CN115276837A - 一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，由地面通信站、数据采集部和水面通信站组成，该地面通信站包括上位机和基站，数据采集部用于采集至少一个监测数据，水面通信站经一通信线路读取的监测数据。该水面通信站包括GPS模块、加速度计、角度计、驱动模块、数据处理模块和相控阵天线。可以通过水面上的水面通信站以及水底的数据采集部实现监测，减少数据丢包，实现在特定区域中确定监测点的位置，精确定位，准确性高。并通过坐标变换算法，不因水面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。

Description

一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统

技术领域

本发明涉及远程监测技术，尤其涉及一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统。

背景技术

在环保监测中，有时需要把监测点安置在水底。水底的监测点的信号收发有两种实现方式。监测点可以通过水声通道向水面发送数据。为避免丢包，这种方式需要在信号通道上安置多个中继点，实现数据多跳传输。监测点也可以通过有限索道向水面发送数据。这种监测方式可以保证测点位于特定区域，数据准确性高。但是由于GPS信号在水中的衰减，这种方式估算监测点的准确位置存在难度。鉴于此，现有技术有进一步改进的必要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，通过水面监测站的GPS信息实现水底测点的定位，监测数据更准确反映监测位置。

本申请的发明目的可通过以下技术方案实现：

一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，由地面通信站、数据采集部和水面通信站组成，该地面通信站包括上位机和基站，数据采集部用于采集至少一个监测数据，水面通信站经一通信线路读取监测数据，其特征在于，该水面通信站包括：

GPS模块，用于获得水面通信站的位置数据；

加速度计，用于获得水面通信站的三轴加速度；

角度计，用于测量通信线路的线路偏角；

驱动模块，用于调节通信线路的伸长量；

数据处理模块，用于根据所述三轴加速度、线路偏角和伸长量确定数据采集部的位置数据；

相控阵天线，用于向基站发送数据采集部的位置数据和监测数据。

在本发明中，所述水面通信站还包括时钟模块和主控模块，时钟模块将监测时间发送至主控模块，主控模块将数据采集部的位置数据和监测数据压缩成以监测时间为索引的数据段。

在本发明中，所述主控模块根据三轴加速度（a_x,a_y,a_z）确定水面通信站的水平偏角

，由水平偏角

、线路偏角

确定数据采集部与水面通信站的位置向量（x_i,y_i,z_i），再根据水面通信站的位置数据（x₁,y₁,z₁）和位置向量（x_i,y_i,z_i）确定数据采集部的位置数据（x₂,y₂,z₂）。

在本发明中，水平偏角

，

，

，

，

，

，

。

在本发明中，所述水面通信站还包括功率控制模块，功率控制模块根据水平偏角

调整相控阵天线的主瓣方向。

在本发明中，所述驱动模块包括：

用于收放通信线路的收放组件；

用于测量通信线路的感应组件；以及

用于改变通信线路方向的导向组件。

在本发明中，所述收放组件由对称设置的支撑座、旋转轴、恒扭力发条和通信线路组成，所述支撑座安装在旋转轴的两端，所述通信线路绕在旋转轴上且在对称设置的支撑座之间，所述恒扭力发条安装在支撑座上且与旋转轴连接。

在本发明中，所述导向组件由第一导向轮和第二导向轮组成，所述第一导向轮的中间具有转动轴，所述第二导向轮位于第一导向轮的下端。

在本发明中，所述感应组件为霍尔传感器。

实施本发明的这种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，具有以下有益效果：可以通过水面上的水面通信站以及水底的数据采集部实现监测，减少数据丢包，实现在特定区域中确定监测点的位置，精确定位，准确性高。并通过坐标变换算法，不因水面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。

附图说明

图1为本发明的可估算测点坐标的高精度远程监测系统结构框图；

图2为本发明中水面通信站、通信线路和数据采集部结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明中通信线路的偏移状态示意图；

图5为图3中水面通信站结构示意图；

图6为本发明中导向组件结构示意图；

图7为本发明中收放组件结构示意图。

图中：水面通信站1、安装轴2、收放组件3、通信线路4、感应组件5、支撑座6、旋转轴7、恒扭力发条8、安装室9、第一扭力轮10、第二扭力轮11、不锈钢卷12、第一导向轮13、第二导向轮14、轴承座15、转动轴16、支座17、数据采集部18、导向组件19、支撑板20。

