基于地磁传感器的海洋浮标防避碰系统的制作方法

本实用新型涉及一种海洋监测浮标用实时监测附近5公里以内船只动向的防避碰系统，具体涉及一种通过监测浮标周围磁场扰动变化从而推断5公里以内是否有船只靠近并实时监测靠近船只的动向的系统——基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰系统。

背景技术：

随着我国海洋强国战略、“一带一路”战略的实施、“中国制造”向“中国创造”的转变以及走向深蓝海等多个方面的发展，亟需海洋环境监测浮标为海洋气象预报、海洋环境监测、海洋剖面数据观测等多个领域提供支持和保障，而海洋环境监测浮标作为海上无人值守的平台，其可靠性和安全性能得到国家海洋局、国家气象局等浮标用户的重视。

当前，海洋监测浮标作为一种重要的自动海洋观测站，能在恶劣的海洋环境下具有独立生存的能力。但近年来，随着浮标数量逐步增多，布放距离逐步远离大陆，受到的意外因素（被大船撞击致使浮标突然断电无数据）和人为破坏（有预谋的破坏浮标的供电系统、GPS和通讯系统）的浮标开始增多。为了更好地监控浮标附近船只的动向，在船只靠近浮标时，浮标能及时掌握船只的方位和距离并将信息发回岸边，方便浮标端及时发出警报和岸边值班人员及时采取相应措施，保障海洋监测浮标的安全。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种利用三轴地磁传感器监测浮标周围磁场扰动变化从而监控浮标附近船只动向的系统，可用于海洋环境监测浮标安全预警，提高我国海洋浮标的安全性能，并为我国浮标遭遇破坏提供有效证明数据。

基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰系统，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器、与它们连接的浮标原始磁场模型、与三轴加速度计和三轴陀螺仪连接的姿态校正模型、与三轴地磁传感器和姿态校正模型连接的磁场数据采集处理模块、与磁场数据采集处理模块连接的船只运动状态解析模型、与浮标原始磁场模型和磁场数据采集处理模块相连的浮标磁场扰动解析模型，船只运动状态解析模型与浮标磁场扰动解析模型和磁场数据采集处理模块相连，将解析后的浮标磁场状态信息和船只靠近预警信息输出给存储输出模块。

所述三轴地磁传感器，用于监测浮标周围三轴的磁通量参数，包括三个地磁芯片和一个处理芯片；

所述浮标原始磁场模型获取模型，用于系统手动或自动获取浮标原始磁场模型，包含手动开关，原始磁场模块建立单元；

所述地磁数据处理模块，用于提取三轴磁通量数据，包含X、Y、Z三轴的磁通量参数，进行滤波处理后以5Hz频率输出；

所述姿态修正模块，用于消除因浮标姿态对三轴磁通量数据的影响，包含三轴加速度和三轴陀螺仪单元；

所述浮标磁场扰动解析模型模块，用于通过捕捉三轴磁通量数据的扰动变化，根据磁场扰动解析模型，解算出附近是否有船只靠近，包含浮标标准磁场模型、距离解析模型；

所述运动析模型，用于解算附近船只的运动状态，包含运动解算模型、反馈校正模型；

所述数据存储输出模块，用于将三轴地磁、三轴加速度、三轴陀螺仪原始数据及处理后的预警信息进行存储备份，并输出至指定终端。

本技术方案能够实时监控浮标周围三轴磁通量变化，对数据进行姿态修正，通过三轴磁通量变化推算附近船只的运动状态，当船只离浮标距离低于500m时，向岸站发布预警信息。本系统成本低、功耗低、集成度高、易安装、误报率低，为浮标安全预警提供了有效手段，对海洋经济、海洋科技和新能源利用等多个领域的发展具有重要意义。

