——水下GPS定位技術(shù)研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24474水下GPS定位技術(shù)研究概述 1124111.1GPS原理概述 18581.1.1GPS定位原理 156031.1.1GPS定位誤差來(lái)源 2270781.1.2減小GPS定位誤差的舉措 312411.2水下GPS原理概述 49921.3水下GPS定位模型 563291.4水下GPS定位算法 71.1GPS原理概述由空間控制部分、地面控制部分和用戶裝置部分組成的GPS系統(tǒng)，即“授時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”（NAVISTAR/GPS，NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem,），是美國(guó)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[24]。比起其他系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，比如連續(xù)全球地面覆蓋、多功能、高精度、實(shí)時(shí)定位速度快、抗干擾性能好、保密性強(qiáng)等。地面控制部分包括主控站、地面天線、監(jiān)測(cè)站（數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心）和通訊輔助系統(tǒng)，其中，主控站管理并且協(xié)調(diào)著整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作，地面天線的主要作用是在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入電文，監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，通訊輔助系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用戶設(shè)備部分主要由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。GPS系統(tǒng)的空間部分由一組空間GPS衛(wèi)星組成。GPS衛(wèi)星星座的最初計(jì)劃是將24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)不同的軌道平面上，但今天，在軌衛(wèi)星的數(shù)量已達(dá)到27顆。每個(gè)軌道平面與赤道面的傾角約為55度。5-8顆衛(wèi)星可以隨時(shí)在地球上的任何一點(diǎn)被觀測(cè)到。1.1.1GPS定位原理GPS定位可分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位，當(dāng)GPS接收器被裝載在運(yùn)動(dòng)的載體上，就是動(dòng)態(tài)定位，當(dāng)接收器天線靜止時(shí)，為靜態(tài)定位。絕對(duì)定位，也可稱為單點(diǎn)定位，是一種僅需要一臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行定位的方法，它可以確定接收機(jī)天線的絕對(duì)坐標(biāo)。這種定位方式的特點(diǎn)是操作方便。圖1.1GPS絕對(duì)定位示意圖使用兩個(gè)或多個(gè)接收器被放置在不同的點(diǎn)，并且它們的位置是固定的，通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星，確定它們之間的相對(duì)位置，載波相位觀測(cè)量是基本的觀測(cè)量，這種方法稱之為相對(duì)定位。如下圖為多臺(tái)接收器的相對(duì)定位示意圖：圖1.2GPS相對(duì)定位示意圖1.1.1GPS定位誤差來(lái)源GPS定位的誤差主要包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對(duì)流層誤差、多徑誤差和接收機(jī)誤差等。前四種誤差是系統(tǒng)誤差，對(duì)GPS定位精度影響較大。1）衛(wèi)星星歷是用于表示太空飛行體位置和速度。衛(wèi)星星歷利用開(kāi)普勒定律的六個(gè)軌道參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)確定飛行器的時(shí)間、坐標(biāo)、方位角、速度和其他參數(shù)。精度極高。在絕對(duì)定位中，星歷誤差的大小取決于唯一的觀測(cè)站到衛(wèi)星距離的增量大小，可用dρ表示，其中ρ為觀測(cè)站到衛(wèi)星的距離。在相對(duì)定位中，星歷誤差大小可由下式進(jìn)行估計(jì)：?bb=?其中b是基線向量長(zhǎng)度，db是由于星歷誤差導(dǎo)致的基線向量測(cè)量誤差。2）衛(wèi)星鐘差指的是衛(wèi)星鐘讀數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間之間的差異。GPS定位時(shí)，衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘必須嚴(yán)格同步。然而事實(shí)上，即使衛(wèi)星配備了高精度的原子鐘，也難免會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘誤差和漂移。雖然總偏差在1ms以內(nèi)，單其引起的等效距離誤差可達(dá)300km。鐘差多項(xiàng)式如下：?t=a0+其中，a0，a1，a2分別是衛(wèi)星鐘在t鐘差模型修正后，衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在10ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過(guò)4m。3）電離層誤差是由于GPS信號(hào)傳播過(guò)程中受到電離層的影響而引起的時(shí)間延遲。表現(xiàn)為定位精度差和定位方向受限。