装置包括转台和在所述转台上转动的观测设备以及与所述观测设备通过信号线缆连接的计算机，所述观测设备包括数码摄像机、轴角编码器。
2.根据权利要求I所述的一种船舶定位装置，其特征在于所述观测设备还包括激光测距仪和/或航向传感器。
3.根据权利要求I或2所述的一种船舶定位装置，其特征在于所述观测设备在所述转台控制下，在水平方向和上下方向上进行360度无间断旋转。
4.根据权利要求I或2所述的一种船舶定位装置，其特征在于所述船舶定位装置包括电子海图，所述计算机输出的船位直接显示在电子海图上。
专利摘要本实用新型公开了一种抗电磁干扰、提高船舶传统定位手段自动化程度的船舶快速精确定位方法及装置，装置包括转台和在所述转台上转动的观测设备以及与所述观测设备通过信号线缆连接的计算机，所述观测设备包括数码摄像机、轴角编码器。本实用新型利用观测设备来快速完成对参照物方位、距离、夹角等要素的测量，并将所测得要素自动传送到计算机内，通过计算机来计算出本船当前的位置，从而提高传统定位手段的自动化程度和定位精度；本实用新型不利于无线电波，所以在复杂电磁环境下，也能正常工作。
文档编号G01S5/00GK202693786SQ201220196948
公开日2013年1月23日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者魏旭冠, 李明, 赵柯, 时昌金, 王则胜 申请人:中国人民解放军镇江船艇学院, 赵柯
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