专利名称：无高稳定频标的水下gps定位导航方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无高稳定频标的水下GPS定位导航系统和方法，具体地说，涉及一种利用海面若干个GPS浮标组成的动态网作为水下定位的海面动态大地测量基准和时间基准，再利用水声定位技术实现水下定位导航和授时的方法及系统。
背景技术：
海面与水下定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基本前提。海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等，现代海战也逐渐发展成为涉及太空、空中、海面、水下和海底多层空间的立体战争。所有这些都需要有海面与水下定位导航支撑。
目前应用最广泛的水下声学定位系统主要有长基线定位系统、短基线定位系统与超短基线定位系统等。
长基线定位系统利用海底不共线的3个或3个以上事先布设的水声信号应答器作为基阵信标元，由标准时钟同步，发射声脉冲，根据球面定位原理，用计算机计算，对海面或水中载有接收信标所发脉冲的应答器的船舶或平台定位。布设基阵后先由母船在控制海域扫描航行，用卫星定位系统确定船位，据此先定出基阵信标元各点的坐标，再用此坐标为待定的船舶、平台、设备定位。常规的长基线定位系统海底应答器阵列的布设、校准和维持比较困难，费时耗资。当深度小于基元之间的距离时，其海深测定误差非常大(常与压力传感器组合解算)，且不适合长方形海域的水下定位(如水下管线铺设与检测、水下运输等)。
短基线水下定位技术的基阵线性尺度远小于被测水下目标到基阵距离，常装在船舶或平台上，工作原理同长基线定位。它需要在水下目标上安装一套同步信标，信标按固定的时间及周期发射双脉冲信号，并由同步时钟控制信号发射时刻。短基线水下定位技术要求每次测量都得使用信标双脉冲对水下目标进行时钟同步，由于时钟同步要求双脉冲的频率具有一定的差距，限制了水下作用距离，因而短基线水下定位作用距离一般最多不能超过数百米，因此目前基本上不作为独立水下定位技术使用。
超短基线定位系统基线长度小于发射声波波长，由船舶或平台放入水中，它是靠测量信号到达接受单元之间的相位差和水下目标到接收阵之间的斜距来实现定位，其关键技术是确定接收阵实时三维坐标与姿态。传统的姿态测定方法精度低，水下目标到接收阵之间的斜距测量也需要在水下目标上安装同步信标，因而导致定位精度低和作用距离短。当水下目标与短基线或超短基线基阵之间的开角超过某一角度(一般为30度)，水下定位精度会显著降低，导致定位不可靠。因而短基线与超短基线水下定位系统只适合局部小范围海域的水下目标低精度定位。
综上所述，虽然上述水下定位系统在海洋资源开发与利用、海洋工程建设、海洋军事技术中发挥了重要作用，但标定难度大、测量精度不甚理想、作用范围有限。
GPS(全球定位系统)是一种集定位、定姿和授时多功能为一体的全能导航系统。高精度差分GPS已成为运动物体精密定时定位与相对导航的重要技术手段，GPS载波相位差分技术为运动物体的姿态测定开辟了新途径。
1991年，美国空军的James Youngberg提出了水下GPS的概念，该思想直接将GPS思想引伸到海下，即用GPS浮标代替GPS卫星，用水声信号代替GPS信号，实现完全类似于GPS空间定位导航技术的水下定位导航思想。由于该思想要求GPS浮标具有实时的水声信号编码与发射功能，且水下目标能快速接收与处理大量来自GPS浮标的水声信号，因而水声数据传输、GPS浮标供电与维护都比较困难，水下定位的成本与实现难度较大。
以GPS浮标为支撑的水下定位是近几年发展起来的一门新技术，1996年法国国防部获得的智能GPS浮标系统(GIB)的美国专利(US Patent No5.597.285)，并于2001年受美国国防部委托开发了全球首套水下GPS系统-GPS水下目标跟踪系统。当海面人员需要了解水下目标或载体的位置时，从海面向水下定位发射器发射一个请求定位水声信号脉冲，水下定位发射器接收到该信号后发射水声定位信号，由GPS浮标接收该水声定位信号及GPS信号，通过无线电将差分基准站和GPS浮标的数据传输到数据控制中心，由数据控制中心进行定位计算和跟踪显示。
由于数据控制中心与水下导航收发机之间无水声通讯链路连接，该系统只适合海面跟踪式水下定位。水下目标不能主动要求定位，因而不能实现水下导航和授时功能，也无法实现水下工程放样自动化。特别是，水下需要高精度的原子钟，且定位误差随时间累计逐渐变坏，是该系统的最大缺陷。采用声线补偿提高声速精度是这种系统进行水下定位所必需的。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无高稳定频标的水下GPS定位导航方法，在实现从水上(海面、岸边或空中)对水下目标进行跟踪或定位功能的同时，实现水下目标的自动化定位导航、水下精密授时等功能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无高稳定频标的水下GPS定位方法，由GPS卫星星座、至少五个GPS浮标、水下导航收发机、数据控制中心、海面无线电通信链路和水下水声通信链路组成的系统来完成水下目标的定位和导航，其特征在于包括以下步骤(a)水下导航收发机向GPS浮标定位水听器发射水声定位信号；(b)GPS浮标接收到水声定位信号后，将水声定位信号数据(即浮标水听器延时测量信号数据)及GPS信号数据进行编码和调制，并利用无线电技术传送到数据控制中心；以及(c)数据控制中心将各GPS浮标的无线电信号进行综合处理，计算出水下目标或载体的位置和水声定位信号发射时刻。
