一种水面水下两用自动定位跟踪系统及方法与流程

1.本发明涉及海洋环境观测技术领域，具体而言，涉及一种水面水下两用自动定位跟踪系统及方法。


背景技术：

2.目前，在进行海洋环境观测时，通常需要向水中投放搭载有声学释放器的水下观测系统（如潜标、海床基等），并确定其投放点的准确位置。
3.现有技术中，对于水下观测系统位置确定的常用做法是操控船体在到达至少三个不同位置后，使用船上的甲板操作单元分别测得水上换能器与位于水下的声学释放器之间的斜距，并结合上述三个测距位置的水深以及经纬度，手动进行三角函数运算，以此得到声学释放器在水下较为准确的位置。
4.但是，在实际的操作中，每次记录斜距、水深以及进行现场运算均会显著增加现场工作量，尤其在现场海况较差时，计算过程中很容易出现错误，从而无法在短时间内准确确定水下观测系统的实际投放位置，浪费人力物力和船时，造成一定的经济损失。
5.并且，当水下观测系统回收到达水面时，由于用于确定斜距的声学释放器在浮球的作用下漂浮于水面，因此系统极容易受到水面波浪以及风力的影响发生漂移和颠簸，难以快速及时地测得稳定的斜距数据，同时作为运动目标使用三点定位方法在计算时较为困难，进而导致无法获取目标的准确位置。


技术实现要素：

6.为此，本发明提供了一种水面水下两用自动定位跟踪系统及方法，以解决现有技术中通过声学释放器获取水下观测系统的准确位置时，现场工作量较大且易受海况影响而出现错误，以及在水下系统回收时声学释放器漂浮与水面时，受波浪及风力影响漂移较快、颠簸较大而导致的难以快速及时地测得斜距，从而无法通过计算及时获取目标的准确位置的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水面水下两用自动定位跟踪系统，设于主船体结构，所述定位跟踪系统包括：绳缆收放结构，设于所述主船体结构；所述绳缆收放结构包括绳缆辊以及绕设于所述绳缆辊的收放绳缆；和辅助定位遥控船，位于所述主船体结构的主体外部；所述辅助定位遥控船与所述收放绳缆远离所述绳缆辊的一端之间传动固接相连；和通信操控单元，分别设于所述主船体结构和所述辅助定位遥控船；以及自动定位跟踪器单元，设于所述船体结构的外部；所述自动定位跟踪器单元与所述通信操控单元之间远程通信相连。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：作为本发明的改进方案，所述辅助定位遥控船包括分别位于所述主船体结构的主
体外部两侧的第一辅助定位遥控船和第二辅助定位遥控船。
9.所述绳缆辊设有四组，且两两固定于所述主船体结构沿其航进方向的两侧端，一侧端的两组所述绳缆辊的收放绳缆在远离所述绳缆辊的一端与所述第一辅助定位遥控船之间传动固接相连，另一侧端的两组所述绳缆辊的收放绳缆在远离所述绳缆辊的一端与所述第二辅助定位遥控船之间传动固接相连。
10.作为本发明的改进方案，每一侧端的两组绳缆辊的收放速度以及收放绳缆长度均完全相同。
11.所述第一辅助定位遥控船和所述第二辅助定位遥控船均始终位于对应的两组所述绳缆辊之间连线的中垂线位置上。
12.作为本发明的改进方案，还包括电控制组件。
13.所述电控制组件包括电连接的电源及控制模块，所述控制模块与所述通信操控单元之间通过电路相连。
14.作为本发明的改进方案，所述电控制组件包括第一电控制模块、第二电控制模块和第三电控制模块；所述通信操控单元包括第一操控单元、第二操控单元和第三操控单元。
15.所述第一电控制模块和所述第一操控单元之间通过电路相连且均设于所述主船体结构，所述第二电控制模块和所述第二操控单元之间通过电路相连且均设于所述第一辅助定位遥控船，所述第三电控制模块和所述第三操控单元之间通过电路相连且均设于所述第二辅助定位遥控船。
16.作为本发明的改进方案，所述第一操控单元、所述第二操控单元和所述第三操控单元均包括操控面板主体以及分别设于所述操控面板主体的液晶触显屏、gps及天线外接端、甲板单元换能器、用于路径规划的开关及快捷键以及用于输入水深的输入按钮。
