第6章_GPS定位与海底声学定位 (2)

1、 概述概述 GPSGPS绝对定位绝对定位 GPSGPS静态相对定位静态相对定位 局域差分局域差分GPSGPS（LDGPSLDGPS）定位）定位 广域差分广域差分GPSGPS（WADGPSWADGPS）定位）定位 水声定位的基本原理和方法水声定位的基本原理和方法 水声定位系统水声定位系统 水声定位改正水声定位改正本章内容：本章内容：61 概述概述海洋定位测量是海洋测量的一个重要分支。在海洋海洋定位测量是海洋测量的一个重要分支。在海洋测量工程中无论测量某一几何量或物理量，如水深、重测量工程中无论测量某一几何量或物理量，如水深、重力、磁力等，都必须固定在某一种坐标系统相应的格网力、磁力等，都必须固定

2、在某一种坐标系统相应的格网中。中。海洋定位是海洋测绘和海洋工程的基础海洋定位是海洋测绘和海洋工程的基础。 海洋定位手段：海洋定位手段：天文定位天文定位光学定位光学定位陆基无线电定位陆基无线电定位空基无线电定位空基无线电定位水声定位水声定位天文定位天文定位天文定位是一套独立的定位系统，借助于天文观测，天文定位是一套独立的定位系统，借助于天文观测，确定海洋上船只的航向以及经纬度，从而实现导航和定位。确定海洋上船只的航向以及经纬度，从而实现导航和定位。通常采用的方法有：通常采用的方法有：观测观测太阳法太阳法确定船只经纬度确定船只经纬度观测观测等高距恒星法等高距恒星法确定天文经纬度确定天文经纬度观测观

3、测北极星北极星定向法定向法光学定位光学定位光学定位只能用于光学定位只能用于沿岸和港口测量沿岸和港口测量，一般使用，一般使用光学光学经纬仪经纬仪进行前方交会，求出船位，也可使用进行前方交会，求出船位，也可使用六分仪六分仪在船在船上进行后方交会测量。随着电子经纬仪和高精度红外激上进行后方交会测量。随着电子经纬仪和高精度红外激光测距仪的发展，光测距仪的发展，全站仪全站仪按方位按方位距离极坐标法可为近距离极坐标法可为近岸动态目标实现快速跟踪定位。由于其自动化程度高，岸动态目标实现快速跟踪定位。由于其自动化程度高，使用方便、灵活，在当前沿岸、港口、水上测量中的使使用方便、灵活，在当前沿岸、港口、水上测量

4、中的使用日益增多。用日益增多。 陆基无线电定位陆基无线电定位无线电定位通过在岸上控制点处安置无线电收发机无线电定位通过在岸上控制点处安置无线电收发机（岸台），在载体上设置无线电收发、测距、控制、显（岸台），在载体上设置无线电收发、测距、控制、显示单元，测量无线电波在船台和岸台间的传播时间或相示单元，测量无线电波在船台和岸台间的传播时间或相位差，利用电波的传播速度，求得船台至岸台的距离或位差，利用电波的传播速度，求得船台至岸台的距离或船台至两岸台的距离差，进而计算船位，无线电定位多船台至两岸台的距离差，进而计算船位，无线电定位多采用圆采用圆圆定位或双曲线定位方式。按作用距离分为圆定位或双曲线定位

5、方式。按作用距离分为：远程定位系统，作用距离远程定位系统，作用距离10001000公里公里中程定位系统，作用距离中程定位系统，作用距离10001000公里公里近程定位系统，作用距离近程定位系统，作用距离300300公里公里空基无线电定位空基无线电定位空基无线电定位即卫星定位，为目前海上定位的主空基无线电定位即卫星定位，为目前海上定位的主要手段，如要手段，如全球定位系统全球定位系统GPSGPS、我国的、我国的北斗双星定位系北斗双星定位系统统以及欧洲和我国目前合作开发的以及欧洲和我国目前合作开发的伽利略定位系统伽利略定位系统。 声学定位声学定位水下声学技术可以解决海洋测量许多问题，如水深水下声学技