具体实施方式

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、完整地描述。

由于水底监测点的位置估计难度大，现有技术的监测装置采用水面测点的位置代替水底监测点，导致监测数据无法准确反映测点位置。本发明的这种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，通过数据采集部18和水面通信站1的配合实现数据分析得出水底监测点的坐标位置，从而确定水底的监测点的坐标位置。

实施例一

参照图1，本实施例的可估算测点坐标的高精度远程监测系统由地面通信站、数据采集部18和水面通信站1组成。地面通信站包括上位机和基站，基站可以是地面常设基站或者临时收发增强设备，上位机可以嵌入pc。数据采集部18用于采集至少一个监测数据，监测数据包括但不限于含氧量、水压、ph值等。对应于不同的监测对象，数据采集部18中可以设置不同的传感器模块。水面通信站1经一通信线路4读取监测数据，通信线路4为内置导体的柔性防水绞索。参照图2，数据采集部18沉入水底，水面通信站1漂浮在水面上。在水流作用下，水面通信站1的坐标与数据采集部18的坐标相差较大，通信线路4可以根据测点间距调整。本申请的特殊之处在于，根据水面通信站1确定水底数据采集部18的坐标。

水面通信站1包括GPS模块、加速度计、角度计、驱动模块、数据处理模块、相控阵天线、时钟模块和主控模块。GPS模块用于获得水面通信站1的位置数据（x₁,y₁,z₁）。加速度计用于获得水面通信站1的三轴加速度（a_x,a_y,a_z）。角度计用于测量通信线路4的线路偏角

。驱动模块用于调节通信线路4的伸长量L。数据处理模块用于根据所述三轴加速度、线路偏角和伸长量确定数据采集部18的位置数据。

水平偏角

为航向角（yaw），即水面通信站1绕竖直轴线的转角。主控模块根据三轴加速度（a_x,a_y,a_z）确定水面通信站1的水平偏角

，水平偏角

。由水平偏角

、线路偏角β确定数据采集部18与水面通信站1的位置向量（x_i,y_i,z_i），

，

，

。位置向量表达由水面通信站1指向数据采集部18的向量。最后根据水面通信站1的位置数据（x₁,y₁,z₁）和位置向量（x_i,y_i,z_i）确定数据采集部18的位置数据（x₂,y₂,z₂）。

，

，

。

进一步的，本实施例的相控阵天线用于向基站发送数据采集部18的位置数据和监测数据。水面通信站1的方向随水流变化，为保证相控阵天线指向基站，功率控制模块根据前述水平偏角

调整天线阵列单元的激励幅度和相位，进而调整相控阵天线的主瓣方向。水面通信站1向基站发送的数据由监测时间、位置数据和监测数据组成。监测数据由数据采集部18获得，监测时间为数据到达水面通信站1的时间，位置数据由本实施例的算法获得。时钟模块将监测时间发送至主控模块，主控模块将数据采集部18的位置数据和监测数据压缩成以监测时间为索引的数据段。

在具体实施例中，水面通信站1放置在漂浮器上，漂浮器的中间具有一处放置水面通信站1的安装孔。通信线路4经安装孔连接数据采集部18，安装孔高于吃水线。驱动模块包括用于收放通信线路4的收放组件3、用于测量通信线路4的感应组件5以及用于改变通信线路4方向的导向组件19。收放组件3提供稳定的拉力，该拉力与数据采集部18的重力与浮力共同作用在数据采集部18上。数据采集部18进入河床底部且通信线路4处于绷紧状态。参照图5，收放组件低于吃水线，安装孔高于吃水线，通信线路4通过导向组件19改变方向。

实施例二

本实施例描述水面通信站1的优选具体结构，为了实现实施例一的发明目的，本申请还可以采用其他结构的水面通信站1。

参照附图2、图3、图5、图6和图7，收放组件3由对称设置的支撑座6、旋转轴7、恒扭力发条8和通信线路4组成，支撑座6安装在旋转轴7的两端，通信线路4绕在旋转轴7上且在对称设置的支撑座6之间。支撑座6上设有一安装室9，恒扭力发条8安装在安装室9中，恒扭力发条8由第一扭力轮10和第二扭力轮11组成。第一扭力轮10安装在旋转轴7上，第二扭力轮11通过安装轴2安装在安装室9中。旋转轴7能够带动第一扭力轮10转动储存能量，也能够通过第一扭力轮10带动旋转轴7释放储存的能量。而第二扭力轮11与第一扭力轮10之间通过不锈钢卷12连接，当第一扭力轮10反向转动时，第二扭力轮11便会正向转动，第二扭力轮11反向转动时，第一扭力轮10便会正向转动，将能量相互转换。