17.所述第一电控制模块、所述第二电控制模块和所述第三电控制模块中的控制模块分别一一相应地与所述液晶触显屏、所述gps及天线外接端和所述甲板单元换能器之间通过电路通信相连，所述开关及快捷键与所述输入按钮分别一一相应地与所述第一电控制模块、所述第二电控制模块和所述第三电控制模块中的控制模块的控制输入端之间通过电路相连。
18.所述第一电控制模块中的控制模块的控制输出端分别与位于所述主船体结构两侧端的所述绳缆辊的电输入端之间通过电路相连。
19.作为本发明的改进方案，所述自动定位跟踪器单元包括电路板以及分别设于所述电路板的电池、声学换能器、无线电天线和压力开关；所述电路板还具有gps和无线电通讯模块。
20.所述gps和无线电通讯模块通过所述无线电天线与所述gps及天线外接端通信相连，所述自动定位跟踪器单元分别与所述第一操控单元、所述第二操控单元和所述第三操控单元的甲板单元换能器之间通信相连。
21.一种应用所述的水面水下两用自动定位跟踪系统的方法，在获取自动定位跟踪器单元位于水下的实时准确位置时，包括以下步骤：s1：将自动定位跟踪器单元安装于水下观测系统上并投放至水中；s2：在将安装有自动定位跟踪器单元的水下观测系统投放至预定深度时，受水压作用自动定位跟踪器单元内部的声学换能器自动开启，此时设于主船体结构的第一操控单
元作为水上单元发出测距信号，声学换能器接收到测距信号并第一次给出其与第一操控单元内部的甲板单元换能器之间的实时斜距；s3：当第一次斜距测量完毕后，第一操控单元自动给出需要进行测量的另外两个定位点及主船体结构的航进路径规划，主船体结构继续根据路径规划前往另两个定位点，重复上述步骤分别进行第二次及第三次斜距测量，在三点斜距测量完毕后，第一操控单元通过输入按钮输入当前的水深数据以及第一操控单元通过其内部gps获得的经纬度自动进行三角函数计算，以此得到自动定位跟踪器单元在水下的实时准确位置，并显示于第一操控单元的液晶触显屏，用于投放记录及系统回收前的位置参考。
22.一种应用所述的水面水下两用自动定位跟踪系统的方法，在获取自动定位跟踪器单元位于水下的实时准确位置时，包括以下步骤：s1：将自动定位跟踪器单元安装于水下观测系统上并投放至水中；s2：分别遥控启动第一辅助定位遥控船和第二辅助定位遥控船，使第一辅助定位遥控船和第二辅助定位遥控船借助自身驱动性能自动航进，直至与遥控船相连的两组收放绳缆均自动释放到最大值后，遥控船停止航进；s3：在将自动定位跟踪器单元投放至预定深度时，受水压作用自动定位跟踪器单元内部的声学换能器自动开启，此时，设于主船体结构的第一操控单元、设于第一辅助定位遥控船的第二操控单元及设于第二辅助定位遥控船的第三操控单元分别作为水上单元同步发出测距信号，声学换能器接收到测距信号并分别给出其与第一操控单元、第二操控单元及第三操控单元内部的甲板单元换能器之间的实时斜距；s4：第二操控单元与第三操控单元将测得的斜距以及获取的gps位置数据通过天线通信至第一操控单元，第一操控单元通过输入按钮输入当前的水深数据以及其内部gps获得的经纬度，结合第二和第三操控单元传回的数据自动进行三角函数计算，以此得到自动定位跟踪器单元位于水下时的实时准确位置，并显示于第一操控单元的液晶触显屏，用于投放记录及系统回收前的位置参考；s5：在第一辅助定位遥控船和第二辅助定位遥控船回收时，通过第一电控制模块中的控制模块对应控制启动位于船甲板两侧端的电动式绳缆辊，使每一侧端的电动式绳缆辊同步启动运行并回收收放绳缆，直至在设定转数后，第一辅助定位遥控船和第二辅助定位遥控船回至初始位置。
23.一种应用所述的水面水下两用自动定位跟踪系统的方法，在安装有自动定位跟踪器单元的潜标、海床基等系统进行水面回收时，包括以下步骤：在回收时，自动定位跟踪器单元借助水下观测系统配置的浮力装置上浮至水面，在压力开关的作用下，自动定位跟踪单元的gps和无线电通讯模块自动开启，通过无线电将其内部gps获取的准确位置发送到第一操控单元的gps及天线外接端，在获取到自动定位跟踪器单元位于水面时的准确位置后，通过第一操控单元进行船体航进路径规划后回收，即可。
24.本发明具有如下有益效果：该系统能够有效实现在水下水面分别完成对于自动定位跟踪器单元的快速追踪定位，并且在处于水面回收状态时可有效避免自动定位跟踪器单元在浮球的作用下漂浮于水面受波浪影响上下浮动过快，难以测得斜距，以及易受到风力影响漂移较快，作为运动目