6、术可以解决海洋测量许多问题，如水深测量，观测海面波浪和海流，探测水下地形地貌，海底测量，观测海面波浪和海流，探测水下地形地貌，海底底质和浅层地质结构，也可用于导航定位和水下通讯等。底质和浅层地质结构，也可用于导航定位和水下通讯等。用水下声标作为海底控制点，精确联测其坐标用水下声标作为海底控制点，精确联测其坐标，可直接，可直接为船泊、潜艇及各种海洋工程导航、定位。为船泊、潜艇及各种海洋工程导航、定位。 以上各种定位系统都有各自的局限性，把几种定位系以上各种定位系统都有各自的局限性，把几种定位系统组合起来，能达到取长补短，减小外界影响，提高定位统组合起来，能达到取长补短，减小外界影响，提高定位精度

7、的目的。精度的目的。再采用卡尔曼滤波数据处理方法再采用卡尔曼滤波数据处理方法，使得组合，使得组合导航系统无论在定位精度、可靠性、连续性和实时性等方导航系统无论在定位精度、可靠性、连续性和实时性等方面都远比单一系统更有优越性。面都远比单一系统更有优越性。小结：小结：62 GPS绝对定位原理绝对定位原理绝对定位是以绝对定位是以地球质心为参地球质心为参考点考点，确定接收机天线在，确定接收机天线在WGS-WGS-8484坐标系中的绝对位置。由于坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为因此又称为单点定位单点定位。以。以GPSGPS卫卫星和用户接收机天线之

8、间的距星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所对应的位置。绝对定收天线所对应的位置。绝对定位方法的位方法的实质是空间距离后方实质是空间距离后方交会。交会。 基本原理基本原理：GPSGPS绝对定位根据用户接收机天线所处的状绝对定位根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。n动态绝对定位动态绝对定位：用户接收设备安置在：用户接收设备安置在运动的载体运动的载体上，确定上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。载体瞬时绝对

9、位置的定位方法，称为动态绝对定位。n静态绝对定位静态绝对定位：用户接收设备安置在：用户接收设备安置在静止的载体上静止的载体上，确定，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为静止绝对定位。载体瞬时绝对位置的定位方法，称为静止绝对定位。 伪距观测方程及其线性化伪距观测方程及其线性化 由于由于GPS GPS 采用的是单程测距原理，同时卫星钟与用户采用的是单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟又难以保持严格同步，实际上观测的是测站至卫接收机钟又难以保持严格同步，实际上观测的是测站至卫星之间的距离，由于受星之间的距离，由于受卫星钟和接收机钟同步差卫星钟和接收机钟同步差的共同影的共同影响，故又称响，故又称伪距

10、离测量伪距离测量。()()jjjiiittGPSttt GPSt (6-1) 显然，卫星钟和接收机钟的钟面时与显然，卫星钟和接收机钟的钟面时与GPSGPS标准时之标准时之间，存在如下关系：间，存在如下关系：引进引进t tj j（GPSGPS）表示第表示第j j颗卫星发出信号瞬间的颗卫星发出信号瞬间的GPSGPS标准时间；标准时间；t tj j是相应的是相应的卫星钟卫星钟钟面时刻；钟面时刻；t ti i是相应的是相应的接收机接收机钟钟面时刻；钟钟面时刻；ttj j代表代表卫星钟卫星钟钟面时相对钟面时相对GPSGPS标准时间的标准时间的钟差钟差，tti i则是则是接收机接收机钟钟面时相对钟钟面时相

11、对GPSGPS标准时间的标准时间的钟差钟差。由此，卫星信号到达测站的钟面传播时间由此，卫星信号到达测站的钟面传播时间：()()jjjjiiiitttt GPStGPStt如不考虑大气折射影响，由钟面传播时间乘以光速如不考虑大气折射影响，由钟面传播时间乘以光速C ，即得卫，即得卫星星Sj 至测站至测站Ti间的伪距间的伪距 ()()()jjjiiiC t GPStGPSCttji为卫星为卫星S Sj j至测站至测站T Ti i 间的几何距离间的几何距离 jit为接收机钟与卫星钟的相对钟差为接收机钟与卫星钟的相对钟差 ()()jjiiC t GPStGPSjjiittt简化后的伪距表达式：简化后的伪

