【《水下GPS定位技术探究概述》4200字】

——水下GPS定位技术研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u24474水下GPS定位技术研究概述 1124111.1GPS原理概述 18581.1.1GPS定位原理 156031.1.1GPS定位误差来源 2270781.1.2减小GPS定位误差的举措 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原理概述由空间控制部分、地面控制部分和用户装置部分组成的GPS系统，即“授时测距导航/全球定位系统”（NAVISTAR/GPS，NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem,），是美国的第二代卫星导航定位系统[24]。比起其他系统，此系统具有压倒性的优势，比如连续全球地面覆盖、多功能、高精度、实时定位速度快、抗干扰性能好、保密性强等。地面控制部分包括主控站、地面天线、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统，其中，主控站管理并且协调着整个地面控制系统的工作，地面天线的主要作用是在主控站的控制下，向卫星注入电文，监测站负责收集数据，通讯辅助系统用来进行数据传输。用户设备部分主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS系统的空间部分由一组空间GPS卫星组成。GPS卫星星座的最初计划是将24颗卫星均匀分布在6个不同的轨道平面上，但今天，在轨卫星的数量已达到27颗。每个轨道平面与赤道面的倾角约为55度。5-8颗卫星可以随时在地球上的任何一点被观测到。1.1.1GPS定位原理GPS定位可分为绝对定位和相对定位，当GPS接收器被装载在运动的载体上，就是动态定位，当接收器天线静止时，为静态定位。绝对定位，也可称为单点定位，是一种仅需要一台接收机进行定位的方法，它可以确定接收机天线的绝对坐标。这种定位方式的特点是操作方便。图1.1GPS绝对定位示意图使用两个或多个接收器被放置在不同的点，并且它们的位置是固定的，通过在一段时间内进行观测四颗以上的卫星，确定它们之间的相对位置，载波相位观测量是基本的观测量，这种方法称之为相对定位。如下图为多台接收器的相对定位示意图：图1.2GPS相对定位示意图1.1.1GPS定位误差来源GPS定位的误差主要包括星历误差、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、多径误差和接收机误差等。前四种误差是系统误差，对GPS定位精度影响较大。1）卫星星历是用于表示太空飞行体位置和速度。卫星星历利用开普勒定律的六个轨道参数之间的数学关系来确定飞行器的时间、坐标、方位角、速度和其他参数。精度极高。在绝对定位中，星历误差的大小取决于唯一的观测站到卫星距离的增量大小，可用dρ表示，其中ρ为观测站到卫星的距离。在相对定位中，星历误差大小可由下式进行估计：ⅆbb=ⅆ其中b是基线向量长度，db是由于星历误差导致的基线向量测量误差。2）卫星钟差指的是卫星钟读数与系统时间之间的差异。GPS定位时，卫星时钟和接收机时钟必须严格同步。然而事实上，即使卫星配备了高精度的原子钟，也难免会出现时钟误差和漂移。虽然总偏差在1ms以内，单其引起的等效距离误差可达300km。钟差多项式如下：∆t=a0+其中，a0，a1，a2分别是卫星钟在t钟差模型修正后，卫星钟之间的同步差保持在10ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过4m。3）电离层误差是由于GPS信号传播过程中受到电离层的影响而引起的时间延迟。表现为定位精度差和定位方向受限。电离层误差是所有误差中对卫星导航定位的影响最大的误差形式，由它产生的定位误差从几米到几百米不等。4）对流层误差也称为对流层延迟误差，是当电磁波信号通过高度40km以下的大气层时，传播路径发生弯曲，传播路径长度增加进而产生信号延迟造成的误差。5）多径效应误差是指信号经过多条路径传播而引起的误差。电磁波在传播过程中遇到不同的物体，会产生不同的反射、折射和散射。在任何接收点，都有可能接收到来自不同路径的同源电磁波，而且大气折射随时间而变化。随着时间和地形特征的变化，路径差也会随之变化。1.1.2减小GPS定位误差的举措针对上文提出的六种影响GPS定位的误差，可以通过各种方式来减小各类定位误差。如下表1.1为减小GPS定位误差的举措:表1.1减小GPS定位误差的举措GPS定位误差来源举措；卫星星历误差自建GPS卫星跟踪网，独立定轨；采用轨道松弛法；对相距不远的观测站的同步观测值求差；卫星钟差采用IGS提供的或者广播星历中的钟差改正参数进行改正；采用相对定位或差分相对定位电离层误差选择最佳观测时间，使用双频接收机对流层误差采用对流层模型进行改正；同步观测求差法；多径效应误差选择合适的站址；采用扼流圈天线；延长观测时间1.2水下GPS原理概述水下GPS的发展分为三种类型。第一种方法也是最简单的在水下使用GPS的方法，伪水下GPS，只需一个内部装载有GPS接收器的浮标，由潜水器拖曳下潜。这种方法的缺点是只能定位浮标，不能定位水下航行器的位置。第二种类型：US-AFYoungberg。这种方法将GPS定位技术直接植入水中。浮标取代了卫星，电磁波被浮标发出的声波所取代。