水下GPS定位技術(shù)應(yīng)用研究

伏天淑+卞盼盼+王英剛+周立

（1.淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

摘要：傳統(tǒng)的水下定位系統(tǒng)在布設(shè)、維護(hù)、回收等方面都存在較大困難，水下GPS定位系統(tǒng)可將水上GPS定位向水下拓展的定位系統(tǒng)，通過(guò)GPS定位和水聲定位相組合，可實(shí)現(xiàn)靈活、高精度定位，為水下目標(biāo)提供精準(zhǔn)位置信息。

關(guān)鍵詞：水下定位；GPS浮標(biāo)；基線(xiàn)

1、水下GPS定位技術(shù)發(fā)展

1.1 國(guó)外水下GPS定位技術(shù)發(fā)展

早在1989年，就有人提出了將長(zhǎng)基線(xiàn)陣從水底搬到水面上的想法，建立浮標(biāo)式水面長(zhǎng)基線(xiàn)系統(tǒng)，該構(gòu)想為浮標(biāo)定位系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，但當(dāng)時(shí)的GPS系統(tǒng)還正在建設(shè)中，無(wú)法對(duì)浮動(dòng)的浮標(biāo)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位。美國(guó)的James Youngberg在1992年初次提出水下GPS的構(gòu)想。隨后H.THOMAS在1994年發(fā)表了“基于水面浮標(biāo)的先進(jìn)水下導(dǎo)航技術(shù)”一文，文中闡述了使用水下GPS的不同途徑，并提出另外一種水聲測(cè)量方，通過(guò)水下目標(biāo)向水面浮標(biāo)發(fā)射定位信號(hào)，水面浮標(biāo)接收到水下信號(hào)后可進(jìn)行位置解算，該方法具有很高的靈活性。1995年，法國(guó)ACSA公司研發(fā)了第一套GPS智能浮標(biāo)并海試成功，其定位精度可達(dá)1-10m。2001年，該公司為美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)了全球第一套水下GPS目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，對(duì)水下啞彈爆破、水雷對(duì)抗和水下搜救等任務(wù)起到很大作用。另外，德的國(guó)Arstech公司在2002年也研發(fā)了具有類(lèi)似功能的GPS浮標(biāo)陣水下定位系統(tǒng)。

1.2 國(guó)內(nèi)水下GPS定位技術(shù)

在“十一五”計(jì)劃的支持下，我國(guó)成功研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從水上和水下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)沒(méi)有高度原子鐘并且沒(méi)有聲線(xiàn)補(bǔ)償。隨后有人提出GPS定位與水聲定位組合的水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)以系纜浮標(biāo)作為中繼站，該系統(tǒng)可使水下目標(biāo)在潛深狀態(tài)就可直接校準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其測(cè)量精度可達(dá)到GPS水上定位同一量級(jí)；文獻(xiàn)[1]提出一種GPS定位與相對(duì)水聲定位系統(tǒng)相組合的水聲定位標(biāo)校系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為海上基準(zhǔn)點(diǎn)提供精確大地坐標(biāo)?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)在水下定位技術(shù)方面無(wú)論是在測(cè)量精度，還是水下自動(dòng)化程度都超過(guò)了國(guó)外水下GPS系統(tǒng)，研究成果也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

2 水下GPS定位模型

以往對(duì)浮標(biāo)基元的定位必須搭載具有測(cè)相和測(cè)距的的相關(guān)設(shè)備，耗電大、精度不高，水下目標(biāo)定位精度較差。而將GPS應(yīng)用到水下定位，將安裝有GPS接收機(jī)的浮標(biāo)作為基元獲取自身位置信息，通過(guò)球面或者雙曲面算法實(shí)時(shí)解算水下目標(biāo)位置。按照工作原理水下GPS定位系統(tǒng)分為兩種：基于單個(gè)GPS浮標(biāo)的水下相對(duì)定位系統(tǒng)和基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線(xiàn)水下定位系統(tǒng)，與此對(duì)應(yīng)也有兩種定位模型。