12、距表达式：jjjiiiC t(6-6)式中第二项式中第二项C tij表示接收机钟与卫星钟之间相对钟差的等效距离误差。表示接收机钟与卫星钟之间相对钟差的等效距离误差。若顾及大气层折射影响，则伪距观测方程可写为若顾及大气层折射影响，则伪距观测方程可写为( )( )( )( )jjjjjiiiiittC tItTt (6-7)式中，式中， Iij (t)为时刻电离层折射延迟的等效距离误差；为时刻电离层折射延迟的等效距离误差； Tij (t)则为时则为时刻对流层折射延迟的等效距离误差。公式（刻对流层折射延迟的等效距离误差。公式（6-7）中）中 ij (t)是非线性项，是非线性项，表示测站与卫星之间的几

13、何距离。即表示测站与卫星之间的几何距离。即222 1/2( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ (6-8) 000 iiiiiiiiiXXXYYY ZZZ (6-9)式中，（式中，（X X0 0i i，Y Y0 0i i，Z Z0 0i i）为测站三维地心坐标的近似值。如果视导）为测站三维地心坐标的近似值。如果视导航电文所提供的卫星瞬时坐标为固定值，那么，对航电文所提供的卫星瞬时坐标为固定值，那么，对 j ji i(t)(t)以（以（X X0 0i i，Y Y0 0i i，Z Z0 0i i）为中心用泰勒级数展开并取一次项后得）为中心用泰勒级数展开并取一次项后得0000

14、( )( )( )( )( )()()()jjjjjiiiiiiiiiiitttttXYZXYZ (6-10)式中：式中：000000000( )1()( )( )( )( )1()( )( )( )( )1()( )( )( )jjjiiijiijjjiiijiijjjiiijiitXtXktXttYtYltYttZtZm tZt 于是，站星几何距离的线性化表达式为：于是，站星几何距离的线性化表达式为：0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiittktXltYmtZ 020202 1/20000( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ （6-11）为站星

15、几何距离近似值，把式（为站星几何距离近似值，把式（6-106-10）代入公式（）代入公式（6-76-7）后可得线性化）后可得线性化的伪距观测方程的伪距观测方程0( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjjiiiiiiiiiiittktXltYmtZC tItTt (6-12) 动态绝对定位原理动态绝对定位原理 如果在历元如果在历元t t时刻，观测了测站至卫星之间的伪距，则有：时刻，观测了测站至卫星之间的伪距，则有：( )( )jjjjjiiiiittITCtC t（6-32）如果利用导航电文提供的改正量以及改正模型，对伪距观测量如果利用导航电文提供的改正量以及改正模型，对伪距观测

16、量( )jit进行修正，并取进行修正，并取( )( )jjjiiiittITCt（6-33）则公式（则公式（6-326-32）的观测方程可写为：）的观测方程可写为：222( )( ) ( )()()()jjjjjjiiiiiiittCttxxyyzz（6-34）应用公式（应用公式（6-106-10）线性化后可得）线性化后可得 0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiiittltXm tYn tZCt（6-35）假设在历元假设在历元t t时由测站时由测站i i同步观测同步观测j j颗卫星，颗卫星，j j1 1，2 2，n n ，则可，则可组成组成n n个方程：个方程：111110

17、2222200( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )iiiiiiiiiiiiiiiiiinnnnniiiiiiiiittl tXm tYn tZC tttltXm tYn tZC tttltXm tYn tZC t（6-36）当观测的卫星数大于当观测的卫星数大于4 4时，可列误差方程，按时，可列误差方程，按最小二乘原理最小二乘原理求解位置求解位置的三维坐标，即的三维坐标，即111111022222200( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )iiiiiii

18、iiiiiiiinnnnnniiiiiiiVtl tm tn tCttXYVtltm tn tCttZtVtltm tn tCtt（6-37）用矩阵符号可表示为：用矩阵符号可表示为： ( )( )( )iV tA tXL t （6-38）由最小二乘法可得由最小二乘法可得1( ( )( )( ( )( )TTXA tA tA tL t (6-39)由此可得该位置的三维坐标：由此可得该位置的三维坐标：000iiiiiiiiiXXXYYYZZZ (6-40)在动态定位中，一般可将前一时刻的点位坐标作为此时点在动态定位中，一般可将前一时刻的点位坐标作为此时点位的初始坐标。因此，关键是确定第一个点位坐标

