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CN110927801A - 基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法及导航探测仪 - Google Patents

基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法及导航探测仪 Download PDF

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CN110927801A
CN110927801A CN201911205734.2A CN201911205734A CN110927801A CN 110927801 A CN110927801 A CN 110927801A CN 201911205734 A CN201911205734 A CN 201911205734A CN 110927801 A CN110927801 A CN 110927801A
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Abstract

本发明涉及的磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法及导航探测仪，其特征在于，包括以下步骤：1)将水面拖体与船载设备连接，将水面拖体置于水中；2)测量船从海缆一端出发，进行“S”型扫测，水面拖体获得海缆工频电流的交变磁场信号；3)基于水面拖体在t1时刻检测到的海缆工频电流产生的交变磁场信号以及船载设备测量到的测量船经纬度坐标，计算水面拖体距离最近海缆的水平距离、方向角、海缆的经度坐标和纬度坐标；4)测量船根据与最近海缆的直线距离和方向角修正航行方向；5)形成海缆路由图。采用本方法进行海缆路由巡线，无需探测设备经过海缆正上方即可完成探测，提高了定位效率，同时保证了海缆路由数据的连续性，操作简单。

Description

基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法及导航探测仪
技术领域
本发明涉及一种海缆运行与维护领域，特别是一种基基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪及巡线方法，用于提高海缆路由定位的效率。
背景技术
海底电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底，用于电力和信息传输。根据用途可分为电力电缆、光电复合缆、通信光缆等。近年来，光电复合海底电力电缆(简称光电复合海缆)在电力传输及数据通信领域逐渐普及。这种新型海缆把电缆和光缆复合在一起，同时输送电能和传输数据，既节约成本，又降低敷缆施工次数，在诸如浅海岛屿间跨海输电和通信应用中备受青睐。
海缆路由巡线是海缆运行与维护中的一个重要环节。准确的海缆路由在海缆发生故障时能够有效的帮助抢修人员进行海缆故障定位，从而缩短故障海缆的维修时间，减小经济损失。目前，常用的海缆路由巡线所使用的探测设备只能分辨正下方区域是否存在海缆，当探测设备位于海缆附近时无法确定探测设备与海缆的相对位置。因此，需要通过“S”型来回扫测的方式使探测设备尽可能多的经过海缆正上方，从而确定海缆路由。
这种路由探测方式存在两个缺点：1)海缆路由探测数据不连续，由于探测设备航线与海缆路由相交时才产生一个海缆路由数据点，因此探测到的海缆路由数据只能是不连续的多个数据，而考虑到探测效率的问题，相邻两个数据之间通常间隔几百米甚至几公里，导致海缆路由不够精确；2)海缆路由探测效率低下，由于无法得知探测设备与海缆的相对位置信息，只能通过“S”型的扫测方式尽量保证能够覆盖海缆路由，一旦扫测区域偏离海缆路由，则需要修正探测路线，重新进行扫测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中海缆路由效率较低且数据不连续的问题，提出一种基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪及巡线方法。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，包括以下步骤：
1)通过水密电缆将水面拖体与船载设备连接，并将水面拖体置于水中；
2)测量船从海缆一端出发，在需探测海缆路由的海域进行快速的“S”型扫测，同时拖拽水面拖体，直至水面拖体获得海缆工频电流的交变磁场信号；
3)基于水面拖体在t1时刻检测到的海缆工频电流产生的交变磁场信号以及船载设备测量到的测量船的经纬度坐标，计算得到t1时刻水面拖体距离最近海缆的水平距离L、方向角θ、海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
4)测量船根据与最近海缆的直线距离L和方向角θ修正航行方向；
5)重复步骤3)和4)，形成海缆路由图。
优选地，所述的水面拖体由测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪和姿态仪均与下位机连接；所述的船载设备包括船载上位机、导航定位仪和船载姿态仪，下位机与船载上位机通信连接；
所述的步骤3)具体包括以下步骤：
3.1)原子磁力仪测量地磁场总场数据B0，三轴磁通门磁力仪测量交变磁场信号的交流三分量，配合姿态仪测试的水面拖体的姿态信息，得到地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，测得的数据通过下位机输送到船载上位机中，导航定位仪配合船载姿态仪测量的测量船的姿态信息，得到测量船的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，并将数据传输给转载上位机；
3.2)对地磁三分量进行修正，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ；
3.5)根据航定位仪测量经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算所得的水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，计算t1时刻离测量船最近的海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
3.6)测量船根据与最近海缆的直线距离L和方向角θ修正航行方向。
优选地，所述的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)修正的计算方式为：
Figure BDA0002296887740000031
Figure BDA0002296887740000032
Figure BDA0002296887740000033
优选地，所述的水面拖体距离最近海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002296887740000034
其中μ0为真空磁导率。
优选地，所述的水面拖体距离最近海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
优选地，所述的t1时刻离测量船最近的海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002296887740000035
