差分GPS水下定位系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)了全球開闊陸地、海面和外部空間的定位導(dǎo)航，由于無線電波信號不能夠在海水中傳播，對于廣大的湖泊、海洋水下空間，卻不能夠直接使用。由于聲波信號在水中具有很好的傳播特性，將GPS技術(shù)和聲納技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)的水下擴(kuò)展，完成廣大的海洋水下空間具有和陸地一樣的GPS定位導(dǎo)航功能，就是“水下GPS系統(tǒng)”的主要指導(dǎo)思想。 水下GPS定位系統(tǒng)就是基于差分GPS技術(shù)的水面可變長基線定位系統(tǒng)。通過多個GPS智

2、能浮標(biāo)在水面構(gòu)成水面長基線網(wǎng)，實(shí)時檢測水下目標(biāo)的定位信號和測量其到達(dá)浮標(biāo)的時間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位。系統(tǒng)包括差分GPS參考站、GPS智能浮標(biāo)、水下收發(fā)機(jī)和船基控制中心四部分。差分GPS參考站主要提供GPS差分信號，實(shí)現(xiàn)GPS實(shí)時精密動態(tài)測量。GPS智能浮標(biāo)通過將水上GPS系統(tǒng)和水下聲納系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)精密位置測量、水聲信號的檢測和延時測量、浮標(biāo)姿態(tài)測量、超短基線水聲校正、無線電數(shù)據(jù)通訊等功能。水下收發(fā)機(jī)主要完成水聲定位信號的生成和發(fā)射

3、、控制中心的命令、定位結(jié)果信息的接收等。船基控制中心主要完成系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的接收、記錄，監(jiān)視和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，計(jì)算水下目標(biāo)的空間位置?；谒翯PS定位系統(tǒng)的基本框架，對系統(tǒng)集成中的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)討論： 1．系統(tǒng)的集成的總體方案常規(guī)的水下定位系統(tǒng)包括超短基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)、長基線定位系統(tǒng)。本文采用了基于長基線雙曲線定位的總體方案?；陂L基線的雙曲線定位算法設(shè)計(jì)減少了水下聲納系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時簡化了GPS接收機(jī)

4、與水下聲納系統(tǒng)的基本接口。 2．基于DGPS技術(shù)水面虛擬長基線組成通過GPS-RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時厘米級的浮標(biāo)動態(tài)定位，對于米級定位系統(tǒng)解算可以認(rèn)為是沒有誤差。但是由于同一個水聲信號到達(dá)不同的浮標(biāo)的時間是不一樣的，參與系統(tǒng)定位解算的水面基線實(shí)際上是非同時的虛擬基線。本文提出了基于兩步緩沖的同步數(shù)據(jù)提取算法可以很好的實(shí)現(xiàn)從各個浮標(biāo)的水聲信號中搜索同步的觀測，并構(gòu)成虛擬水面基線網(wǎng)。同時證明了基于雙曲線定位模型實(shí)際隱含了GPS坐標(biāo)差

5、分算法。 3．基于GPS時間系統(tǒng)的時間測量系統(tǒng)的基本觀測量是水聲信號到達(dá)浮標(biāo)的時間，通過測量不同浮標(biāo)接收水聲信號時間計(jì)算水下目標(biāo)到達(dá)不同浮標(biāo)的距離差值。要測量時間差值，必須要求各個浮標(biāo)系統(tǒng)的時鐘嚴(yán)格同步，本文采用了基于GPS時間系統(tǒng)的浮標(biāo)時鐘同步，同時通過GPS接收機(jī)的1PPS脈沖校正延時測量漂移，實(shí)現(xiàn)精密的時間測量方法。 4．系統(tǒng)的定位數(shù)學(xué)模型分析基于雙曲線觀測的定位模型是系統(tǒng)的基本原理，對該數(shù)學(xué)模型的求解進(jìn)行了詳細(xì)分

6、析，對于四枚浮標(biāo)的系統(tǒng)，給出了了迭代算法和解析算法求解的推導(dǎo)，同時對于多余四枚浮標(biāo)的系統(tǒng)，本文給出了最小二乘算法求解推導(dǎo)。由于雙曲線定位算法是非全局收斂的算法，本文提出的基于解析算法用于求解初值可以大大避免系統(tǒng)的發(fā)散。 另外，由于聲速在海水中的躍層問題，本文還給出了顧及平均聲速的雙曲線定位模型解算算法。同時對于給定的聲速剖面，本文還提出了一種基于射線聲學(xué)的水下定位求解算法。 5．系統(tǒng)的誤差分析實(shí)現(xiàn)水下的精密定位，需要分析

7、影響系統(tǒng)定位的各種因素。提出了基于極坐標(biāo)系統(tǒng)的雙曲線定位分析方法。并以此詳細(xì)推導(dǎo)了水面基線誤差、網(wǎng)形對定位結(jié)果的誤差分析公式和距離觀測誤差對定位結(jié)果的誤差分析公式。另外還對多與四枚浮標(biāo)的基線網(wǎng)絡(luò)提出了基于雙曲線最小二乘的PDOP值區(qū)域分析方法。通過該方法可以計(jì)算任意水面基線網(wǎng)形的不穩(wěn)定區(qū)域和收斂區(qū)域。 6．系統(tǒng)工作軟件開發(fā)系統(tǒng)工作軟件主要完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄和備份、定位解算和命令控制等。采用了基于面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計(jì)了系統(tǒng)的