船舶动吃水精密测量集成系统及其方法与流程

本发明涉及一种船舶动吃水精密测量集成系统及其方法，属于水上勘测作业技术领域。

背景技术：

吃水一般指船舶浸在水里的深度，即船舶底部至船体与水面相连处的垂直距离，其间接反映了船舶在行驶中所受到的浮力。船舶吃水分为设计吃水和结构吃水(都是静止时刻的吃水)，设计吃水是由船体中部平板龙骨下缘量至设计水线上缘的垂直距离；结构吃水是由船体中部平板龙骨下缘量至船舶载夏季载重线的垂直距离。当船舶航行时，船舶整体或者局部相对于静止时刻的吃水会发生变化，这个变化值称为船舶动吃水值，该值对海洋勘测、航道疏浚、军事领域等会产生巨大的影响。

《海道测量学概论》(刘雁春、肖付民、暴景阳等)在6.2节提出测深仪(用来测定水深的设备)总改正数：△z＝△zb+△zn+△zl+△zv，其中△zb指的就是吃水改正。由于测深仪都是浸没在水面以下一定距离，所以应进行吃水改正。以海洋勘测为例，在海洋勘测时预先在航行前对船舶搭载探测设备测定一个设备吃水值，在后处理将吃水值改正到观测值中得到勘测设备基于水面的探测值，而船舶航行中船舶吃水随负载、船速、航向、流速、流向、风力、风向、海水密度、水温、地域、船型等因素的综合影响会发生动态变化，船舶吃水的动态变化势必引起所搭载海洋探测设备的吃水变化，若忽略该值就会直接降低海洋勘测的精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种船舶动吃水精密测量集成系统及其方法，安装简易，操作便捷，受外界环境影响少，误差影响因素少，精度高，远近海皆可操作，应用拓展性强。

本发明所述的船舶动吃水精密测量集成系统，包括集成于船舷的外围支撑固件上的测量装置，以及安装于船舶上的gnss定位设备和通信系统；

测量装置，用于向水面发射微波信号，经水面散射返回信号，勘测船舶的吃水值测量，包括微波收发器和外围支撑固件；

通信系统，用于将微波测距数据和gnss采集数据同步进入电子计算机；

gnss定位设备，用于与微波测距数据同步采集、传输、记录于电子计算机，采集、记录、结束与微波测距发射接收器相同，均通过电子计算机指令控制。

进一步地，所述外围支撑固件包括由相互平行的外支撑板和内固定板构成的支架基座，以及设置在支架基座上的可滑动导轨和伸缩螺杆，伸缩螺杆通过可滑动导轨连接于支架基座上，伸缩螺杆包括竖直伸缩杆和水平伸缩杆，竖直伸缩杆与水平伸缩杆相互垂直且两者之间倾斜连接有斜加强杆，在水平伸缩杆的端部设置有微波收发器。

进一步地，所述支架基座前后及左右面均配置可滑动导轨和伸缩螺杆，调整好基座尺寸后均用螺栓锁紧；伸缩螺杆也设计为上下和内外可调节结构，可根据船舷船体结构进行调整，同时可将发微波测距发射接收传感器延伸至受船舶航行涌浪影响最小处。

本发明所述的船舶动吃水精密测量集成系统的方法，包括船舶动吃水精密测量集成系统，系统仅包含单台微波测距发射接收器时，包括如下步骤：

步骤一：微波测距发射接收器应安装于勘测设备附近，即4#位置；

步骤二：船舶静止漂浮在水面，本发明系统采集微波测距传感器至水面距离，设定采样频率1秒，采集10分钟，剔除跳点，计算平均值定义为l1；

步骤三：船舶以假定速度v1匀速航行在特定水域，使用本发明系统采集微波测距传感器至水面距离，设定采样频率1秒，采集10分钟，剔除跳点，计算平均值定义为l2；

步骤四：计算差值△l＝l1-l2，△l即为该船舶当前水域环境v1速度下勘测设备安装位置的动态吃水值；因船舶漂浮水面无法保证完全静止，应同步记录此时的船速v，并记录多种船速下的l值，根据最小二乘法推算0m/s及其他船速下的动态吃水值。

