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与流程

本发明涉及海洋科考探测领域，尤其涉及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。

背景技术：

在海洋科学考察探测活动中，经常对海洋的水体各种属性参数进行测量，水体参数包括温度、盐度、水深、氧化还原电位、溶解氧、ph、co2、甲烷、叶绿素、浊度以及有效光合作用辐照等，以研究监测海洋水体物理化学特征。目前，各种海洋水体参数都有专门的独立物理化学传感器进行测量，根据研究目标不同，探测载体通常搭载其中几种或全部传感器进行测量，将获得的数据进行后处理分析。这类探测传感器的载体有两种布放作业模式，一种是定点布放的锚系潜标链或锚系浮标，可以较长时间对固定点位置的海水体参数进行测量，各传感器数据的空间位置与锚系位置相关，较容易获得；另一种方式是采用拖曳缆系挂传感器进行水体参数的探测。

其中，采用走航式拖曳缆系传感器进行快速测量的方式在大洋科考中普遍应用，主要是由于大洋科考中经常要用到多种不同的拖曳式深海探测载体，在使用深海拖曳探测载体时，在拖曳缆上同时系挂多个物理化学传感器，用来测量海洋水体参数是非常经济的，同时也为海底探测提供同步的水体参数记录，符合海洋探测的需要。但是由于传感器都是独立的，如常用的浊度传感器、氧化还原电位传感器以及甲烷传感器等，是分别系挂在拖曳缆上距离拖缆末端载体不同固定距离的位置，而拖缆在作业过程中经常随机摆动，缆系各传感器实际水下位置是在立体空间随机变化分布的。传感器数据在后处理中虽然时间可以同步，但是实际水体中的运动轨迹却无法确定，只能粗略当作一维与海底的垂直线上分布，所得结果的推演必然误差较大，这造成探测传感器只是探测到水体异常，而缺少对应的空间位置，造成二次探查时仍然难以确定异常的确切位置。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出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，克服海洋科考中走航拖曳调查时，拖曳缆系单点传感器水下空间位置不能确定的缺陷，提供一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置，能够准确获取传感器水下空间位置，从而使各单点传感器数据能准确定位在三维立体被探测水体空间，达到水体参数匹配空间位置的目标。本装置的使用方式是，将所述装置固定安装(固连)在传感器外壳上，所述装置与传感器通过水密电缆连接通讯或者不连接数据同步自容存储，作业完成后，通过计算机将空间运动轨迹数据导出。

本发明的应用情景的技术特点在于：(1)水下无gnss(globalnavigationsatellitesystem)信号，不能提供惯导系统进更新修正位置；(2)在垂直方向上，使用压力传感器，为垂直方向运动误差阈值控制提供参数；(3)拖曳调查的重要特点之一，是一种低速的调查方法，并且拖曳探测时间较短，位置推算累积误差有限。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置，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。

进一步地，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。

进一步地，所述时钟源和存储器均通过数据排线连接到微处理器。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取方法，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：

传感器所在位置的纬度为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，vn，ve，vd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，rm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，由此使用积分方程推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：设深度计输出的深度值dp，k值为长基线声学定位系统的定位误差，则：

当(d-dp)/dp×100％≥k；

则在时间周期t内使用dp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载体坐标系数据，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。

本发明的有益效果：

(1)可操作性。所述装置可以附属搭载在任意拖曳缆系传感器上，方便应用；

(2)稳定性。所述装置的电能有自身电池提供，数据自容存储，不需要外界传感器参与，可稳定运行；

(3)低成本，采用目前广泛应用的mems器件，体积小，重量轻，成本低，精度高，功耗小，既可以获得高精度的姿态数据，又降低了装置成本，有利于广泛适用；

(4)多次利用性。所述装置在完成一次作业后，导出数据，并进行充电后，即可再次使用，可多次在海上作业中使用；

(5)本发明利用多传感器记录所述装置运动过程中的加速度、角速率、姿态、方位以及时间戳，利用本发明的水深数据阈值控制误差方法，进行拖曳缆系单点传感器运动轨迹获取，能够有效获得传感器在水下的运动轨迹，提升了水体探测的空间位置精度，促进了传感器数据的空间信息融合，有利于水体属性数据空间特性解译。

附图说明

图1是本发明装置的使用情景示意图；

图2是本发明装置的结构示意图；

图3是本发明装置的连接关系示意图；

图4是本发明方法流程图；

图中：调查船1.1、拖曳缆1.2、本发明装置1.3、拖体1.4、水密耐压舱1、微处理器2、三轴加速度传感器3、三轴磁力传感器4、三轴陀螺仪5、时钟源6、存储器7、压力数据接收器8、gnss接收器9、电源模块10，压力传感器11、gnss天线12、数据交换插头13、电源充电插头14、第一锁扣15与第二锁扣16。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置，该装置包括封装在水密耐压舱1内的三轴加速度传感器3、三轴磁力传感器4、三轴陀螺仪5、时钟源6、微处理器2、存储器7、压力数据接收器8、gnss接收器9与电源模块10，以及水密耐压舱外的压力传感器11、gnss天线12、数据交换插头13、电源充电插头14、第一锁扣15与第二锁扣16；所述第一锁扣15与第二锁扣16用于将空间运动轨迹获取装置与拖曳缆连接固定。

所述三轴加速度传感器3信号端口、三轴磁力传感器4信号端口和三轴陀螺仪5信号端口均通过双绞线缆连接到微处理器2；所述时钟源6和存储器7均通过数据排线连接到微处理器2；所述压力数据接收器8通过数据排线连接到微处理器2，同时通过屏蔽线缆连接到压力传感器11；所述gnss接收器9通过数据排线连接到微处理器2，同时通过屏蔽线缆连接到水密耐压舱外的gnss天线12。