导向组件19由第一导向轮13和第二导向轮14组成，第一导向轮13的中间具有转动轴16，转动轴16的两侧通过轴承座15安装在支撑板20上，第二导向轮14位于第一导向轮13的下端，且通过支座17安装在水面通信站1的内壁上。

在导向组件19处设置一倾角传感器，该倾角传感器安装在水面通信站的内壁上，用于监测通信线路的水平偏角

，其中线路偏角

为航向角，航向角可以采用现有方式计算得出。

如图6所示，第一导向轮13的边缘与第二导向轮14的边缘之间的距离为H1，第一导向轮13的半径为r1，H1≥r1。

在通信线路4的下端设有一数据采集部18，数据采集部18将数据通过通信线路4传输至水面通信站1中。

感应组件5用于计算转动轴16转动的圈数，从而得到通信线路4收放的长度。感应组件5为霍尔传感器。该感应组件5与第一导向轮13之间通过转动轴16连接，第一导向轮13转动后，可以带动感应组件5一块转动。

在使用时，放下数据采集部18，使得数据采集部18拉动通信线路4，使其带动第一导向轮13和第二导向轮14转动，当第一导向轮13转动之后，便会使得转动轴16转动，转动轴16带动感应组件5转动，感应组件5中产生周期性变化的感应电流。处理器便会拾取该周期性变化的感应电流，从而获取转动轴16的转动速度和角度，即可以得知转动轴16转动的圈数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可估算测点坐标的高精度远程监测系统，由地面通信站、数据采集部和水面通信站组成，该地面通信站包括上位机和基站，数据采集部用于采集至少一个监测数据，水面通信站经一通信线路读取监测数据，其特征在于，该水面通信站包括：

GPS模块，用于获得水面通信站的位置数据；

加速度计，用于获得水面通信站的三轴加速度；

角度计，用于测量通信线路的线路偏角；

驱动模块，用于调节通信线路的伸长量；

数据处理模块，用于根据所述三轴加速度、线路偏角和伸长量确定数据采集部的位置数据；

相控阵天线，用于向基站发送数据采集部的位置数据和监测数据。

2.根据权利要求1所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述水面通信站还包括时钟模块和主控模块，时钟模块将监测时间发送至主控模块，主控模块将数据采集部的位置数据和监测数据压缩成以监测时间为索引的数据段。

3.根据权利要求2所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述主控模块根据三轴加速度（a_x,a_y,a_z）确定水面通信站的水平偏角

，由水平偏角

、线路偏角

确定数据采集部与水面通信站的位置向量（x_i,y_i,z_i），再根据水面通信站的位置数据（x₁,y₁,z₁）和位置向量（x_i,y_i,z_i）确定数据采集部的位置数据（x₂,y₂,z₂）。

4.根据权利要求3所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，水平偏角

，

，

，

，

，

，

。

5.根据权利要求1所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述水面通信站还包括功率控制模块，功率控制模块根据水平偏角

调整相控阵天线的主瓣方向。

6.根据权利要求1所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述驱动模块包括：

用于收放通信线路的收放组件；

用于测量通信线路的感应组件；以及

用于改变通信线路方向的导向组件。

7.根据权利要求6所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述收放组件由对称设置的支撑座、旋转轴、恒扭力发条和通信线路组成，所述支撑座安装在旋转轴的两端，所述通信线路绕在旋转轴上且在对称设置的支撑座之间，所述恒扭力发条安装在支撑座上且与旋转轴连接。

8.根据权利要求6所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述导向组件由第一导向轮和第二导向轮组成，所述第一导向轮的中间具有转动轴，所述第二导向轮位于第一导向轮的下端。

9.根据权利要求7所述的可估算测点坐标的高精度远程监测系统，其特征在于，所述感应组件为霍尔传感器。

Images