19、的精确值。位的初始坐标。因此，关键是确定第一个点位坐标的精确值。由于该点坐标的初始值难以较精确地求得，因此需要通过一由于该点坐标的初始值难以较精确地求得，因此需要通过一定的算法，经过多次迭代求得第一点精确的三维坐标，并为定的算法，经过多次迭代求得第一点精确的三维坐标，并为后续点位的解算提供初始坐标值，这个迭代计算第一点位坐后续点位的解算提供初始坐标值，这个迭代计算第一点位坐标值的过程也称为动态定位的初始化过程。标值的过程也称为动态定位的初始化过程。当然动态绝对定位也可采用载波相位伪距定位方法。当然动态绝对定位也可采用载波相位伪距定位方法。由公式（由公式（6-316-31）知，载波相位观测方程为

20、：）知，载波相位观测方程为：00( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )ijjjjjjiiiiiiiijjjiiiXttltm tn tYNtZCttItTt(6-41)ji经改正后的方程（经改正后的方程（6-416-41）可写为：）可写为：00( )( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiiiiiiitDtltXm tYn tZctNt (6-43)相应的误差方程为：相应的误差方程为：0( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )iijjjjjjiiiiiiiiXYVtltm tn tcNtL tZt （6-44）00( )( )( )jjjiiiL ttt 63

21、GPS静态相对定位原理静态相对定位原理将接收机安置在基线的端点上，其位置静止不动，同步将接收机安置在基线的端点上，其位置静止不动，同步观测相同的观测相同的4 4颗以上颗以上GPSGPS卫星卫星，确定基线两个端点在协议地球，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。根据接坐标系中的相对位置，这种定位模式称为相对定位。根据接收机的数目的不同可分为：两站、多站收机的数目的不同可分为：两站、多站GPSGPS相对定位。相对定位。 图图6-3 GPS6-3 GPS静态相对定位（静态相对定位（两站两站） 图图6-4 GPS6-4 GPS静态相对定位（静态相对定位（多站多站）静态

22、相对定位采用静态相对定位采用载波相位观测量载波相位观测量为基本观测为基本观测量，利用载波相位进行测量，就其本身来讲，测量量，利用载波相位进行测量，就其本身来讲，测量精度可达精度可达mm2.0mm，但是，但是，GPSGPS测量受到多种误测量受到多种误差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响。差以及电离层和对流层的折射误差的影响。 因此因此在在GPSGPS相对定位中，通常采用相对定位中，通常采用单差单差双差双差三差三差的组合方式来有效地消除或减弱误差影响的组合方式来有效地消除或减弱误差影响。单差观

23、测模型及解算单差观测模型及解算单差是指单差是指不同观测站，同步观测不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。相同卫星所得观测量之差。 如图如图6-56-5所示，测站所示，测站T T1 1和和T T2 2分别在分别在t t1 1和和t t2 2时刻（历元）对卫星时刻（历元）对卫星p p和和q q进行了同步观进行了同步观测，得载波相位观测量：测，得载波相位观测量： p p1 1( (t t1)1)、 p p1 1( (t t2)2)、 q q1 1( (t t1)1)、 q q1 1( (t t2)2)、 p p2 2( (t t1)1)、 p p2 2( (t t2)2)、 q q2 2( (

24、t t1)1)、 q q2 2( (t t2)2)、。以测站、。以测站间间求差求差为例，给出其虚拟观测值线性模为例，给出其虚拟观测值线性模型及其解算，类似可得出卫星间求差、型及其解算，类似可得出卫星间求差、历元间求差后的观测模型。若在历元间求差后的观测模型。若在t t1 1 时刻时刻在测站在测站T T1 1、T T2 2同时对卫星同时对卫星P P 进行了载波进行了载波相位测量，得观测方程：相位测量，得观测方程：11111111110( )( )( )( )( )ppppppfttItTtf tf tNtc (6-46)22212121220( )( )( )( )( )ppppppfttItT

25、tf tf tNtc (6-47)两式相减得：两式相减得：1212111211121112111212010( )( )( ) ( )( )( )( )( )( ) ( )( )ppppppppppppptttfffttItItTtTtcccfttfttNtNt（6-48）1212111122112211221( )( )( ),ppppppppptttIIITTTttt1202010( )( )( )pppNtNtNt设设则单差虚拟观测方程为：则单差虚拟观测方程为：121121121201212( )( )( )pppppfffttf tNtITccc (6-49)由以上可知由以上可知卫星钟

