船舶电场防护中电场传感器姿态位置测量方法

摘要

本发明提供一种船舶电场防护中电场传感器姿态位置测量方法，具体步骤为：步骤一、设计测量装置，该测量装置与船舶电、磁场传感器固连；选取一个由三个相互正交的支杆组成的支架，该支架形成三维正交坐标系；在每一坐标轴正方向的支架上设置一加速度计，且每一加速度计敏感轴与其所处的坐标轴重合；在每一坐标轴正方向的支架上固连一陀螺仪，其每一陀螺仪敏感轴与其所固连的坐标轴平行；步骤二、数据测量；步骤三、数据处理，获取电、磁场传感器姿态位置；本发明利用加速度计和陀螺仪可实现对船舶电、磁场的准确测量，该方法实现，且测量结果准确，测量成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于电、磁场防护技术领域，具体涉及一种船舶电场防护技术中测 量传感器姿态位置测量方法。

背景技术

在需要对船舶防护电场进行测量时，例如，预期船舶会经过某一航道时， 需要事先在其航道下布放数个电场测量设备，构成电场测量阵列，每个测量设 备间隔大约在15米左右，以测量船舶电场大小。当外舰离开时，再回收电场测 量设备。但是，利用目前这套测量方法存在两大问题：

①虽然能够事先布放电场传感器，但是布放的电场传感器在从海面落到水 底的过程中，在海流、海浪、布放船颠簸等影响下，其运动的随机性很大，无 法确定布放的电场传感器的准确位置；

②海底一般并不平坦，测得的电场方向难以确定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种船舶电场防护中电场传感器姿态位置测量方法， 该方法可以快速运算出船舶电场传感器姿态和位置，过程简单，且实现成本低。

实现本发明的技术方案如下：

一种船舶电场防护中电场传感器姿态位置测量方法，具体步骤为：

步骤一、制作测量装置，该测量装置与电场传感器固连；

所述测量装置包含一个由三个相互正交的支杆组成的支架，该支架形成三 维正交坐标系；在每一坐标轴正方向的支架上设置一加速度计，且每一加速度 计敏感轴与其所处的坐标轴重合；在每一坐标轴正方向的支架上固连一陀螺仪， 其每一陀螺仪敏感轴与其所固连的坐标轴平行；

步骤二、数据测量；

首先、将所述测量装置置于水中，并在预设的t时间内保持不动；其次、 将所述测量装置迅速拉出水面；再次、在所述测量装置拉出水面时，将GPS定 位装置安装在该测量装置上；

在执行数据测量过程中实时采集加速度计、陀螺仪以及GPS生成的数据；

步骤三、数据处理，获取电场传感器姿态位置；

姿态计算：根据陀螺仪和加速度计生成的数据计算电场传感器的姿态；

位置计算：基于GPS定位装置生成的、表示测量装置位置的GPS数据，对 陀螺仪和加速度计输出数据的运算结果进行逆运算，获取电场传感器的位置。

本发明所述逆运算的过程为：

步骤101、将测量装置在水下布放的位置设为原点（0，0，0）；

步骤102、根据测量装置拉出水面过程中陀螺仪和加速度计生成的数据，计 算出测量装置拉出水面并安装完毕GPS时，测量装置相对于原点的位置（x,y,z）；

步骤103、将GPS定位装置测量的位置（xd,yd,zd）与所述位置（x,y,z） 进行比较，获取位置差（△x，△y，△z），所述位置差即为测量装置在水下布 放的真实位置，根据该真实位置获取电场传感器的位置。

有益效果

本发明利用加速度计和陀螺仪可实现对电场传感器的准确测量，其测量结 果准确，测量成本较低。

附图说明

图1为本发明测量装置的示意图；

图2为本发明测量装置拉出水面时的运动路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种船舶电场防护中电场传感器姿态位置测量方法，该方法的测试 对象为船舶电场传感器，本实施例中所测量的电场传感器位于一个由三个支杆 相互正交形成的支架上，具体步骤为：

步骤一、制作测量装置，该测量装置与电场传感器所处的支架固连，从而 保证电场传感器与测量装置之间的位置相对固定；如图1所示，该测量装置是 采用如下方法设计的：选取一个由三个相互正交的支杆组成的支架，该支架形 成三维正交坐标系（即形成一导航坐标系oxyz）；在每一坐标轴正方向的支架上 设置一加速度计，且每一加速度计敏感轴与其所处的坐标轴重合；在每一坐标 轴正方向的支架上固连一陀螺仪，且每一陀螺仪敏感轴与其所固连的坐标轴平 行。

由于该测量装置与船舶电场传感器固连，这两者的位置相对确定，因此可 以在实验室测量出各传感器的安装夹角，确定出电场传感器与测量装置的相对 姿态和位置，如图1中虚线所示。因此当知道测量装置的位置与姿态时，便可 获知船舶电场传感器的位置与姿态。