标使用三点定位方法在时间上较为困难导致无法获取其准确位置的问题，而且能够进一步结合提升内部gps获取位置的准确性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
26.图1为本发明实施例提供的水面水下两用自动定位跟踪系统的整体结构示意图。
27.图2为本发明实施例提供的水面水下两用自动定位跟踪系统中主船体结构及其配置结构示意图。
28.图3为本发明实施例提供的水面水下两用自动定位跟踪系统在图1中a处的结构放大示意图。
29.图4为本发明实施例提供的水面水下两用自动定位跟踪系统中通信操控单元与自动定位跟踪器单元之间的通信交互结构示意图。
30.附图中，各标号所代表的部件列表如下：主船体结构1：船甲板11、定位导向座12；电控制组件2：第一电控制模块21、第二电控制模块22、第三电控制模块23；通信操控单元3：第一操控单元31、第二操控单元32、第三操控单元33、液晶触显屏34、gps及天线外接端35；自动定位跟踪器单元4：电路板41、电池42、声学换能器43、无线电天线44、压力开关45；第一辅助定位遥控船5； 第二辅助定位遥控船6；绳缆收放结构7：绳缆辊71、收放绳缆72、伺服电机73。
具体实施方式
31.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本说明书所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
33.本发明实施例提供了一种如图1至图4所示的水面水下两用自动定位跟踪系统，包括主船体结构1、电控制组件2、通信操控单元3、自动定位跟踪器单元4、第一辅助定位遥控船5、第二辅助定位遥控船6和绳缆收放结构7。该系统分为由通信操控单元3形成的水上单元以及自动定位跟踪器单元4形成的水下单元两部分，其中，自动定位跟踪器单元4作为水下单元在系统投放至水中时，在自动定位跟踪器单元4内部压力开关45的监测下，能够自动
开启声学换能器43，可随时接收到来自通信操控单元3作为水上单元发出的测距信号，声学换能器43给出其与通信操控单元3内部的甲板单元换能器之间的斜距。并且当第一次斜距测量完毕后，在通信操控单元3的液晶触显屏34上自动给出需要进行测量的另外两个定位点及路径规划。此时进行系统回收的船只继续根据路径规划前往另外两个定位点进行斜距测量并同时输入由船载测深仪获知的当前水深，进而通信操控单元3即可在三个点测量完毕后通过三个点的斜距、水深和其内部的gps提供的经纬度自动进行三角函数计算，从而在液晶触显屏34上给出自动定位跟踪器单元4的准确位置，该准确位置可至少用于投放记录以及对自动定位跟踪器单元4回收前的系统位置参考。
34.当系统回收自动定位跟踪器单元4时，自动定位跟踪器单元4上浮至水面，继续在压力开关45的监测作用下，自动开启自动定位跟踪器单元4中的gps和无线电通讯模块，通过无线电将其内部gps获取的准确位置发送到通信操控单元3的gps及天线外接端35并显示在液晶触显屏34的屏幕地图上。在获取到准确位置后，通过通信操控单元3进行路径规划，指导船只靠近对系统进行水面回收。
35.此外，在系统对自动定位跟踪器单元4进行定位时，还可通过绳缆收放结构7基于主船体结构1分别释放带有通信操控单元3的第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6，并利用第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6的驱动性能逐步远离主船体结构1，以此分别形成带有通信操控单元3功能的新的定位点，配合位于主船体结构1的通信操控单元3在三个点完成斜距测量，而后通过三个点的斜距、水深和其内部的gps提供的经纬度自动进行三角函数计算，从而在主船体结构1的液晶触显屏34上给出自动定位跟踪器单元4的准确位置，最后通过绳缆收放结构7分别对第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6进行回收即可，以此提升系统对于不同海况的适应性。具体设置如下：如图1至图3所示，所述主船体结构1具有船甲板11；所述绳缆收放结构7设有若干组，且若干组所述绳缆收放结构7均固定安装于所述船甲板11，用以通过绳缆收放结构7完成对于辅助定位遥控船的释放与回收。
