双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法
【专利摘要】双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法，属于光学测量【技术领域】，为了实现在一定海况下船正常航行时的空间位置测量，测量设备分为测量系统和合作目标两部分，分别安装于两船上；测量系统安装于测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点；合作目标安装于目标船，具体包括反射面和跟踪目标两部分，反射面具有高反射率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行拟合求出中心点作为跟踪中心；测量目标捕获，锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输出测量方位角a和俯仰角e;测量数据采集，激光测距传感器对目标进行激光测距，采集测距值L;姿态测量传感器对船体本身进行姿态测量；测量数据处理。
【专利说明】双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法，属于光学测量技 术领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国海上航行活动日益频繁，尤其是远洋航行活动日渐增加，由于舰船航程 长，需要及时进行燃料、淡水等资源的补充。补充过程中，就需要对两船之间的相对位置进 行测量。另外，在一些船舶的建造过程中，需要对船的运动特性进行测量标定，这就需要对 船坞附近航行的船只与船坞固定检测面间的相对位置进行测量，这些测量将有助于船只的 标定建造及性能检测。
[0003] 对于行进中的两船而言，由于行进方向相同，两船中心线可以视为平行，因此需要 测量的相对位置包括三个坐标轴上的三个位置坐标Χο,Υο,Ζο。其中x〇为两船前后位置距离， y〇为两船横向距离，为两船纵向距离。测量过程难点在于两船相距较远，且位置不固定， 测量前需要对目标进行搜索识别；另外，由于测量船自身受海况影响而摇动，因此测量基准 是运动的，测量过程需要对此补偿。
【发明内容】
[0004] 本发明为了实现在一定海况下船正常航行时的空间位置测量，提出一种双船间空 间位置的精确测量系统及其测量方法。
[0005] 发明的技术方案是：
[0006] 双船间空间位置的精确测量系统，其特征是，其包括瞄准测量部分、船姿态测量部 分、激光测距部分和数据显示部分；
[0007] 瞄准测量部分为主体部分，其包含光电经纬仪、跟踪控制系统和数据处理系统三 个部分；光电经纬仪可以对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制系统是光 电经纬仪的跟踪控制电系统，通过实时跟踪算法，对目标进行跟踪；数据处理系统将激光测 距数据、船姿态角测量数据及瞄准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据；
[0008] 船姿态测量部分通过电连接器连接到瞄准测量部分，将采集到的姿态测量传感器 数据实时发送到瞄准测量部分进行处理；
[0009] 激光测距部分主要部件为激光测距机，通过电连接器连接到瞄准测量部分，根据 命令将测距数据发送到瞄准测量部分；
[0010] 数据显示部分是将瞄准测量部分获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出 来；
[0011] 合作目标安置于目标船固定位置，包括反射面和跟踪目标，反射面具有高的反射 率，用于激光测距；跟踪目标为可发光的目标点，用于跟踪识别。
[0012] 双船间空间位置的精确测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤：
[0013] 步骤一，测量设备安装，
[0014] 测量设备分为测量系统和合作目标两部分，分别安装于两船上；测量系统安装于 测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点；
[0015] 合作目标安装于目标船，具体包括反射面和跟踪目标两部分，反射面具有高反射 率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行 拟合求出中心点作为跟踪中心；
[0016] 步骤二，测量目标捕获，
[0017] 开始时候，两船相对较远，测量船上的测量系统对视场内一定区域进行成像扫描， 直到搜索到被测船合作目标上的四个跟踪中心点，然后锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时 输出测量方位角α和俯仰角β ;
[0018] 步骤三，测量数据采集，
[0019] 启动激光测距传感器，对目标进行激光测距，采集测距值L ;
[0020]启动姿态测量传感器，对船体本身进行姿态测量，采集船横摇角Θ和纵摇角φ数 据；
[0021] 步骤四，测量数据处理，
[0022] 瞄准测量部分对采集到的方位角α和俯仰角β，激光测距值L，船横摇角Θ和纵 摇角Φ数据综合处理，得到两船空间位置三维坐标。
[0023] 步骤四所述的数据综合处理方法包括以下步骤：
[0024] 第一步，以测量设备回转中心0为原点，以垂直船甲板平面为Ζ。轴，指向船艏方向 为X。轴，建立测量站右手直角坐标系0HZ。；
[0025] 第二步，目标的船体极坐标位置（L, α，β )变换为船体直角坐标位置（X。，y。，ζ。）；
[0026] 第三步，大地坐标系以测量设备回转中心0为原点，以垂直于水平面方向向上为Z 轴，以水平面内指向船艏方向为X轴，建立的右手直角坐标系0ΧΥΖ ;