本实施例中可以使每一陀螺仪通过固定杆固连于支架上，也可使每一陀螺 仪直接安装在支架上。

步骤二、数据测量；

如图2所示，首先、将所述测量装置置于水中，并在预设的t时间内保持 不动；其次、利用测量船、绳缆等工具迅速回收本测量装置，最好在2分钟之 内将本装置拉出水面；再次、在所述测量装置拉出水面时，立即将载波相位差 分GPS定位装置安装在本测量装置的某个确定位置上；同时，在执行数据测量 过程中实时采集加速度计、陀螺仪以及GPS生成的数据。

本发明所述预设的t时间为10min以上，该装置保持静止不动10min后， 即可保证姿态测量精度优于0.005度，若保持静止时间更长，则其姿态测量精 度更高。

步骤三、数据处理，获取电场传感器姿态位置；

姿态计算：根据陀螺仪和加速度计生成的数据计算船舶电场传感器的姿态。

姿态测量原理：本发明利用两个水平加速度计测量重力加速度在坐标轴ox 和oy上的分量，从而确定坐标系的oxy平面与大地坐标系的夹角；利用陀螺仪 测量地球自转角速度确定该坐标系（导航坐标系）与地球北向的夹角。具体的 计算过程为现有技术，非本发明的创新点，其详细原理参考捷联惯导的初始对 准方法。

位置计算：基于GPS定位装置生成的、表示测量装置位置的GPS数据，对 陀螺仪和加速度计输出数据的运算结果进行逆运算，获取船舶电场传感器的位 置。

位置测量原理:在坐标系oxyz中，设本测量装置在水下布放的位置为 （0,0,0）点，当初始对准完成后，即可知道本测量装置在水下布放的姿态。当 测量任务完成后，在本装置回收过程中，利用捷联惯性导航算法，可以解算出 其运动轨迹上任意点在坐标系oxyz中的位置，并最终解算出本装置出水后、GPS 安装完毕时本装置在坐标系oxyz的位置（x,y,z），此时解算的位置皆相对于参 考点为本测量装置在水下布放的位置点（即坐标系原点（0,0,0））的位置。同 时，当本装置出水后，GPS可以给出本装置在大地坐标系中的精确位置 （xd,yd,zd），其误差在厘米级。利用本装置在大地坐标系中的位置（xd,yd,zd） 与GPS放置完毕时计算出的位置（x,y,z）进行比较，逆运算反推出本装置回收 过程中其运动轨迹上任意点在大地坐标系中的位置，也可以反推出本测量装置 布放在水下保持静止状态时在大地坐标系中的位置。

本发明所述逆运算的过程为：

步骤101、将测量装置在水下布放的位置设为原点（0，0，0）；

步骤102、根据测量装置拉出水面过程中陀螺仪和加速度计生成的数据，计 算出测量装置拉出水面、并安装完毕GPS时，测量装置相对于原点的位置 （x,y,z）；

步骤103、将GPS定位装置测量的、本测量装置相对于大地的位置（xd,yd,zd） 与本测量装置相对于坐标系（oxyz）的位置（x,y,z）进行比较，获取位置差（△ x，△y，△z），所述位置差即为所述测量装置在水下布放的、相对于大地坐标 系的位置，根据该位置获取船舶电场传感器的位置。

位置测量误差：

假设本装置选用的石英加速度计精度为30μg，初始对准10分钟，选用U50 型激光陀螺仪精度为0.01°/h，载波相位差分GPS误差为2cm，回收本装置时间 为2分钟。

经过调研，得知从大量工程经验中，前辈们总结出惯性导航误差的经验公 式如下，该公式的计算结果时间越短越精确，当时间超过几个小时后，计算误 差会变的很大。

导航误差=初始对准误差×运动距离+（加速度计误差×时间的2次方）/2+ （陀螺仪零偏×时间的3次方）/6

一般的，加速度计精度为30μg，初始对准10分钟后，初始对准姿态误差 为0.005度

所以：

导航误差=0.005×约20米+（30×10^-6×120²）/2+（0.01/(3600s)×120³） /6

=0.1+0.216+0.8

=1.116米

≈1米

如果要提高测量精度，需要减小本装置开始运动到出水的时间，如果能够 控制在一分钟内，则导航误差为：

导航误差=0.005×约20米+（30×10^-6×60²）/2+（0.01/(3600s)×60³）/6

=0.1+0.054+0.1

=0.254米

器件的选用：

加速度计：选用优于导航级的石英加速度计，该加速度计制作技术已经成 熟，市面产品较多，精度约选用20μg～30μg即可，该精度加速度计约2～3 万元每只，共需3只；本发明也可以选用摆式加速度计。

陀螺仪：目前流行激光陀螺仪，例如可选用市面上物美价廉的U50型激光 陀螺仪，精度优于0.01°/h，每只约12万元，共需三只。需要特别说明的是， 调研得知U50型激光陀螺仪一般精度在0.007°/h左右；本发明也可以选用动力 调谐陀螺仪、光纤陀螺仪、三浮陀螺仪或静电陀螺仪。

因此本发明在耗费较小成本低的情况下，可精确测出船舶电场传感器的位 置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。