本发明所述的船舶动吃水精密测量集成系统的方法，包括船舶动吃水精密测量集成系统，系统四台微波测距发射接收器同步观测时，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：微波测距发射接收器应安装于勘测设备附近的1#-4#共4个位置各布设1台；

步骤二：1#位于船艏位置，2#、3#位于船艉线两端，4#位于船舶搭载海洋勘测设备位置；

步骤三：与单台微波测距发射接收器测量程序相同，可以获得1#-4#共4个点位不同船速下的动态吃水值；

步骤四：通过查询获取测量船舶的出场图纸尺寸得到精确的相对位置尺寸，可根据各测点数据建立船舶动吃水三维模型，根据观测条件和观测数据量可以获得设定环境下任意船速，任意位置的动态吃水值。

优选地，所述步骤四中，相对位置尺寸若无法获取应根据现有条件采用全站仪、测距仪、钢尺、水平尺、rtk设备量取各点位相对位置参数。

本发明的有益效果是：本发明所述的船舶动吃水精密测量集成系统及其方法，功能强大综合性观测系统，安装简易，操作便捷，受外界环境影响少，误差影响因素少，精度高，远近海皆可操作，应用拓展性强。

附图说明

图1是单台微波测距发射接收器的结构示意图。

图2是动吃水测量甲板系统构成图。

图3是微波测距发射接收器观测点位

图4是动吃水精密测量集成系统信号流程图。

图中：1、测量装置；11、外支撑板；12、内固定板；13、可滑动导轨；14、竖直伸缩杆；15、斜加强杆；16、水平伸缩杆；17、微波收发器；2、通信系统；3、gnss定位设备；4、电子计算机。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

《海道测量规范》gb12327-1998附录h规定了两种测定测深仪换能器动态吃水的方法；《水运工程测量规范》jts131-2012附录l提供了3种测深仪换能器动吃水改正数测定方法。两个规范均把动吃水改正作为单独篇章来论述，可见动吃水改正的重要性。

微波属于电磁波，是一种机械波，真空中速度等于光速即v＝3×108m/s，波长介于0.001m～0.1m，受气象环境因素影响小，具有非接触性、精度高、反应快等优点，在军事定位、交通运输测速、海洋科研、工农生产等方面取得了广泛应用，理论成熟，是本发明的测距技术依据。微波发射传感器定向发出微波信号，遇到被测物体时，微波信号部分被检测物体吸收，部分则被反射(或散射)，接收天线接收被测物反射(或散射)回来的微波信号，经过微波检测、电磁波信号处理可得到起止传播用时t，发射和接收传感器近似相同位置，根据s＝1/2vt，可以获得微波测距传感器至被测物体(水面)的相对距离。

全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem)简称gnss，是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间、用户钟差等观测量，在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标、速度以及时间信息的无线电导航定位系统。本发明采用gnss技术为系统提供船舶航行位置、航行速度信息，成为多水域环境、多航速条件下动吃水测量的应用基础。

微波测距模块、gnss、电子计算机4之间采用串口及网络通信，以实现测距数据、定位及速度数据实时传输、计算、存储。

如图1和图2所示，本发明提出了一种新型的船舶动态吃水测量系统，该系统为一种功能强大综合性观测系统，安装简易，操作便捷，受外界环境影响少，误差影响因素少，精度高，远近海皆可操作，应用拓展性强。舶动态吃水精密测量系统由四个模块构成，具体设计如下：

本发明所述的系统，包括集成于船舷的外围支撑固件上的测量装置1，以及安装于船舶上的gnss定位设备3和通信系统2；测量装置1，用于向水面发射微波信号，经水面散射返回信号，勘测船舶的吃水值测量，包括微波收发器17和外围支撑固件；通信系统2，用于将微波测距数据和gnss采集数据同步进入电子计算机4；gnss定位设备3，用于与微波测距数据同步采集、传输、记录于电子计算机4，采集、记录、结束与微波测距发射接收器相同，均通过电子计算机4指令控制。