26、差影响卫星钟差影响已消除。当两测站相距不太远已消除。当两测站相距不太远（2020公里公里 以内）时，由于对流层和电离层折射的影响具有以内）时，由于对流层和电离层折射的影响具有很强的相关性，故在测站间求一次差可消除大气折射误差。很强的相关性，故在测站间求一次差可消除大气折射误差。 测站间求单差的模拟观测模型的优点测站间求单差的模拟观测模型的优点： 消除了消除了卫星钟误差卫星钟误差的影响。的影响。大大削弱了卫星大大削弱了卫星星历误差星历误差的影响。的影响。大大削弱了大大削弱了对流层折射和电离层折射对流层折射和电离层折射的的影响，在短距离内几乎可以完全消除其影响，在短距离内几乎可以完全消除其影响。影

27、响。对单差观测方程的线性化可得：对单差观测方程的线性化可得： 212121212121212021112( )( )( )( )( )( )( )pppppppXfftkt lt mtXf tNtttccX 式中，式中， 1 1p p( (t t1 1) )为为t t1 1时刻测站时刻测站1 1至卫星的距离至卫星的距离对单差观测方程可写出相应的误差方程：对单差观测方程可写出相应的误差方程：21212121212121201212( )( )( )( ) ( )( )ppppppXfVtkt lt mtYf tNtLtcZ 式中，式中，1221011121( )( )( )ppppfLDtDtt

28、c按最小二乘原理对观测方程进行求解，最后进行精度评定。按最小二乘原理对观测方程进行求解，最后进行精度评定。双差模型及其解算双差模型及其解算 所谓双差即不同观测站，同步观测同一组卫星，所所谓双差即不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差观测量之差。得单差观测量之差。设在设在1 1、2 2测站测站t t1 1时刻同时观测了时刻同时观测了p p，q q两个卫星，那么两个卫星，那么对对p p，q q两颗卫星分别有单差模型，如果忽略大气折射残两颗卫星分别有单差模型，如果忽略大气折射残差，可得卫星求双差的虚拟观测方程。差，可得卫星求双差的虚拟观测方程。三差模型三差模型三差即不同历元，同步观测同一组卫星所得

29、三差即不同历元，同步观测同一组卫星所得双差观测双差观测量之差。量之差。：64 局域差分局域差分GPS（LDGPS）定位原理）定位原理局域差分局域差分GPSGPS按照基准站的不同，又可分为：按照基准站的不同，又可分为：单站差分单站差分多站差分多站差分按信息的发送方式又可分为：按信息的发送方式又可分为：伪距差分伪距差分相位差分相位差分位置差分位置差分单站差分单站差分单基准站差分单基准站差分GPSGPS是根据一个基准站所提供的差分改正是根据一个基准站所提供的差分改正信息对用户站进行改正的差分信息对用户站进行改正的差分GPSGPS系统。该系统由系统。该系统由基准站、基准站、无线电数据通信链、用户站无线

30、电数据通信链、用户站三部分组成。三部分组成。单站差分单站差分GPSGPS系统的优点是系统的优点是结构和算法都较为简单结构和算法都较为简单。但是该方法的前提是要求用户站误差和基准站误差具有较但是该方法的前提是要求用户站误差和基准站误差具有较强的相关性，因此，定位精度将随着用户站与基准站之间强的相关性，因此，定位精度将随着用户站与基准站之间的距离增加而迅速降低。的距离增加而迅速降低。 多站差分多站差分 在一个较大的区域布设在一个较大的区域布设多个基准站多个基准站，以构成基，以构成基准站网，其中常包含一个或数个监控站，位于该区准站网，其中常包含一个或数个监控站，位于该区域中的用户根据多个基准站所提供

31、的改正信息经平域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得用户站定位改正数，这种差分差计算后求得用户站定位改正数，这种差分GPSGPS定位定位系统称为具有多个基准站的局部区域差分系统称为具有多个基准站的局部区域差分GPSGPS系统。系统。区域差分区域差分GPSGPS提供改正量主要有以下两种方法：提供改正量主要有以下两种方法：(1) (1) 各基准站以标准化的格式发射各自各基准站以标准化的格式发射各自改正改正信息，而信息，而用户接收机接收各基准站的改正量，并取其加权平均，作用户接收机接收各基准站的改正量，并取其加权平均，作为用户站的改正数。其中改正数的权，可根据用户站与基为用户站的改