其中，R为地球半径。
优选地，所述的海缆工频电流的频率为50Hz。
本发明涉及一种基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪，其特征在于：其包括水面拖体、船载设备和测量船；所述的船载设备设置于测量船上，船载设备包括船载上位机、导航定位仪和船载姿态仪，导航定位仪和船载姿态仪均通过电缆与船载上位机连接；所述的水面拖体由测量船拖拽，水面拖体包括包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪和姿态仪均与下位机连接，下位机与船载上位机通信连接。
优选地，所述的水面拖体还包括非金属水密舱，非金属水密舱的外壁上设有水密接插件；所述的原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱内部，下位机通过电缆与水密接插件连接，水密接插件又通过水密电缆与船载上位机连接。非金属水密舱内部起到防水的作用，用于保护原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机；水密电缆用于下位机向船载上位机输送数据，同时用于测量船拖拽水面拖体，一举两得。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明只要水面拖体在海缆附近探测到特定频率的交变磁场信号，通过测量地磁场总场数据和地磁三分量数据，并对地磁三分量数据进行修正和傅里叶变换，配合导航定位仪测量的经度坐标和纬度坐标计算水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，以及计算海缆的经度坐标和纬度坐标，海缆位置通过计算得出，海缆路由探测效率高且数据连续，通过探测海缆中工作电流产生的磁矢量数据，计算海缆的实际位置，无需探测设备经过海缆正上方即可完成探测，提高了定位效率，同时保证了海缆路由数据的连续性。
2、当探测设备到达海缆附近时，通过计算水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，修正测量船的方向，实现以自导航的方式沿着海缆路由进行巡线，整个过程仅需操作海缆路由探测仪中的水面拖体和船载设备两个部分，操作简单。
附图说明
图1是基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪的框架图；
图2是基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪的详细框架图。
标注说明：1-水面拖体，2-水密电缆，3-船载设备，4-原子磁力仪，5-三轴磁通门磁力仪，6-姿态仪，7-下位机，8-非金属水密舱，9-船载上位机，10-导航定位仪，11-船载姿态仪。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
结合附图1和2所示，本发明涉及的一种基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪包括水面拖体1、船载设备3和测量船(图中未画出)。
船载设备3设置于测量船上，船载设备3包括船载上位机9、导航定位仪10和船载姿态仪11，导航定位仪10和船载姿态仪11均通过电缆与船载上位机9连接。
水面拖体1由测量船拖拽，水面拖体1包括包括原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5、姿态仪6、下位机7和非金属水密舱8，原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5和姿态仪6均与下位机7连接，非金属水密舱8的外壁上设有水密接插件，原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5、姿态仪6和下位机7均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱8内部，下位机7通过电缆与水密接插件连接，水密接插件又通过水密电缆2与船载上位机9连接，水密电缆2用于下位机7向船载上位机9输送数据，同时用于测量船拖拽水面拖体1。
上述原子磁力仪4采用加拿大Scintrex公司生产的型号为CS-3高精度铯光泵磁力仪，用于测量地磁场总场数据B0；三轴磁通门磁力仪5采用英国Bartington公司生产的型号为Mag-13三轴磁通门，用于测量正弦电流信号的交流磁场三分量；姿态仪6采用三维姿态仪，其用于感应水面拖体1的姿态信息，并通过姿态转换的方式将交流磁场三分量转化为地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)；非金属水密舱8用碳纤维材料构成，水密电缆2采用多芯凯夫拉缆；下位机7用于接收原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5和姿态仪6的数据并将该数据传输给船载上位机9；导航定位仪10采用加拿大Hemisphere生产的R330型导航定位仪，用于测量水面拖体1的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；船载姿态仪11采用三维姿态仪，用于感应测量船的姿态信息，并配合导航定位仪10测量测量船的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)。
实施例二
结合附图2所示，本发明还涉及基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，包括以下步骤：
1)通过水密电缆2将水面拖体1与船载上位机9连接，并将水面拖体1置于水中，船载上位机9、导航定位仪10放置在测量船上，由测量船对水面拖体1进行拖曳作业，船载姿态仪11固定在水密电缆2中受拖拽力的任意部位，打开船载上位机9，实时接收水面拖体1发送的数据；
2)测量船的测量路线调节：测量船从海缆一端出发，在需探测海缆路由的海域进行快速的“S”型扫测，同时拖拽水面拖体1，直至三轴磁通门磁力仪5测量到稳定频率50Hz的交变磁场信号；
3.1)原子磁力仪4测量地磁场总场数据B0，三轴磁通门磁力仪5测量交变磁场信号的交流三分量，姿态仪6测试的水面拖体1的姿态信息，姿态仪6根据三轴磁通门磁力仪5测量交变磁场信号的交流三分量得到地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，其中，Bx(t)代表正东方向磁场分量、By(t)代表正北方向磁场分量、Bz(t)代表垂直方向磁场分量，测得的数据通过下位机7以及水密电缆2输送到船载上位机9中，导航定位仪10配合船载姿态仪11测量的测量船的姿态信息，得到测量船的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，并将数据传输给转载上位机9；
3.2)计算t1时刻经原子磁力仪4修正后的地磁三分量数据，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)，计算方式为：
Figure BDA0002296887740000061
Figure BDA0002296887740000062
Figure BDA0002296887740000063