36.具体地，请继续参考图1至图3，所述绳缆收放结构7包括绳缆辊71以及按序绕设于所述绳缆辊71的收放绳缆72，所述绳缆辊71的主轴一端传动相连有伺服电机73，用以借助伺服电机73输出旋转动能使绳缆辊71形成电动式绳缆辊71；所述电动式绳缆辊71设有四组，且两两固定于所述船甲板11沿其航进方向的两侧端，其中，一侧端的两组所述绳缆辊71的收放绳缆72在远离所述绳缆辊71的一端与所述第一辅助定位遥控船5之间传动相连，另一侧端的两组所述绳缆辊71的收放绳缆72在远离所述绳缆辊71的一端与所述第二辅助定位遥控船6之间传动相连，且每一侧端的两组绳缆辊71的收放速度以及收放绳缆72长度均完全相同，所述第一辅助定位遥控船5和所述第二辅助定位遥控船6均始终位于对应的两组所述绳缆辊71之间连线的中垂线位置上，用以通过电动式绳缆辊71带动收放绳缆72分别完成对于第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6的释放与回收，并能够在第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6主动航进至最远位置时，受限于收放绳缆72长度以及相对绳缆辊71的角度，可以准确计算获知第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6的实时位置，进而更为便于后续定位流程的计算。
37.优选地，所述船甲板11的两侧船侧壁顶部在对应所述绳缆辊71的位置均固接有至少一个定位导向座12，所述收放绳缆72自所述绳缆辊71穿过所述定位导向座12与所述第一
辅助定位遥控船5或第二辅助定位遥控船6之间传动相连，用以以此辅助稳定收放绳缆72的一端，提升后续角度计算的精确性。
38.请继续参考图1至图3，所述电控制组件2包括电连接的电源及控制模块，所述控制模块与所述通信操控单元3之间通过电路相连。
39.具体的是，所述电控制组件2包括第一电控制模块21、第二电控制模块22和第三电控制模块23；所述通信操控单元3包括第一操控单元31、第二操控单元32和第三操控单元33；其中，所述第一电控制模块21和所述第一操控单元31之间通过电路相连且均设于所述船甲板11，所述第二电控制模块22和所述第二操控单元32之间通过电路相连且均设于所述第一辅助定位遥控船5，所述第三电控制模块23和所述第三操控单元33之间通过电路相连且均设于所述第二辅助定位遥控船6，用以通过第一操控单元31、第二操控单元32和第三操控单元33分别跟随主船体结构1、第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6完成对于自动定位跟踪器单元4的斜距测量。
40.更为具体地，请参考图4，所述第一操控单元31、所述第二操控单元32和所述第三操控单元33均包括操控面板主体以及分别设于所述操控面板主体的液晶触显屏34、gps及天线外接端35、甲板单元换能器、用于路径规划等的开关及快捷键以及用于输入水深等数据的输入按钮；其中，所述第一电控制模块21、所述第二电控制模块22和所述第三电控制模块23中的控制模块分别一一相应地与所述液晶触显屏34、所述gps及天线外接端35和所述甲板单元换能器之间通过电路通信相连，所述开关及快捷键与所述输入按钮分别一一相应地与所述第一电控制模块21、所述第二电控制模块22和所述第三电控制模块23中的控制模块的控制输入端之间通过电路相连，所述第一电控制模块21中的控制模块的控制输出端分别与位于所述船甲板11两侧端的所述电动式绳缆辊71的电输入端之间通过电路相连。