32、正数。其中改正数的权，可根据用户站与基准站的相对位置来确定。准站的相对位置来确定。(2) (2) 根据各根据各基准站的分布基准站的分布，预先在网中构成以用户站与，预先在网中构成以用户站与基准站的相对位置为函数的改正数的加权平均值模型，基准站的相对位置为函数的改正数的加权平均值模型，并将其统一发送给用户。并将其统一发送给用户。 伪距差分原理伪距差分原理 伪距差分是是通过在基准站上利用已知坐标求出测伪距差分是是通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并将然后利用一个滤

33、波器将此差值滤波并求出其偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距，并解算出用户自身的坐标。来改正测量的伪距，并解算出用户自身的坐标。测站测站i i与卫星与卫星j j之间在之间在t t时刻的伪距为：时刻的伪距为：()jjjjjjiiiiiicttITd（6-67） 222()()()jjjjiiiiXXYYZZ而：而：故由基准站接收机测得的包含各种误差的伪距与几何距故由基准站接收机测得的包含各种误差的伪距与几何距离之间存在差值：离之间存在差值：jjjiii（6-68）位置差分原理位置差分原理 位置差分是一种最简单的

34、差分方法。安置在已知点位置差分是一种最简单的差分方法。安置在已知点基准站上的基准站上的GPSGPS接收机通过对接收机通过对4 4颗或颗或4 4颗以上的卫星观测，颗以上的卫星观测，便可求出基准站的坐标（便可求出基准站的坐标（XX，YY，ZZ）。由于存在）。由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐着卫星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐标与已知坐标（标与已知坐标（X X，Y Y，Z Z）不一样，存在误差。即）不一样，存在误差。即XXXYYYZZZ (6-72)式中，式中，X X、Y Y、Z Z 为坐标改正数，基准站利用数据链将坐标为坐标改正数，基准站利用数据链将坐标改正数发

35、送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正数发送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正：改正：kkkkkkXXXYYYZZZ （6-73）如果考虑数据传送时间差而引起的用户站位置的瞬间变如果考虑数据传送时间差而引起的用户站位置的瞬间变化，则可写为：化，则可写为：000()()()()()()kkkkkkkkkdXXXXXttdtdYYYYYttdtdZZZZZttdt（6-74） 式中，式中，t t为用户站时刻；为用户站时刻；t t0 0为基准站校正时刻。为基准站校正时刻。载波相位差分原理载波相位差分原理 载波相位差分载波相位差分GPSGPS定位与伪距差分定位与伪距差

36、分GPSGPS定位原理相类似。定位原理相类似。载波相位差分载波相位差分GPSGPS有两种定位方法：有两种定位方法：改正法改正法与伪距差分相同，基准站将载波相位的改正与伪距差分相同，基准站将载波相位的改正量发送给用户站，以对用户站的载波相位进行改量发送给用户站，以对用户站的载波相位进行改正实现定位。正实现定位。求差法求差法将基准站的载波相位发送给用户站，并由用将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标解算。户站将观测值求差进行坐标解算。 65 广域差分广域差分GPS（WADGPS）定位原理定位原理广域差分广域差分GPSGPS定位是针对局定位是针对局域差分域差分GPSGPS定位

37、中存在的间定位中存在的间题，将观测误差按误差的不题，将观测误差按误差的不同来源划分成同来源划分成星历误差、卫星历误差、卫星钟差及大气折射误差星钟差及大气折射误差来进来进行改正，以提高差分定位的行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。精度和可靠性。图图6-8 6-8 广域差分广域差分GPSGPS的系统的系统组成组成广域差分广域差分GPSGPS定位的基本思想是在一个定位的基本思想是在一个相当大的区域中用相对较少的基准站组相当大的区域中用相对较少的基准站组成差分成差分GPSGPS网，各基准站将求得的距离网，各基准站将求得的距离改正数发送给数据处理中心，由数据处改正数发送给数据处理中心，由数据处理中心统

38、一处理，将各种理中心统一处理，将各种GPSGPS观测误差观测误差源加以区分，然后再传送给用户。这种源加以区分，然后再传送给用户。这种系统称为广域差分系统称为广域差分GPSGPS系统。系统。 与一般的差分与一般的差分GPSGPS相比，广域差分相比，广域差分GPSGPS具有如下特点具有如下特点: : 主站、监测站与用户站的站间距离从主站、监测站与用户站的站间距离从100100公里增加到公里增加到200200公里公里，定位，定位精度不会出现明显的下降，即定位精度与用户和基准站（监测站）精度不会出现明显的下降，即定位精度与用户和基准站（监测站）之间的距离无关。之间的距离无关。在大区域内建立广域差分GP