附图说明

图1 ：本实用新型基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰方法步骤流程图；

图2 ：本实用新型基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰系统原理示意图；

图3 ：本实用新型基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰系统结构图。

其中： 1.三轴加速度计；2.三轴陀螺仪；3.三轴地磁传感器；4.浮标原始磁场模型；5.姿态校正模型；6.磁场数据采集处理模块；7.浮标磁场扰动解析模型；8.船只运动状态解析模型；9.存储输出模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图2所示，通过安装在海洋环境监测浮标中的三轴地磁传感器3、三轴加速度计1、三轴陀螺仪2测到的数据，实时监测浮标周围的磁场扰动变化，当附近有船只靠近，根据浮标周围磁场扰动变化解算附近是否有船只靠近，若监测到船只靠近，推算出船只的方位和航速，并及时向浮标主控发出警示信息。

如图2-3所示，基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰系统，包括浮标原始磁场模型4与三轴加速度计1、三轴陀螺仪2、三轴地磁传感器3相连；姿态校正模型5与三轴加速度计1和三轴陀螺仪2相连；磁场数据采集处理模块6与三轴地磁传感器3、姿态校正模型5、船只运动状态解析模型8的反馈数据相连；浮标磁场扰动解析模型7与浮标原始磁场模型4和磁场数据采集处理模块6相连；船只运动状态解析模型8与浮标磁场扰动解析模型7和磁场数据采集处理模块6相连；将解析后的浮标磁场状态信息和船只靠近预警信息输出给存储输出模块9。

如图1所示，基于三轴地磁传感器的海洋监测浮标防避碰方法，具体步骤如下：

第一步、配置系统参数，包括设定数据输出频率、预警范围等；将三轴地磁传感器3、三轴加速度计1、三轴陀螺仪2安装到海洋环境监测浮标仪器舱靠近重心的位置；

第二步、安装完毕后，操作磁场数据处理单元的手动按钮或通过外部输入（浮标主控）自动获取原始磁场模型的命令，启动浮标自动获取原始磁场模型4，通过获取三轴加速度计1、三轴陀螺仪2、三轴地磁传感器3的原始数据，完整获取浮标自身的磁场原始状态；

第三步、姿态校正模型5采集三轴加速度计1和三轴陀螺仪2的数据，建立初始轴校准算法模型，还原浮标真实姿态数据；

第四步、磁场数据采集处理模块6采集三轴地磁传感器3的数据，通过姿态校正模型5解算的姿态数据对获取的三轴磁通量数据进行修正，还原浮标周围真实磁场数据；

第五步、根据磁场数据采集处理模块6解算的浮标周围真实磁场数据，与浮标原始磁场模型4解算的浮标原始磁场数据进行比较，建立浮标磁场扰动解析模型7，判断周围是否有船只靠近；

第六步、如果第五步判断浮标附近有船只靠近，根据浮标磁场扰动解析模型7的数据分析结果，建立运动解算模型8，实时分析船只的运动状态，并反馈给磁场数据采集处理模块6；

第七步，数据存储输出模块9实时保存所有原始数据及解析后的浮标磁场状态信息和船只靠近预警信息，并将浮标磁场状态信息和船只靠近预警信息实时输出至浮标主控。

所述步骤一中，三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器安装应尽量保持水平，且三种传感器的X、Y、Z轴要严格对准；

所述步骤二的过程需要5分钟，不仅浮标安装完毕需启动此过程，每一次浮标布防完毕后，也需要浮标主控启动此过程一次；

所述步骤三中，初始轴校准算法可以是卡尔曼滤波，也可以是梯度上升法等等；

所述步骤四中，磁场数据采集处理模块为本实用新型的硬件核心单元，分析浮标周围磁场变化时，要实时通过船只运动解析的数据进行反馈修正，提高系统的准确度；

所述步骤五中，磁场扰动解析模型是核心算法，不同吨位船只对浮标的影响模型是通过大量实验模拟出的经验模型，形成磁场扰动船只模型库，对应的不同吨位的船只对磁场数据的扰动曲线；

所述步骤六中，针对不同航速不同吨位的船只对浮标周围磁场的扰动曲线变化模型，解析浮标附近船只的运动状态，及时向主控输出警示信息；

实施例仅说明本实用新型的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。