[发明专利]一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备及测量方法

权利要求书

1.一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将两个北斗双天线测向接收机获取的定位信息和测姿信息转换为本地坐标；

步骤二、根据基线和定位位置信息，计算出天线A和天线C的本地坐标；

步骤三、利用3个天线的坐标值计算天线平面的姿态角：

(1)定义本地坐标系为n系，天线平面坐标系为m系；n系到m系的坐标转换矩阵为m系到n系的坐标转换矩阵为设某一基线向量在n系下的分量为X_n，在m系下的分量为X_m；若天线平面的实际方位、俯仰和滚转角度分别为(ψ,θ,γ)，则得到：

(2)根据坐标系转换关系，得到如下X_m和X_n的转换关系：

(3)利用N条独立基线向量构成如下N个方程：

令组成矩阵M_m，令组成矩阵M_n，M_m和M_n均为3×N矩阵；

(4)当N大于等于3个时，利用最小二乘原理，解算出的各个元素值：

(5)根据公式1和公式4，利用本地坐标系到船舶载体坐标系的实时转换矩阵计算出天线平面的姿态角：

所述的计算方法为：

1)计算m系到船舶载体坐标系的转换矩阵

将船舶停靠在静止水域，保证船舶处于静止状态，此时船舶的水平姿态角为0；通过采集一段时间的北斗定位测向数据，利用公式1至公式5求出夹角误差为(0,θ,γ)，代入公式1则计算出

2)按如下公式计算

步骤四、根据天线平面和传递坐标系之间角度关系，计算出船体的姿态角；

所述船舶姿态测量设备包括射频接口模块、两个北斗双天线测向接收机、测姿模块、数据存储模块和通信接口模块，其中：

所述射频接口模块包含卫星信号功分器，用于将三个北斗卫星导航天线A、B、C的射频信号传入两个北斗双天线测向接收机，其中所述卫星信号功分器用于将公用北斗卫星导航天线B的射频信号分成两路，分别传给两个北斗双天线测向接收机；

所述两个北斗双天线测向接收机通过射频接口模块分别连接两个北斗卫星导航天线，用于测量北斗卫星导航天线的安装位置以及两个天线之间的基线和夹角信息，并输出定位和测姿信息给测姿模块；

所述测姿模块对接收的两个北斗双天线测向接收机的定位和测姿信息，经过数据同步、定位数据关联和数据融合测姿处理，输出标定参数和船舶的实时姿态测量信息给数据存储模块，同时将船舶的实时姿态测量信息通过通信接口模块进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：所述天线A安装在船舶前侧，天线B安装在船舶后侧，且天线A和天线B形成的基线AB方向与船舶中轴线方向一致，天线C安装于一侧船舷，且保证ABC呈三角形排列。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：所述天线B的一路和天线A共同连接到一个北斗双天线测向接收机，天线B的另一路和天线C共同连接到另一个北斗双天线测向接收机，天线A和天线C作为测向天线，天线B作为定位天线。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：一个北斗双天线测向接收机输出天线B的位置和基线AB的航向，另一个北斗双天线测向接收机输出天线B的位置和基线BC的航向。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：所述通信接口模块包括实时信息输入输出接口和事后数据传输接口。

6.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备的测量方法，其特征在于：天线A、B、C的本地坐标值的确定方法为：

(1)设一个北斗双天线测向接收机中天线A、B的本地坐标分别为(X_A,Y_A,Z_A)、(X_B1,Y_B1,Z_B1)，另一个北斗双天线测向接收机中天线B、C的本地坐标分别为(X_B2,Y_B2,Z_B2)、(X_C,Y_C,Z_C)；

(2)计算两个北斗双天线测向接收机对天线B的测量差值，得到(X_B2-X_B1,Y_B2-Y_B1,Z_B2-Z_B1)；

(3)利用测量差值进行误差补偿，得到天线A、B、C的本地坐标值分别为(X_A,Y_A,Z_A)、(X_B1,Y_B1,Z_B1)，(X_C-X_B2+X_B1,Y_C-Y_B2+Y_B1,Z_C-Z_B2+Z_B1)。