41.请继续参考图4，所述自动定位跟踪器单元4包括电路板41以及分别设于所述电路板41的电池42、声学换能器43、无线电天线44和压力开关45；其中，所述电路板41还具有gps和无线电通讯模块，所述gps和无线电通讯模块均通过所述无线电天线44与所述gps及天线外接端35通信相连，所述声学换能器43与所述甲板单元换能器之间通信相连，所述压力开关45能够实时监测自动定位跟踪器单元4所处位置的水压。
42.一种应用本实施例中的水面水下两用自动定位跟踪系统的方法，包括以下步骤：s1：将自动定位跟踪器单元4作为水下单元投放至水中；s2：在将自动定位跟踪器单元4投放至预定深度时，受水压作用自动定位跟踪器单元4内部的声学换能器43自动开启，此时设于主船体结构1的第一操控单元31作为水上单元发出测距信号，声学换能器43接收到测距信号并第一次给出其与第一操控单元31内部的甲板单元换能器之间的实时斜距；s3：当第一次斜距测量完毕后，第一操控单元31自动给出需要进行测量的另外两个定位点及主船体结构1的航进路径规划，主船体结构1继续根据路径规划前往另两个定位点，重复上述步骤分别进行第二次及第三次斜距测量，在三点斜距测量完毕后，第一操控单元31通过输入按钮输入当前的水深数据以及第一操控单元31通过其内部gps获得的经纬度自动进行三角函数计算，以此得到自动定位跟踪器单元4位于水下时的实时准确位置，并显示于第一操控单元31的液晶触显屏34，用于投放记录及系统回收前的位置参考；s4：在自动定位跟踪器单元4进行水面回收时，自动定位跟踪器单元4借助观测系
统配置的浮球上浮至水面，在压力开关45的作用下，自动定位跟踪器单元4中的gps和无线电通讯模块自动开启，通过无线电将其内部gps获取的准确位置发送到第一操控单元31的gps及天线外接端35，在获取到自动定位跟踪器单元4位于水面时的准确位置后，通过第一操控单元31进行船体航进路径规划后回收，即可。
43.另一种应用本实施例中的水面水下两用自动定位跟踪系统的方法，包括以下步骤：s1：将自动定位跟踪器单元4作为水下单元投放至水中；s2：分别遥控启动第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6，使第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6借助自身驱动性能自动航进，直至与遥控船相连的两组收放绳缆72均自动释放到最大值后，遥控船停止航进；s3：在将自动定位跟踪器单元4释放至预定深度时，受水压作用自动定位跟踪器单元4内部的声学换能器43自动开启，此时，设于主船体结构1的第一操控单元31、设于第一辅助定位遥控船5的第二操控单元32及设于第二辅助定位遥控船6的第三操控单元33分别作为水上单元同步发出测距信号，声学换能器43接收到测距信号并分别给出其与第一操控单元31、第二操控单元32及第三操控单元33内部的甲板单元换能器之间的实时斜距；s4：第二操控单元32与第三操控单元33将测得的斜距通过天线通信至第一操控单元31，第一操控单元31通过输入按钮输入当前的水深数据以及第一操控单元31通过其内部gps获得的经纬度自动进行三角函数计算，以此得到自动定位跟踪器单元4位于水下时的实时准确位置，并显示于第一操控单元31的液晶触显屏34，用于投放记录及系统回收前的位置参考；s5：在第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6回收时，通过第一电控制模块21中的控制模块对应控制启动位于船甲板11两侧端的电动式绳缆辊71，使每一侧端的电动式绳缆辊71同步启动运行并回收收放绳缆72，直至在设定转数后，第一辅助定位遥控船5和第二辅助定位遥控船6回至初始位置；s6：在自动定位跟踪器单元4进行水面回收时，自动定位跟踪器单元4借助自身浮球上浮至水面，在压力开关45的作用下，自动定位跟踪器单元4中的gps和无线电通讯模块自动开启，通过无线电将其内部gps获取的准确位置发送到第一操控单元31的gps及天线外接端35，在获取到自动定位跟踪器单元4位于水面时的准确位置后，通过第一操控单元31进行船体航进路径规划后回收，即可。
44.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。