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)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222001；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(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、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GPS定位和水聲定位相組合，可實現(xiàn)靈活、高精度定位，為水下目標提供精準位置信息。

關(guān)鍵詞：水下定位；GPS浮標；基線

1、水下GPS定位技術(shù)發(fā)展

1.1 國外水下GPS定位技術(shù)發(fā)展

早在1989年，就有人提出了將長基線陣從水底搬到水面上的想法，建立浮標式水面長基線系統(tǒng)，該構(gòu)想為浮標定位系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，但當(dāng)時的GPS系統(tǒng)還正在建設(shè)中，無法對浮動的浮標進行高精度實時定位。美國的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“基于水面浮標的先進水下導(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量方，通過水下目標向水面浮標發(fā)射定位信號，水面浮標接收到水下信號后可進行位置解算，該方法具有很高的靈活性。1995年，法國ACSA公司研發(fā)了第一套GPS智能浮標并海試成功，其定位精度可達1-10m。2001年，該公司為美國海軍開發(fā)了全球第一套水下GPS目標跟蹤系統(tǒng)，對水下啞彈爆破、水雷對抗和水下搜救等任務(wù)起到很大作用。另外，德的國Arstech公司在2002年也研發(fā)了具有類似功能的GPS浮標陣水下定位系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)水下GPS定位技術(shù)

在“十一五”計劃的支持下，我國成功研發(fā)了國內(nèi)首套水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)從水上和水下對目標進行定位、跟蹤，但缺點是系統(tǒng)沒有高度原子鐘并且沒有聲線補償。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)以系纜浮標作為中繼站，該系統(tǒng)可使水下目標在潛深狀態(tài)就可直接校準慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其測量精度可達到GPS水上定位同一量級；文獻[1]提出一種GPS定位與相對水聲定位系統(tǒng)相組合的水聲定位標校系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為海上基準點提供精確大地坐標?？傮w來說，我國在水下定位技術(shù)方面無論是在測量精度，還是水下自動化程度都超過了國外水下GPS系統(tǒng)，研究成果也達到國際領(lǐng)先水平。

2 水下GPS定位模型

以往對浮標基元的定位必須搭載具有測相和測距的的相關(guān)設(shè)備，耗電大、精度不高，水下目標定位精度較差。而將GPS應(yīng)用到水下定位，將安裝有GPS接收機的浮標作為基元獲取自身位置信息，通過球面或者雙曲面算法實時解算水下目標位置。按照工作原理水下GPS定位系統(tǒng)分為兩種：基于單個GPS浮標的水下相對定位系統(tǒng)和基于GPS浮標網(wǎng)絡(luò)的長基線水下定位系統(tǒng)，與此對應(yīng)也有兩種定位模型。

2.1 基于單個GPS浮標的水下相對定位模型

該定位模型工作方式為水下目標拖拽單個智能浮標（GIB），工作靈活且范圍廣[2]。測量浮標到達水下目標距離是在智能浮標和水下目標上分別安裝基線陣和和水聽器，集成GPS定位原理與水聲相對定位（短基線或超短基線定位）原理，水下相對定位系統(tǒng)大多以采用超短基線為主。該種模型可達到水面GPS定位同一量級。系統(tǒng)工作模型如圖1。

系統(tǒng)由搭載GPS接收機的浮體、系纜、水聲發(fā)射機和安裝有基線陣的水下目標組成。GPS接收機獲得浮標位置數(shù)據(jù)，通過系纜將浮標的位置、時間信息等數(shù)據(jù)實時傳送給水下目標，同時水下目標利用基線陣實時測得目標到浮標的相對位置，結(jié)合浮標的GPS定位數(shù)據(jù)解算出目標絕對位置，從而實現(xiàn)對水下目標的GPS定位。

2.2 基于GPS浮標網(wǎng)絡(luò)的長基線水下定位模型

系統(tǒng)主要由GPS浮標陣、水下導(dǎo)航收發(fā)機、監(jiān)測基站、水上無線電通信鏈路和水下水聲通信鏈路組成。該系統(tǒng)實際上可看成將水下長基線定位系統(tǒng)搬到水面上，各系統(tǒng)采用無線連接，水下采用水聲通信鏈路，水上采用無線電通信鏈路。水面浮標可看成GPS衛(wèi)星，水聲信號可看成GPS無線電信號各浮標基元由其自身安裝的GPS接收機獲取位置，無需矯正。再通過水聲測量技術(shù)得到水下目標到各個浮標基元的距離，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給監(jiān)測基站進行解算。該系統(tǒng)系統(tǒng)工作模型如圖2。

當(dāng)系統(tǒng)工作時，監(jiān)測基站將GPS浮標按照一定陣型投放到指定海域。浮標基元通過GPS進行自身定位，并測量出各個浮標基元到達水下目標的距離，將上述兩種數(shù)據(jù)通過無線鏈路發(fā)送至監(jiān)測基站進行解算。

結(jié)語：與傳統(tǒng)水下定位系統(tǒng)相比，水下GPS定位系統(tǒng)可以較好的滿足高精度海洋活動的需求。系統(tǒng)精度主要依賴于高精度浮標定位技術(shù)、同步控制和實時定位解算，各國都在加緊對以上關(guān)鍵技術(shù)的的研究并已經(jīng)在基元陣型設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫒〉眯┏晒?。今后的水下GPS定位系統(tǒng)將會向操作性強，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

[1] 劉百峰. 浮標式短基線定位系統(tǒng)設(shè)計[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GPS智能浮標的AUV導(dǎo)航方法[J]. 魚雷技術(shù)，2010，18（2）：123-127.