電離層誤差是所有誤差中對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的影響最大的誤差形式，由它產(chǎn)生的定位誤差從幾米到幾百米不等。4）對(duì)流層誤差也稱為對(duì)流層延遲誤差，是當(dāng)電磁波信號(hào)通過(guò)高度40km以下的大氣層時(shí)，傳播路徑發(fā)生彎曲，傳播路徑長(zhǎng)度增加進(jìn)而產(chǎn)生信號(hào)延遲造成的誤差。5）多徑效應(yīng)誤差是指信號(hào)經(jīng)過(guò)多條路徑傳播而引起的誤差。電磁波在傳播過(guò)程中遇到不同的物體，會(huì)產(chǎn)生不同的反射、折射和散射。在任何接收點(diǎn)，都有可能接收到來(lái)自不同路徑的同源電磁波，而且大氣折射隨時(shí)間而變化。隨著時(shí)間和地形特征的變化，路徑差也會(huì)隨之變化。1.1.2減小GPS定位誤差的舉措針對(duì)上文提出的六種影響GPS定位的誤差，可以通過(guò)各種方式來(lái)減小各類定位誤差。如下表1.1為減小GPS定位誤差的舉措:表1.1減小GPS定位誤差的舉措GPS定位誤差來(lái)源舉措；衛(wèi)星星歷誤差自建GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，獨(dú)立定軌；采用軌道松弛法；對(duì)相距不遠(yuǎn)的觀測(cè)站的同步觀測(cè)值求差；衛(wèi)星鐘差采用IGS提供的或者廣播星歷中的鐘差改正參數(shù)進(jìn)行改正；采用相對(duì)定位或差分相對(duì)定位電離層誤差選擇最佳觀測(cè)時(shí)間，使用雙頻接收機(jī)對(duì)流層誤差采用對(duì)流層模型進(jìn)行改正；同步觀測(cè)求差法；多徑效應(yīng)誤差選擇合適的站址；采用扼流圈天線；延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間1.2水下GPS原理概述水下GPS的發(fā)展分為三種類型。第一種方法也是最簡(jiǎn)單的在水下使用GPS的方法，偽水下GPS，只需一個(gè)內(nèi)部裝載有GPS接收器的浮標(biāo)，由潛水器拖曳下潛。這種方法的缺點(diǎn)是只能定位浮標(biāo)，不能定位水下航行器的位置。第二種類型：US-AFYoungberg。這種方法將GPS定位技術(shù)直接植入水中。浮標(biāo)取代了衛(wèi)星，電磁波被浮標(biāo)發(fā)出的聲波所取代。水下被測(cè)物體使用穩(wěn)定的時(shí)鐘準(zhǔn)確測(cè)量浮標(biāo)發(fā)出的連續(xù)聲脈沖的到達(dá)時(shí)間，就可以計(jì)算出水中的聲速和到自己與浮標(biāo)之間的距離。第三種方法是GIB技術(shù)，這種方法非常靈活，精度可以達(dá)到米級(jí)。該方法使用上行的聲波數(shù)據(jù)，浮標(biāo)測(cè)量水中被測(cè)物體發(fā)出的聲波脈沖的到達(dá)時(shí)間。在每個(gè)時(shí)間間隔，每個(gè)浮標(biāo)都會(huì)發(fā)送自身GPS位置和聲脈沖的到達(dá)時(shí)間，這些數(shù)據(jù)將被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。浮標(biāo)和被測(cè)物體之間的距離就可以依據(jù)聲速計(jì)算出來(lái)。利用GPS技術(shù)識(shí)別水下目標(biāo)實(shí)際上是GPS定位的水下延伸。目前，中國(guó)和海外正在研究的實(shí)用化的系統(tǒng)是基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)。要使用浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)定位水下目標(biāo)，首先要做的是獲得浮標(biāo)基元本身的準(zhǔn)確位置。在此之前，定位浮標(biāo)基元需要相應(yīng)的測(cè)向儀和測(cè)距儀的配合。儀器設(shè)備體積大，實(shí)際操作復(fù)雜。應(yīng)用不靈活，定位精度不高，由此計(jì)算出的水下目標(biāo)位置也不是很準(zhǔn)確?；贕PS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)只需在浮標(biāo)基元上安裝GPS接收器作為位置傳感器，即可獲取浮標(biāo)基元的準(zhǔn)確位置信息。然后選擇合適的定位算法，就可以得到定位目標(biāo)的具體位置。1.3水下GPS定位模型除了上述的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的固有特性之外，GPS水下定位系統(tǒng)還具有可靈活設(shè)置的系統(tǒng)規(guī)模，不需要校正的基元。在實(shí)際中，水下GPS定位系統(tǒng)通常有兩種工作模式：同步和異步。水下目標(biāo)一般有兩種類型：合作與非合作。工作模式不同，用途不同，其工作模型和定位原理也就不同。當(dāng)前水下GPS定位主要有兩種工作原理，對(duì)應(yīng)的有兩種不同的定位模型。這兩種定位模型分別為單浮標(biāo)水下GPS相對(duì)定位模型和浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS長(zhǎng)基線定位模型[24]。1)單浮標(biāo)水下GPS相對(duì)定位模型單浮標(biāo)水下GPS相對(duì)定位模型結(jié)合了GPS定位技術(shù)和水聲相對(duì)定位技術(shù)。該定位模型由三部分組成，分別為配備有GPS接收器和水聲發(fā)射器的浮標(biāo)、系纜和裝配有短基線單向測(cè)距基陣的水下目標(biāo)。同步控制模塊同時(shí)啟用GPS定位系統(tǒng)與短基線水聲定位系統(tǒng)，使兩者協(xié)調(diào)同步，浮標(biāo)是兩種定位方式的中繼站；系繩是浮標(biāo)和水下目標(biāo)傳輸數(shù)據(jù)和信息的介質(zhì)；浮標(biāo)上的GPS接收器接收實(shí)時(shí)全球定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)；，水下目標(biāo)配置的短基線陣列實(shí)時(shí)測(cè)量水下目標(biāo)與浮標(biāo)的相對(duì)位置。