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)进行傅里叶变换，并分别取50Hz频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据50Hz频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体1距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，其中，
水面拖体1距离最近海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002296887740000064
其中μ0为真空磁导率；
水面拖体1距离最近海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
3.5)根据航定位仪测量经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算所得的水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，计算t1时刻离测量船最近的海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)，经度坐标和纬度坐标的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002296887740000071
其中，R为地球半径；
3.6)测量船根据与最近海缆的直线距离L和方向角θ修正航行方向；
4)重复步骤4～8，使三轴磁通门磁力5仪始终能探测到频率为ω的交变磁场信号，并记录多组海缆经纬度坐标lon2(t1)、lat2(t1)数据，形成海缆路由图。
本发明的工作机理是：海缆中50Hz交变电流信号产生的50Hz交流磁场三分量将由原子磁力仪4和三轴磁通门磁力仪5探测，其中原子磁力仪4测量地磁场总场，三轴磁通门磁力仪5测量地磁三分量。通过姿态仪6提供的姿态数据将交流磁场三分量转换到地理坐标下的磁场三分量。结合长直导线上电流产生磁场的模型，通过地理坐标下的磁场三分量和测量设备的地理坐标，计算探测点与海缆的相对位置，进而计算离探测点最近的海缆路由位置数据，实时修正探测路线并记录连续的海缆路由数据。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)通过水密电缆将水面拖体与船载设备连接，并将水面拖体置于水中；
2)测量船从海缆一端出发，在需探测海缆路由的海域进行快速的“S”型扫测，同时拖拽水面拖体，直至水面拖体获得海缆工频电流的交变磁场信号；
3)基于水面拖体在t1时刻检测到的海缆工频电流产生的交变磁场信号以及船载设备测量到的测量船的经纬度坐标，计算得到t1时刻水面拖体距离最近海缆的水平距离L、方向角θ、海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
4)测量船根据与最近海缆的直线距离L和方向角θ修正航行方向；
5)重复步骤3)和4)，形成海缆路由图。
2.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的水面拖体由测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪和姿态仪均与下位机连接；所述的船载设备包括船载上位机、导航定位仪和船载姿态仪，下位机与船载上位机通信连接；
所述的步骤3)具体包括以下步骤：
3.1)原子磁力仪测量地磁场总场数据B0，三轴磁通门磁力仪测量交变磁场信号的交流三分量，配合姿态仪测试的水面拖体的姿态信息，得到地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，测得的数据通过下位机输送到船载上位机中，导航定位仪配合船载姿态仪测量的测量船的姿态信息，得到测量船的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，并将数据传输给转载上位机；
3.2)对地磁三分量进行修正，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ；
3.5)根据航定位仪测量经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算所得的水面拖体距离最近海缆的水平距离L与方向角θ，计算t1时刻离测量船最近的海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
3.6)测量船根据与最近海缆的直线距离L和方向角θ修正航行方向。
3.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)修正的计算方式为：
Figure FDA0002296887730000021
Figure FDA0002296887730000022
Figure FDA0002296887730000023
4.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的水面拖体距离最近海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure FDA0002296887730000024
其中μ0为真空磁导率。
5.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的水面拖体距离最近海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
6.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的t1时刻离测量船最近的海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure FDA0002296887730000025
其中，R为地球半径。
7.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航巡线方法，其特征在于：所述的海缆工频电流的频率为50Hz。
8.一种基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪，其特征在于：其包括水面拖体、船载设备和测量船；所述的船载设备设置于测量船上，船载设备包括船载上位机、导航定位仪和船载姿态仪，导航定位仪和船载姿态仪均通过电缆与船载上位机连接；所述的水面拖体由测量船拖拽，水面拖体包括包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪和姿态仪均与下位机连接，下位机与船载上位机通信连接。
9.根据权利要求8所述的基于磁矢量数据的海缆路由自导航探测仪，其特征在于：所述的水面拖体还包括非金属水密舱，非金属水密舱的外壁上设有水密接插件；所述的原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和下位机均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱内部，下位机通过电缆与水密接插件连接，水密接插件又通过水密电缆与船载上位机连接。
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