差分GPS水下定位系統(tǒng)集成關鍵技術研究.pdf

1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)實現(xiàn)了全球開闊陸地、海面和外部空間的定位導航，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技術和聲納技術進行集成，實現(xiàn)GPS技術的水下擴展，完成廣大的海洋水下空間具有和陸地一樣的GPS定位導航功能，就是“水下GPS系統(tǒng)”的主要指導思想。 水下GPS定位系統(tǒng)就是基于差分GPS技術的水面可變長基線定位系統(tǒng)。通過多個GPS智

2、能浮標在水面構成水面長基線網，實時檢測水下目標的定位信號和測量其到達浮標的時間，實現(xiàn)系統(tǒng)的定位。系統(tǒng)包括差分GPS參考站、GPS智能浮標、水下收發(fā)機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，實現(xiàn)GPS實時精密動態(tài)測量。GPS智能浮標通過將水上GPS系統(tǒng)和水下聲納系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)浮標精密位置測量、水聲信號的檢測和延時測量、浮標姿態(tài)測量、超短基線水聲校正、無線電數(shù)據通訊等功能。水下收發(fā)機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)據的接收、記錄，監(jiān)視和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，計算水下目標的空間位置?；谒翯PS定位系統(tǒng)的基本框架，對系統(tǒng)集成中的幾個關鍵技術進行了詳細討論： 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計減少了水下聲納系統(tǒng)的復雜度，同時簡化了GPS接收機

4、與水下聲納系統(tǒng)的基本接口。 2．基于DGPS技術水面虛擬長基線組成通過GPS-RTK技術可以實現(xiàn)實時厘米級的浮標動態(tài)定位，對于米級定位系統(tǒng)解算可以認為是沒有誤差。但是由于同一個水聲信號到達不同的浮標的時間是不一樣的，參與系統(tǒng)定位解算的水面基線實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)據提取算法可以很好的實現(xiàn)從各個浮標的水聲信號中搜索同步的觀測，并構成虛擬水面基線網。同時證明了基于雙曲線定位模型實際隱含了GPS坐標差

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浮標的時間，通過測量不同浮標接收水聲信號時間計算水下目標到達不同浮標的距離差值。要測量時間差值，必須要求各個浮標系統(tǒng)的時鐘嚴格同步，本文采用了基于GPS時間系統(tǒng)的浮標時鐘同步，同時通過GPS接收機的1PPS脈沖校正延時測量漂移，實現(xiàn)精密的時間測量方法。 4．系統(tǒng)的定位數(shù)學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)學模型的求解進行了詳細分

6、析，對于四枚浮標的系統(tǒng)，給出了了迭代算法和解析算法求解的推導，同時對于多余四枚浮標的系統(tǒng)，本文給出了最小二乘算法求解推導。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的水下定位求解算法。 5．系統(tǒng)的誤差分析實現(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。提出了基于極坐標系統(tǒng)的雙曲線定位分析方法。并以此詳細推導了水面基線誤差、網形對定位結果的誤差分析公式和距離觀測誤差對定位結果的誤差分析公式。另外還對多與四枚浮標的基線網絡提出了基于雙曲線最小二乘的PDOP值區(qū)域分析方法。通過該方法可以計算任意水面基線網形的不穩(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)據記錄和備份、定位解算和命令控制等。采用了基于面向對象思想設計了系統(tǒng)的