當(dāng)開(kāi)始定位時(shí)，水下目標(biāo)使用系繩系住浮標(biāo)，使其始終漂浮在自己上方的有限水域中，并提供動(dòng)力和傳遞信息。安裝在水下目標(biāo)上的計(jì)算機(jī)使用兩種定位數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出水下目標(biāo)的絕對(duì)位置。此模型將地面上的GPS技術(shù)擴(kuò)展到水下，水下定位精度與水面GPS定位精度兩者處于同一數(shù)量級(jí)。水下潛艇的自身定位常常采用這個(gè)模型，它的示意圖如下圖所示：圖1.3基于單個(gè)GPS浮標(biāo)的水下相對(duì)定位模型2）基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線水下定位系統(tǒng)模型此系統(tǒng)定位原理是通過(guò)浮標(biāo)上安裝的GPS接收機(jī)獲取基元的精確位置信息，然后測(cè)量水下目標(biāo)到基元的距離，最后相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)基站，監(jiān)測(cè)基站使用相應(yīng)的定位算法計(jì)算水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息。此模型示意圖如下圖所示：圖1.4基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線水下定位系統(tǒng)模型該系統(tǒng)基于以特定形狀放置的電子浮標(biāo)基陣單元，構(gòu)成水下目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。它主要由干端和濕端兩部分組成。干端為監(jiān)視基站，通常安裝在靠近浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)或者固定區(qū)域。濕端是由基于水下GPS技術(shù)的智能浮標(biāo)組成的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)目標(biāo)聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)處理；干端與濕端之間的信息傳輸是通過(guò)高速無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路完成的。當(dāng)需要定位水下目標(biāo)時(shí)，承載有監(jiān)測(cè)基站的平臺(tái)進(jìn)入待測(cè)水下目標(biāo)所在的海域，并且將智能浮標(biāo)以一定的幾何形狀或者陣型結(jié)構(gòu)部署到海中。定位系統(tǒng)開(kāi)啟后，根據(jù)海域水深及當(dāng)前海域狀況，搭載平臺(tái)把水聽(tīng)器放到水中適當(dāng)?shù)纳疃?。浮?biāo)基元通過(guò)GPS定位，獲取自己的位置信息，并將此位置信息與測(cè)得的水下目標(biāo)距離信息一起編碼發(fā)送到監(jiān)測(cè)基站，基站對(duì)接收到的消息進(jìn)行解碼，得到水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息。1.4水下GPS定位算法由于基于單個(gè)GPS浮標(biāo)的水下相對(duì)定位方法應(yīng)用不是很廣泛且定位精度不高，我們這里研究討論基于浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線水下定位系統(tǒng)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)用到的定位算法。待測(cè)的水下目標(biāo)分為合作型和非合作型，合作型目標(biāo)又分為同步型和異步型。研究表明，同步型水聲定位系統(tǒng)的精度高于異步型水聲定位系統(tǒng)的精度，但是異步型定位系統(tǒng)比同步型系統(tǒng)更易于使用。對(duì)于合作型目標(biāo)，水下目標(biāo)發(fā)出聲波和浮標(biāo)接收聲波兩個(gè)過(guò)程可以同時(shí)工作。測(cè)量水下目標(biāo)與浮標(biāo)之間的距離后用球面定位法計(jì)算出水下目標(biāo)的位置。對(duì)于非合作型水下目標(biāo)，水下目標(biāo)發(fā)出聲波與浮標(biāo)接收到聲波不能同步工作。這種條件下，只能測(cè)量目標(biāo)與兩個(gè)浮標(biāo)之間的距離差，然后使用雙曲面定位法計(jì)算水下目標(biāo)的位置。特別要注意的是以上兩種情況描述的距離均不是真實(shí)距離，而是偽距。下圖為基于浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)基線水下定位系統(tǒng)幾何模型示意圖：P點(diǎn)是待測(cè)水下目標(biāo)，浮標(biāo)上的基元Si和Sj坐標(biāo)位置已知，O點(diǎn)為定位坐標(biāo)原點(diǎn)。圖1.5幾何定位模型示意圖注：ViVj分別為P點(diǎn)指向浮標(biāo)基元Si和Sj的單位矢量，ρi和ρj分別為P點(diǎn)到基元Si和Sj的距離，RiRj分別為基元S1）雙曲面定位算法：如果能夠通過(guò)測(cè)量得知水下目標(biāo)與兩個(gè)基元的距離差d，那么P點(diǎn)就處于以Si和Sj為焦點(diǎn)，d為焦距的雙曲面上，三個(gè)不同的雙曲面交匯所在的坐標(biāo)位置即為水下目標(biāo)P點(diǎn)的位置。下面從幾何模型的角度來(lái)分析雙曲面定位算法。設(shè)水下目標(biāo)到達(dá)浮標(biāo)基元的傳播時(shí)間為t,水中聲速為C,則兩者之間的距離為ρ=Ct。則有ρi?Viρj?Vj將（1.3）和（1.4）兩式同時(shí)點(diǎn)乘Vi