如图2所示，所述外围支撑固件包括由相互平行的外支撑板11和内固定板12构成的支架基座，以及设置在支架基座上的可滑动导轨13和伸缩螺杆，伸缩螺杆通过可滑动导轨13连接于支架基座上，伸缩螺杆包括竖直伸缩杆14和水平伸缩杆16，竖直伸缩杆14与水平伸缩杆16相互垂直且两者之间倾斜连接有斜加强杆15，在水平伸缩杆16的端部设置有微波收发器17。支架基座前后及左右面均配置可滑动导轨13和伸缩螺杆，调整好基座尺寸后均用螺栓锁紧；伸缩螺杆也设计为上下和内外可调节结构，可根据船舷船体结构进行调整，同时可将发微波测距发射接收传感器延伸至受船舶航行涌浪影响最小处。

微波测距发射接收器：微波信号对外界影响因素抗干扰能力强，测量距离远，稳定性强，同时微波传感器系统元件能够集成更小的尺寸，减小设备的重量。发射器向水面发射微波信号，经水面散射返回信号，传感器接收信号，经过微波检测、电磁波信号处理可得到起止传播用时t，并实时记录下来，根据发射和接收微波信号的时间差和已知微波传播速度v(测距距离短，定义为真空中传播速度v＝3×10⁸m/s)可以解算出传感器至水面实时距离，通过串口或网络通信将采集数据传输至计算机，借助已有成熟串口/网络通讯软件(或自主编写通讯模块)实现电脑端指令控制发射接收记录存储。大型船舶可或通过手机卡或高频装置转码实现远程传输；单台使用也可给微波传感器增加独立记忆模块，要求测量前必须校对时间。单独的动吃水测量甲板系统部分可以进行静止状态下、匀速状态下测量。

海洋勘测船舶根据勘测任务不同，吃水差异较大，似雪龙号和向阳红系列等国内最大科考系列船舶，吃水均小于10m。采用k波段微波(中国微波标准：频率为18-27ghz，波长为1.67-1.11cm)，基于快速周期脉冲发射的测量方式，具有极高的短距离测距精度，且成本低，功耗小，非常适合于海洋勘测船舶的吃水值测量。

gnss定位设备3：在船舶适当位置(要求空旷无遮挡)安放gnss定位设备3，无需接收差分信号，设定输出定位、速度与时间数据，与微波测距数据同步采集、传输、记录于电子计算机4，采集、记录、结束与微波测距发射接收器相同，均通过电子计算机4指令控制。

通信系统2：微波测距数据和gnss采集数据要同步进入电子计算机4需要借助本发明的通信模块，1台或多台微波测距发射接收器与gnss采集数据采用rs-232/rs485串口及tcp/ip网络通讯协议进行数据和指令传输，两种接口并存以提高系统兼容性，采用tcp/ip通信协议将多台传感器数据进入同一台电脑时需配备通信系统2。微波测距传感器和gnss定位设备3均配置存储卡，以防通讯线缆损坏或船体跨度较大情况下使用。电子计算机4以通讯软件为手段成为通信系统2指令的收发端。

外围支撑固件：微波测距发射接收器安装于船舷，需要外围固件支撑。为保证本发明适用于各种船型，且尽量不损害船体，固定船舷支架基座前后及左右面均配置可滑动导轨13和伸缩螺杆，调整好基座尺寸后均用螺栓锁紧；支撑杆也设计为上下和内外可调节结构，可根据船舷船体结构进行调整，同时可将发微波测距发射接收传感器延伸至受船舶航行涌浪影响最小处。