2.1 基于單個(gè)GPS浮標(biāo)的水下相對(duì)定位模型

該定位模型工作方式為水下目標(biāo)拖拽單個(gè)智能浮標(biāo)（GIB），工作靈活且范圍廣[2]。測(cè)量浮標(biāo)到達(dá)水下目標(biāo)距離是在智能浮標(biāo)和水下目標(biāo)上分別安裝基線(xiàn)陣和和水聽(tīng)器，集成GPS定位原理與水聲相對(duì)定位（短基線(xiàn)或超短基線(xiàn)定位）原理，水下相對(duì)定位系統(tǒng)大多以采用超短基線(xiàn)為主。該種模型可達(dá)到水面GPS定位同一量級(jí)。系統(tǒng)工作模型如圖1。

系統(tǒng)由搭載GPS接收機(jī)的浮體、系纜、水聲發(fā)射機(jī)和安裝有基線(xiàn)陣的水下目標(biāo)組成。GPS接收機(jī)獲得浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)，通過(guò)系纜將浮標(biāo)的位置、時(shí)間信息等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給水下目標(biāo)，同時(shí)水下目標(biāo)利用基線(xiàn)陣實(shí)時(shí)測(cè)得目標(biāo)到浮標(biāo)的相對(duì)位置，結(jié)合浮標(biāo)的GPS定位數(shù)據(jù)解算出目標(biāo)絕對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的GPS定位。

2.2 基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線(xiàn)水下定位模型

系統(tǒng)主要由GPS浮標(biāo)陣、水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)、監(jiān)測(cè)基站、水上無(wú)線(xiàn)電通信鏈路和水下水聲通信鏈路組成。該系統(tǒng)實(shí)際上可看成將水下長(zhǎng)基線(xiàn)定位系統(tǒng)搬到水面上，各系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)連接，水下采用水聲通信鏈路，水上采用無(wú)線(xiàn)電通信鏈路。水面浮標(biāo)可看成GPS衛(wèi)星，水聲信號(hào)可看成GPS無(wú)線(xiàn)電信號(hào)各浮標(biāo)基元由其自身安裝的GPS接收機(jī)獲取位置，無(wú)需矯正。再通過(guò)水聲測(cè)量技術(shù)得到水下目標(biāo)到各個(gè)浮標(biāo)基元的距離，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給監(jiān)測(cè)基站進(jìn)行解算。該系統(tǒng)系統(tǒng)工作模型如圖2。

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，監(jiān)測(cè)基站將GPS浮標(biāo)按照一定陣型投放到指定海域。浮標(biāo)基元通過(guò)GPS進(jìn)行自身定位，并測(cè)量出各個(gè)浮標(biāo)基元到達(dá)水下目標(biāo)的距離，將上述兩種數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送至監(jiān)測(cè)基站進(jìn)行解算。

結(jié)語(yǔ)：與傳統(tǒng)水下定位系統(tǒng)相比，水下GPS定位系統(tǒng)可以較好的滿(mǎn)足高精度海洋活動(dòng)的需求。系統(tǒng)精度主要依賴(lài)于高精度浮標(biāo)定位技術(shù)、同步控制和實(shí)時(shí)定位解算，各國(guó)都在加緊對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)的的研究并已經(jīng)在基元陣型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫒〉眯┏晒?。今后的水下GPS定位系統(tǒng)將會(huì)向操作性強(qiáng)，精度高、作用范圍大的新一代水下定位系統(tǒng)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉百峰. 浮標(biāo)式短基線(xiàn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[2] 張加全，劉明雍，李聞白. 一種基于單移動(dòng)GPS智能浮標(biāo)的AUV導(dǎo)航方法[J]. 魚(yú)雷技術(shù)，2010，18（2）：123-127.