39、S网比区域GPS网需要的监测站数量少，投资小。例如，在美国大陆的任意地方要达到5m的差分定位精度，使用区域差分GPS方式需要建立500个基准站，而使用广域差分GPS方式的监测站个数将不超过15个。广域差分广域差分GPSGPS具有具有较均匀的精度分布较均匀的精度分布，在其覆盖范围内任意地区定位，在其覆盖范围内任意地区定位精度大致相当，而且定位精度较局域差分精度大致相当，而且定位精度较局域差分GPSGPS系统高。系统高。广域差分广域差分GPSGPS覆盖区域覆盖区域可以扩展到区域差分可以扩展到区域差分GPSGPS不易发挥作用的地域，不易发挥作用的地域，如海洋、沙漠、森林等。如海洋、沙漠、森林等。广域

40、差分广域差分GPSGPS系统使用的系统使用的硬件设备及通信工具昂贵硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，软件技术复杂，运行和维持费用较局域差分运行和维持费用较局域差分GPSGPS高得多。高得多。 美国联邦航空局（美国联邦航空局（FAAFAA）在）在广域差分广域差分GPSGPS的基础上，提的基础上，提出利用地球同步卫星出利用地球同步卫星（GEOGEO），采用），采用L1L1波段转发波段转发差分差分GPSGPS修正信号，同时发修正信号，同时发射调制在射调制在L1L1上的上的C CA A 码伪码伪距的思想，称之为距的思想，称之为广域增强广域增强GPSGPS系统（系统（WAASWAAS）。）。 图图6

41、-9 6-9 广域增强广域增强GPSGPS系统（系统（WAASWAAS）http:/ 水声设备：水声设备：换能器换能器：是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。水听器水听器：本身不发射声信号，只是接收声信号。应答器应答器：既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号，是水声定位系统的主要水下设备，它也能作为海底控制点的照准标志（即水声声标）。水声定位系统通常采用的方式：水声定位系统通常采用的方式：测距测距定位方式定位方式 测向测向定位方式定位方式由船台发射机通过安置于船由船台发射机通过安置于船底的底的换能器换能器M M向水下向水下应答器应答器P P（位置已知）发射

42、声脉冲信号（位置已知）发射声脉冲信号（询问信号），应答器接收该（询问信号），应答器接收该信号后即发回一应答声脉冲信信号后即发回一应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问号，船台接收机记录发射询问信号和接收应答信号的信号和接收应答信号的时间间时间间隔隔，通过下式即可算出船至水，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离下应答器之间的距离图图6-10 6-10 水声测距定位原理水声测距定位原理12SC t测距定位方式：测距定位方式：由于应答器的深度由于应答器的深度Z Z已知，于是，船台至应答器之间的已知，于是，船台至应答器之间的水平距离水平距离D D可按可按下式求出：下式求出：22DSZ 船台上除安置

43、换能器以外，还在船台上除安置换能器以外，还在船的两侧各安置一个水听器，即船的两侧各安置一个水听器，即a a和和b b。P P为水下应答器。设为水下应答器。设PMPM方向与方向与水听器水听器a a，b b连线之间的夹角为连线之间的夹角为，a a，b b之间距离为之间距离为d d，且，且aMaM= =bMbM= =d d/2/2。设设t t和和tt分别为分别为a a和和b b相位超前相位超前和滞后的时延，那么由图和滞后的时延，那么由图6-116-11可写可写出出a a和和b b接收信号的相位分别为接收信号的相位分别为： 图图6-11 6-11 测向方式的工作原理测向方式的工作原理coscosabd

44、dtt 2cosbad67 水声定位系统及其工作方式水声定位系统及其工作方式水声定位系统的工作方式：水声定位系统的工作方式：直接工作方式直接工作方式中继工作方式中继工作方式长基线工作方式长基线工作方式拖鱼工作方式拖鱼工作方式短基线工作方式短基线工作方式超短基线工作方式超短基线工作方式双短基线工作方式双短基线工作方式分类声基线长度超短基线SSBL/USBL(super/ultra short baseline)10 cm短基线SBL(short baseline)2050 m长基线LBL(long baseline)1006000 ml长基线声学定位系统 长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只

