[发明专利]一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置与方法

权利要求书

1.一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置，其特征在于，该装置包括封装在水密耐压舱内的三轴加速度传感器、三轴磁力传感器、三轴陀螺仪、时钟源、微处理器、存储器、压力数据接收器、GNSS接收器与电源模块，以及水密耐压舱外的压力传感器、GNSS天线、数据交换插头、电源充电插头、第一锁扣与第二锁扣；所述第一锁扣与第二锁扣用于将空间运动轨迹获取装置与拖曳缆连接固定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器信号端口、三轴磁力传感器信号端口和三轴陀螺仪信号端口均通过双绞线缆连接到微处理器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时钟源和存储器均通过数据排线连接到微处理器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力数据接收器通过数据排线连接到微处理器，同时通过屏蔽线缆连接到压力传感器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述GNSS接收器通过数据排线连接到微处理器，同时通过屏蔽线缆连接到水密耐压舱外的GNSS天线。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块负责为耐压舱内所有电路板供电，通过电缆连接到各个电路板电源输入接口，同时电源模块与水密耐压舱外的电源充电插头连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，水密耐压舱外数据交换插头与微处理器连接，通过计算机执行空间运动轨迹数据导出操作。

8.一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：装置调试与连接

1.1)检查所述装置的压力舱密封是否良好，所述的第一锁扣与第二锁扣是否灵活正常；

1.2)使用计算机连接数据交换插头，传输电源开启命令，将空间运动轨迹获取装置的各传感器上电；

1.3)检查所述的三轴加速度传感器、三轴磁力传感器、三轴陀螺仪、时钟源、微处理器、存储器、压力数据接收器、GNSS接收器与电源模块初始状态是否正常；

1.4)将空间运动轨迹获取装置的第一锁扣、第二锁扣与拖曳缆连接固定；

步骤2：装置投放

2.1)当拖曳缆的位置对准标记入水后，即停止放缆，使得空间运动轨迹获取装置保持静止，准备进行初始位置对准；

2.2)把空间运动轨迹获取装置连接GNSS天线，应用GNSS提供初始位置，并且对空间运动轨迹获取装置进行对时；

2.3)封闭GNSS天线、数据交换插头、电源充电插头；

2.4)空间运动轨迹获取装置随着拖曳缆，在水体中运动，并记录数据；

步骤3：装置作业与回收

3.1)空间运动轨迹获取装置投放完成后，即开始工作，其中压力数据接收器用于探测水深变化，加速度传感器检测空间运动轨迹获取装置的加速度变化，三轴陀螺仪检测空间运动轨迹获取装置的姿态与角速率，三轴磁力传感器检测空间运动轨迹获取装置的磁方位，时钟源为各传感器数据标记时间戳，微处理器对各传感器数据进行处理，存储器用于存储各传感器数据，电池电源系统为各部件提供电能；

3.2)空间运动轨迹获取装置通过GNSS获得初始位置，根据空间运动轨迹获取装置记录的加速度、角速率、姿态、磁方位以及对应的时间戳；

3.3)使用积分方程计算每一时刻传感器位置，获得所述装置在水下的运动轨迹，积分方程如下：

GNSS天线所在位置的纬度为L，经度为λ，深度为D。传感器的初始位置为L₀，λ₀，D₀，位置的更新周期为T。其中，v_N，v_E，v_D为通过解算三轴加速度传感器、三轴磁力传感器、三轴陀螺仪获得的传感器在地球坐标系的椭球体子午、卯酉以及竖直方向的速度分量，R_M是传感器在地球坐标系的椭球体的子午圈曲率半径，RN是传感器在地球坐标系的椭球体的卯酉圈曲率半径，h是传感器在地球坐标系的高程，由此使用积分方程计算每一时刻的传感器位置：

采用误差控制方法，根据压力数据接收器所表征的水深数据，针对垂向方向的位移，控制误差传播，具体如下：设压力传感器输出的深度值D_p，k值为声学定位系统的定位误差，则：

当(D-D_p)/D_p×100％≥k；

则在时间周期T内使用D_p替代D值，在T+1周期时，以T周期时的L与λ的值作为初始值，重新计算T+1周期的传感器位置。

3.4)空间运动轨迹获取装置完成作业后，对装置进行回收；

步骤4：空间运动轨迹导出

4.1)将空间运动轨迹获取装置的数据交换插头连接至计算机，导出所述存储器中的数据；

4.2)导出的数据是以初始位置为原点的缆系传感器坐标系数据，根据载体初始位置的地理坐标，转换为地理坐标系下的空间运动轨迹数据。