[0027] 第四步，目标的船体直角坐标位置（x。，^。）变换为大地直角坐标位置 (χ〇, y〇, z〇)；
[0028] 具体计算公式如下，船体直角坐标位置变换：
[0029]
【权利要求】
1. 双船间空间位置的精确测量系统，其特征是，其包括测量单元和合作目标，该测量单 元包括瞄准测量装置、船姿态测量装置、激光测距装置和数据显示装置； 瞄准测量装置为主体，其包含光电经纬仪、跟踪控制器和数据处理器；光电经纬仪可以 对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制器用于跟踪控制光电经纬仪，通过 实时跟踪算法，对合作目标进行跟踪；数据处理器将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄 准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据； 船姿态测量装置为姿态测量传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，将采集到 的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量装置进行处理； 激光测距装置为激光测距传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，根据命令将 测距数据发送到瞄准测量装置； 数据显示装置是将瞄准测量装置获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来； 合作目标安置于目标船固定位置，其包括反射面和跟踪目标，反射面具有高的反射率， 用于激光测距；跟踪目标为可发光的目标点，用于跟踪识别。
2. 基于双船间空间位置的精确测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤： 步骤一，测量设备安装， 测量设备分为测量单元和合作目标，分别安装于两船上；测量单元安装于测量船固定 安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点； 该测量单元包括瞄准测量装置、船姿态测量装置、激光测距装置和数据显示装置； 瞄准测量装置为主体，包含光电经纬仪、跟踪控制器和数据处理器；光电经纬仪可以对 合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制器用于跟踪控制光电经纬仪，通过实 时跟踪算法，对合作目标进行跟踪；数据处理器将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄准 角数据进行处理，获得两船间空间位置数据； 船姿态测量装置为姿态测量传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，将采集到 的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量装置进行处理； 激光测距装置为激光测距传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，根据命令将 测距数据发送到瞄准测量装置； 数据显示装置是将瞄准测量装置获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来； 合作目标安装于目标船上，其具体包括反射面和跟踪目标，反射面具有高反射率的金 属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行拟合求 出中心点作为跟踪中心； 步骤二，测量目标捕获， 测量开始时，两船相对较远，测量船上的测量单元对视场内一定区域进行成像扫描，直 到搜索到被测船合作目标上的四个跟踪中心点，然后锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输 出测量方位角α和俯仰角β ; 步骤三，测量数据采集， 启动激光测距传感器，对目标进行激光测距，采集测距值L ; 启动姿态测量传感器，对船体本身进行姿态测量，采集船横摇角Θ和纵摇角φ数据； 步骤四，测量数据处理， 瞄准测量部分对采集到的方位角α和俯仰角β，激光测距值L，船横摇角Θ和纵摇角 Φ数据综合处理，得到两船空间位置三维坐标。
3.根据权利要求2所述的双船间空间位置测量系统的测量方法，其特征在于，步骤四 所述的数据综合处理方法包括以下步骤： 第一步，以测量设备回转中心0为原点，以垂直船甲板平面为Ζ。轴，指向船艏方向为X。 轴，建立测量站右手直角坐标系OHZ。； 第二步，目标的船体极坐标位置（L, α，β)变换为船体直角坐标位置（x^y^z。）； 第三步，大地坐标系以测量设备回转中心〇为原点，以垂直于水平面方向向上为Z轴， 以水平面内指向船艏方向为X轴，建立的右手直角坐标系OXYZ ; 第四步，目标的船体直角坐标位置（X。，^。）变换为大地直角坐标位置； 具体计算公式如下，船体直角坐标位置变换：
横摇及纵摇角坐标变换：
由上述计算公式可知，通过测量距离值L，方位角α和俯仰角β，船横摇角Θ和纵摇 角9,通过数据处理即可获得两船间空间位置Χ(ι，％，Ζ(ι。
【文档编号】G01S17/08GK104215967SQ201410440391
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】刘绍锦, 王志乾, 李建荣, 沈铖武, 刘畅, 刘玉生, 王旻, 李雪雷 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所