45、上或水下机器人上长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上或水下机器人上的的收发器收发器(transducer)(transducer)；另一个部分是一系列已知位置的固定在海底；另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的上的应答器应答器，这些应答器之间的距离构成基线。，这些应答器之间的距离构成基线。（1 1）一个应答器定位）一个应答器定位如图，如图，P(xP(x0 0，y y0 0) )为应答器，为应答器，A A、B B和和C C为具有航向为具有航向K K的航线上的三个船位，的航线上的三个船位，D DA A、D DB B，D DC C为应答器至为应答器至A A，B B，C C的水平距离。的水平

46、距离。该船的航速为该船的航速为V V，由，由A A到到B B的航行时间的航行时间为为tAtA，由，由B B到到C C的航行时间为于的航行时间为于tctc，则：，则：实际工作时，它既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用二个，实际工作时，它既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用二个，三个或更多的应答器来进行测距定位。三个或更多的应答器来进行测距定位。222002220022200()()()()()()AAABBBCCCxxyyDxxyyDxxyyDcos(180) cos()sin(180) sin()AACCAACCxxVtKxxVtKyyVtKyyVtK显然，显然，V、tA、tD、K、x

47、0，y0、DA，DB，DC均为已知，仅均为已知，仅有二个未知数有二个未知数x、y，于是可用最小二乘法求出船位，于是可用最小二乘法求出船位B的坐标的坐标x、y。然后将。然后将x、y代入代入(6-89)式求出船位式求出船位A和和C的坐标。的坐标。 这种是以船速、船向误差较小为前提的，一般情况下定这种是以船速、船向误差较小为前提的，一般情况下定位位精度不高精度不高。(2)双应答器定位双应答器定位 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，分别为两个声标的位置，C为船位。a12为声标基线d的方位角，为声标P1处三角形顶角，Dl、D2为船到声标的水平距离。 121212yaarctgx222121arcc

48、os2DdDdD 11121112cos() sin()CCxxDayyDa如果如果C C在声标在声标P P1 1、P P2 2联线的另一侧，则上式应为：联线的另一侧，则上式应为：11121112cos() sin()CCxxDayyDa三个应答器的定位公式三个应答器的定位公式x、y表示测量船的平面坐标表示测量船的平面坐标z 为测量船换能器为测量船换能器t的吃水深度；的吃水深度；(xi，yi，zi) i=1,2,3, 表示已知的水下声标表示已知的水下声标T的坐标，的坐标，Ri (i=1,2,3) 为测量船至水下声标间的距离。为测量船至水下声标间的距离。则船船位可通过空间交会获得则船船位可通过空

49、间交会获得.222211112222222222223333()()()()()()()()()RxxyyzzRxxyyzzRxxyyzz132213321132232332132213321132232332()()()2()()()()()()2()()()yyyyyyxx yyxyyxyyxxxxxxyy xxyxxy xx22222 (i=1,2,3)iiiiiixyzRz zl 短基线系统短基线系统 该系统的水下部份仅需要一个该系统的水下部份仅需要一个水声应答水声应答器，而船上部分是安置于船底部的一个器，而船上部分是安置于船底部的一个水听器基阵水听器基阵。换能器之间的距离一般超。换能

50、器之间的距离一般超过过10m10m，换能器之间的相互关系精确测定，换能器之间的相互关系精确测定，并组成声基阵坐标系。并组成声基阵坐标系。系统的工作方式是系统的工作方式是距离测量距离测量。测。测量方式是由一个换能器发射，所有量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值和不同于这个观测值的多个斜距值。基阵坐标系与船坐标系的相互关基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。系统根据系由常规测量方法确定。系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，结基阵相对船坐标系的固定关系，结合外部传感器观测值，如合外部传感器观测值，如GPSGPS、动、动态传感器单元态传感器单元MRUMRU、罗经、罗经GyroGyro提供提供的船位、姿态和船艏向值，计算得的船位、姿态和船艏向值，计算得到海底点的大地坐标。到海底点的大地坐标。 H H1 1、H H2 2和和H H3 3为为水听器水听器，O O为换为换能器能器( (它也是船体空间直角坐它也是船体空间直角坐标系的中心标系的中心) )，