实施例2：

本发明的使用过程如下所示：本发明系统仅包含单台微波测距发射接收器时，该微波测距发射接收器应安装于勘测设备附近，即图3的4#位置。船舶静止漂浮在水面(平潮憩流前后)，本发明系统采集微波测距传感器至水面距离，设定采样频率1秒，采集10分钟，剔除跳点，计算平均值定义为l1；船舶以假定速度v1匀速航行在特定水域，使用本发明系统采集微波测距传感器至水面距离，设定采样频率1秒，采集10分钟，剔除跳点，计算平均值定义为l2；计算差值△l＝l1-l2，△l即为该船舶当前水域环境v1速度下勘测设备安装位置的动态吃水值。在科研及高精度应用中，因船舶漂浮水面无法保证完全静止，应同步记录此时的船速v，并记录多种船速下的l值，根据最小二乘法推算0m/s及其他船速下的动态吃水值。

本发明系统包含四台微波测距发射接收器同步观测，如图3所示1#-4#共4个位置各布设1台，1#位于船艏位置，2#、3#位于船艉线两端，4#位于船舶搭载海洋勘测设备位置，与单台微波测距发射接收器测量程序相同，可以获得1#-4#共4个点位不同船速下的动态吃水值。通过查询获取测量船舶的出场图纸尺寸得到精确的相对位置尺寸(若无法获取应根据现有条件采用全站仪、测距仪、钢尺、水平尺、rtk等设备量取各点位相对位置参数)，可根据各测点数据建立船舶动吃水三维模型，根据观测条件和观测数据量可以获得设定环境下任意船速，任意位置的动态吃水值。

本发明与传统技术相比解决问题或优势在于:

《海道测量规范》gb12327-1998附录h规定了两种测定动态吃水的方法：

1)选择一个海底平坦、地质较坚硬的海区，水深为船吃水的7倍左右(如要测量更浅水深，对这种测区也要进行测定)，该海区要保证船只用各种速度航行；岸上选择适当位置架设一台水准仪，在船上换能器的位置树立水准尺，要保证水准仪能观测到水准尺，并具有1m左右的动态范围；在测量海区设立一个测点，在该点处抛设一浮标，其缆绳要尽量缩短。当船只靠近浮标时停下，从岸上用水准仪观测水准尺并记取读数；然后船以测量时的各种船速通过浮标之一侧(与原来停靠点尽可能一致)，水准仪照准船上标尺读数，两次读数应去掉潮汐的影响，再取二者之差值，即为船体在换能器所处位置的下沉值。一种船速应按上述方法观测三次以上，然后取平均值。该值加上静态吃水，即为测量船在某一船速下之动态吃水。

2)海区条件同上，在测定海区抛一浮标，船停于浮标旁，用测深仪精确测定水深，然后船以测量时的各种速度通过浮标同一相对位置(船在停止状态下的测深位置)时，再测量水深。处理方法与1)同。

需要注意的是：当换能器位置处于船尾一端时，船在航行中尾部一般要下坐，故这时的动态吃水为静态吃水和所测得的船尾下坐值之和。若换能器处于船首时，航行时船首一般向上抬起，这时动态吃水为静态吃水减去所测得的船首上抬之差。

分析上述两种方法：

(1)须基于良好的海况，航行位置必须在岸边可视距离，需提前抛投浮标，需水陆两组测量人员配合，受波浪影响，浮标将发射浮沉运动，同时受到人为读数误差影响，测量精度不定性太大；(2)受测深精度、测量点位、潮汐、波浪、数据量少等因素的影响，测量精度同样有限。

本发明将人为和外界环境影响降到最低，适用于多种气候条件、多海域环境；安装成功1人可完成测量；外围支撑系统适用于多种船型；伸缩杆将船舶航行涌浪影响降低；数据量大可以减弱波浪、风、转向等对船体姿态的影响；采用不同船速微波测距差值计算动吃水，减少了中间量；多台微波测距收发器同步观测可以建立船体的动吃水三维模型，减弱船体姿态变化的影响，可计算获得不同船速不同船体位置的动态吃水值。

本发明专利应用于航道疏浚领域可以指导疏浚作业船舶操控出不同条件下更加准确的下耙深度，在其他水上科研、军事领域必将产生深远影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。