水下被测物体使用稳定的时钟准确测量浮标发出的连续声脉冲的到达时间，就可以计算出水中的声速和到自己与浮标之间的距离。第三种方法是GIB技术，这种方法非常灵活，精度可以达到米级。该方法使用上行的声波数据，浮标测量水中被测物体发出的声波脉冲的到达时间。在每个时间间隔，每个浮标都会发送自身GPS位置和声脉冲的到达时间，这些数据将被发送到数据处理中心。浮标和被测物体之间的距离就可以依据声速计算出来。利用GPS技术识别水下目标实际上是GPS定位的水下延伸。目前，中国和海外正在研究的实用化的系统是基于GPS浮标网络的水下目标定位系统。要使用浮标网络定位水下目标，首先要做的是获得浮标基元本身的准确位置。在此之前，定位浮标基元需要相应的测向仪和测距仪的配合。仪器设备体积大，实际操作复杂。应用不灵活，定位精度不高，由此计算出的水下目标位置也不是很准确。基于GPS浮标网络的水下目标定位系统只需在浮标基元上安装GPS接收器作为位置传感器，即可获取浮标基元的准确位置信息。然后选择合适的定位算法，就可以得到定位目标的具体位置。1.3水下GPS定位模型除了上述的浮标网络的固有特性之外，GPS水下定位系统还具有可灵活设置的系统规模，不需要校正的基元。在实际中，水下GPS定位系统通常有两种工作模式：同步和异步。水下目标一般有两种类型：合作与非合作。工作模式不同，用途不同，其工作模型和定位原理也就不同。当前水下GPS定位主要有两种工作原理，对应的有两种不同的定位模型。这两种定位模型分别为单浮标水下GPS相对定位模型和浮标网络水下GPS长基线定位模型[24]。1)单浮标水下GPS相对定位模型单浮标水下GPS相对定位模型结合了GPS定位技术和水声相对定位技术。该定位模型由三部分组成，分别为配备有GPS接收器和水声发射器的浮标、系缆和装配有短基线单向测距基阵的水下目标。同步控制模块同时启用GPS定位系统与短基线水声定位系统，使两者协调同步，浮标是两种定位方式的中继站；系绳是浮标和水下目标传输数据和信息的介质；浮标上的GPS接收器接收实时全球定位系统定位数据；，水下目标配置的短基线阵列实时测量水下目标与浮标的相对位置。当开始定位时，水下目标使用系绳系住浮标，使其始终漂浮在自己上方的有限水域中，并提供动力和传递信息。安装在水下目标上的计算机使用两种定位数据，实时计算出水下目标的绝对位置。此模型将地面上的GPS技术扩展到水下，水下定位精度与水面GPS定位精度两者处于同一数量级。水下潜艇的自身定位常常采用这个模型，它的示意图如下图所示：图1.3基于单个GPS浮标的水下相对定位模型2）基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统模型此系统定位原理是通过浮标上安装的GPS接收机获取基元的精确位置信息，然后测量水下目标到基元的距离，最后相关数据通过无线数据链路传输到监测基站，监测基站使用相应的定位算法计算水下目标的实时位置信息。此模型示意图如下图所示：图1.4基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统模型该系统基于以特定形状放置的电子浮标基阵单元，构成水下目标检测网络。它主要由干端和湿端两部分组成。干端为监视基站，通常安装在靠近浮标网络的移动或者固定区域。湿端是由基于水下GPS技术的智能浮标组成的浮标网络，对目标声信号进行检测和预处理；干端与湿端之间的信息传输是通过高速无线数据链路完成的。当需要定位水下目标时，承载有监测基站的平台进入待测水下目标所在的海域，并且将智能浮标以一定的几何形状或者阵型结构部署到海中。定位系统开启后，根据海域水深及当前海域状况，搭载平台把水听器放到水中适当的深度。浮标基元通过GPS定位，获取自己的位置信息，并将此位置信息与测得的水下目标距离信息一起编码发送到监测基站，基站对接收到的消息进行解码，得到水下目标的实时位置信息。1.4水下GPS定位算法由于基于单个GPS浮标的水下相对定位方法应用不是很广泛且定位精度不高，我们这里研究讨论基于浮标网络的长基线水下定位系统对水下目标进行定位时用到的定位算法。待测的水下目标分为合作型和非合作型，合作型目标又分为同步型和异步型。研究表明，同步型水声定位系统的精度高于异步型水声定位系统的精度，但是异步型定位系统比同步型系统更易于使用。对于合作型目标，水下目标发出声波和浮标接收声波两个过程可以同时工作。测量水下目标与浮标之间的距离后用球面定位法计算出水下目标的位置。对于非合作型水下目标，水下目标发出声波与浮标接收到声波不能同步工作。这种条件下，只能测量目标与两个浮标之间的距离差，然后使用双曲面定位法计算水下目标的位置。特别要注意的是以上两种情况描述的距离均不是真实距离，而是伪距。下图为基于浮标网络的长基线水下定位系统几何模型示意图：P点是待测水下目标，浮标上的基元Si和Sj坐标位置已知，O点为定位坐标原点。图1.5几何定位模型示意图注：ViVj分别为P点指向浮标基元Si和Sj的单位矢量，ρi和ρj分别为P点到基元Si和Sj的距离，RiRj分别为基元S1）双曲面定位算法：如果能够通过测量得知水下目标与两个基元的距离差d，那么P点就处于以Si和Sj为焦点，d为焦距的双曲面上，三个不同的双曲面交汇所在的坐标位置即为水下目标P点的位置。下面从几何模型的角度来分析双曲面定位算法。设水下目标到达浮标基元的传播时间为t,水中声速为C,则两者之间的距离为ρ=Ct。则有ρi⋅Viρj⋅Vj将（1.3）和（1.4）两式同时点乘Vi