所述电源模块10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10与水密耐压舱外的电源充电插头14连接；水密耐压舱外数据交换插头13与微处理器2连接，通过计算机执行空间运动轨迹数据导出操作。

一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取方法，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：

传感器所在位置的纬度为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，vn，ve，vd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，rm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，由此使用积分方程推算每一时刻的传感器位置：

采用一定的误差控制方法，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：设深度计输出的深度值dp，k值为长基线声学定位系统的定位误差，则：

当(d-dp)/dp×100％≥k；

则在时间周期t内使用dp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载体坐标系数据，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。

实施例1

图1为本发明的应用情景示意图，调查船1.1通过拖曳缆1.2拖曳拖体1.4，本发明装置1.3安装在拖曳缆1.2上，图2与图3为本发明一实施例提供的深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置组成结构框图与连接框图，本实施例的深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置可以包括水密耐压舱1、8芯水密母接头作为gnss天线12以及8芯水密公接头作为数据交换插头13。

所述水密耐压舱1内安装给本设备耐压舱内所有电路供电的电源10ah电源模块10、三轴加速度传感器3、三轴磁力传感器4和三轴陀螺仪5，以及本装置控制与数据处理的stm32高性能微处理器2、4gb数据存储器7和时钟源6。

在本装置通过第一锁扣15与第二锁扣16安装在拖曳缆上并随拖曳缆运动时，三轴加速度传感器3负责获取系缆点三维空间运动趋势，三轴陀螺仪5同步获取该点角速度运动状态，三轴磁力传感器4同步获取该点标定位置方向，将三组同步单点传感器信号高速传输给stm32微处理器单元2，stm32微处理器单元2将原始数据组标上时间信息后一方面直接存储到存储器7预定存储空间，同时通过预编算法将三组传感器信号综合处理成该设备系缆点的运动参数包含运动方向、运动速度、标定空间中的位置等信息，然后标上获取时间并存储到存储器7预定存储空间段。

所述时钟源6是启动本装置开始获取系缆点空间运动信息的判决器和同步器，在本装置通过gnss信号接头12接收到初始位置与时间后，时钟源6连接对外输出的ttl触发信号，ttl电平触发stm32高性能微处理器2信号采集，所述装置在stm32高性能微处理器2控制下开始进行传感器组信号采集。

在使用本装置时，需要预先规定本装置与要跟踪运动轨迹的传感器装置之间的位置，并根据以此建立一个三维空间，在多点使用时，需要将所有布置点的位置建立在同一个三维坐标空间内，本装置外壳会有一个预先标定的标识，各点装置布置时要将标识对号同一面并测量标注到同一标定3维坐标空间内。

由上述技术方案可知，本发明提供的深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置通过时间序列将存储的空间运动探测传感器组的处理后运动点空间信息在三维空间里绘制成图，就可以获得所测拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹图，可以准确测量和反映传感器水下真实空间测量，使探测结果能立体呈现，方便分析水体中的物理与化学特性。

本发明的深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取装置是通过与待测量传感器一起固定在拖曳缆上的，是水体拖曳探测的辅助装置，在水下长时间自供电工作，提高水体拖曳探测效率和精准度。

实施例2

一种深海拖曳缆系单点传感器空间运动轨迹获取方法，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，所述的锁扣是否灵活正常；

1.2)使用计算机连接数据交换rj45以太网接口，传输电源开启命令，所述装置各传感器上电，

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、高性能微处理器、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)将所述装置的第一锁扣、第二锁扣与单点传感器连接固定；

步骤2：装置投放

2.1)当所述装置入水标志入水后，即停止放缆，使得所述装置保持静止，用于初始位置对准；

2.2)把所述装置连接gnss接收器，应用gnss接收器提供初始位置，并且对所述装置进行对时，时间约为5分钟；

2.3)完成位置初始化与时间同步后，封闭数据对准水密插头；

2.4)所述装置随同单点传感器入水，开始探测；

2.5)所述装置随着拖曳缆，在水体中运动，并记录数据；

步骤3：装置作业与回收

3.1)所述装置投放完成后，即开始工作，其中所述压力数据接收器用于探测水深变化，所述加速度传感器检测所述装置的加速度变化，所述三轴陀螺仪检测所述装置的姿态与角速率，所述三轴磁力传感器检测所述装置的方位，所述时钟源为各传感器数据标记时间戳，所述高性能微处理器对各传感器数据进行处理，所述存储器用于存储各传感器数据，所述电池电源系统为各部件提供电能；

3.2)所述装置通过gnss获得初始位置，应用所述装置记录的加速度、角速率、姿态、磁方位以及对应的时间戳，使用积分方程，计算每一个时刻的位置，即可获得所述装置在水下的运动轨迹；

3.3)在使用积分方程计算每一时刻位置过程中，采用一定的误差控制方法，引入基于压力传感器所表征的垂向深度数据，针对垂向方向的位移，控制误差传播。即以零点开始积分计算每一个时刻的位置，其中使用垂向方向深度进行误差控制，当推算获得的垂向深度与压力传感器测量的深度之间的偏差低于设定阈值，则使用持续积分计算，当超出阈值，使用压力传感器测量的垂向深度数据作为初始位置，重新积分推算三维位置数据；

3.4)所述装置完成作业后，所述的装置进行回收；

步骤4：空间运动轨迹导出

4.1)将所述装置的数据交换接口连接至计算机，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载体坐标系数据，使用载体初始状态的地理坐标，转换为地理坐标系下的空间运动轨迹数据。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。