在上述方案的基础上，可以实现海面跟踪式定位以及水下主动式定位导航两种功能。海面跟踪式定位的用户在数据控制中心，水下主动式定位导航的用户在水下。其中采用海面跟踪式定位方案时，在所述步骤(a)之前还包括当海面人员需要了解水下目标或载体的运动状态时，数据控制中心向水下目标或载体的水下导航收发机发射一个请求定位水声信号脉冲的步骤，水下导航收发机接收到该脉冲后，再向GPS浮标发射水声定位信号。
采用水下主动式定位导航方案时，在所述步骤(a)中水下导航收发机向GPS浮标发射水声定位信号是在水下目标或载体需要定位时水下用户主动发出的，并且在步骤(c)后还包括以下步骤
数据控制中心对水下目标或载体的位置和时刻数据进行水声信号编码与调制，利用水声发射器将该调制信号发射到水下导航收发机；以及水下导航收发机得到水下目标或载体的三维位置和水声定位信号发射时刻后，进一步计算出导航参数和当前时刻。
为了提高定位的精度，上述方法中，数据控制中心可以从一个差分GPS基准站接收GPS差分信号，和各GPS浮标的GPS信号一起利用差分GPS(DGPS)方法来测定GPS浮标的运动状态参数。
本发明还提供了一种能实现所述无高稳定频标的水下GPS定位导航方法的系统，包括GPS卫星星座、至少五个GPS浮标、数据控制中心、海面无线电通信链路、水下导航收发机和水下水声通信链路，其中所述GPS浮标利用GPS天线接收GPS信号，利用定位水听器接收水声定位信号，利用GPS接收机时钟接口进行水声定位信号的延时测量，建立水下定位的时间基准，在将所述GPS信号、水听器延时测量信号及浮标状态数据编码、调制后，通过无线电天线发射至数据控制中心；所述水下导航收发机响应请求水声定位信号生成或者通过用户接口直接生成水声定位信号，并通过发射换能器将该水声定位信号发射到所述GPS浮标，通过通讯换能器接收所述数据控制中心下传的定位和时刻结果数据，进一步计算出导航参数和当前时刻；所述数据控制中心接收到GPS浮标的无线电信号后，利用各浮标的GPS信号数据实时测定GPS浮标的运动状态参数，并归算到浮标定位水听器上，构成水下定位的海面动态大地测量基准；根据水听器延时测量的时间数据，采用时间差分法确定水下导航收发机的三维位置并发射到水下导航收发机，因而水下导航收发机无需高稳定频标；所述的海面无线电通信链路执行GPS浮标到数据控制中心的浮标各种信号、差分基准站到数据控制中心的GPS差分信号的信号实时传输；所述的水下水声通信链路执行数据控制中心与水下导航收发机之间的水声数据通信；系统采用大地测量坐标系，并保持与陆地、空间信息的参考坐标系一致。
由上可知，本发明是一种集成全球定位技术、GPS精密授时技术与海洋水声技术等的水下定位导航和授时系统。具有高效经济、布网灵活、应用范围广等优点。尤其是通过改变现有的水下GPS系统的水声传递方式，减轻水声数据传输负担，从根本上改变了以往水下定位的被动模式，提高了系统的性能，降低了系统的复杂度，因而能实现水下目标或载体自动化定位与导航；本发明通过水下差分定位技术消除同类系统中的水下高稳定频标，并将声速影响降到一个很低的水平，水下无高稳定频标，即使没有声线补偿的情况下，也能达到较高的水下定位精度，从而实现水下目标或载体自动化定位导航、水下精密授时、测量工程控制和工程放样。


图1为本发明系统总体构成图，图中描述系统的总体结构与信号流程；图2为本发明实施例差分基准站功能模块图；图3为本发明实施例GPS浮标功能模块图；图4为本发明实施例水下导航收发机功能模块图；图5为本发明实施例数据控制中心功能模块图。
图6是本发明实施例海面跟踪式定位方法的流程示意图；图7是本发明实施例水下主动式定位方法的流程示意图。
具体实施例方式
本发明实施例的无高稳定频标的水下DGPS动态定位系统由GPS卫星星座1、差分GPS基准站2、五个GPS浮标(一个在船基数据控制中心上)3、水下导航收发机4、船基数据控制中心5、海面无线电通信链路6和水下水声通信链路组成7，如图1所示。
系统采用的水下定位方法是，利用GPS卫星星座、差分基准站、五个或五个以上GPS浮标组成的动态空间定位网实时建立以这些GPS浮标定位水听器构成的海面动态大地测量基准，利用浮标GPS接收机时钟接口，建立水下定位的时间基准；由GPS浮标定位水听器、水下导航收发机的发射器组成水下动态空间定位网，利用时间或相位差分法动态确定水下导航收发机在大地测量坐标系中的坐标。海面信号采用无线电形式实时传送，水下数据交换采用水声通信形式传送。系统直接采用大地测量坐标系，并保持与陆地、空间信息的参考坐标系一致。
上述系统可以有两种工作方式，一种是海面跟踪式定位方式，如图6所示，包括以下步骤当海面人员需要了解水下目标或载体的运动状态时，数据控制中心向水下目标或载体的水下导航收发机发射一个请求定位水声信号脉冲；步骤100。
水下导航收发机的应答器接收到该脉冲后，向各GPS浮标定位水听器发射水声定位信号(无任何调制信号)；步骤110。
GPS浮标接收到水声定位信号后，将浮标信号(包括GPS信号、浮标水听器延时测量信号、浮标GPS天线姿态校准信号、浮标水听器偏差校准信号、以及浮标状态信号等)数据进行编码和调制，并利用无线电技术传送到数据控制中心；步骤120。
数据控制中心将来自差分基准站的GPS差分信号与各GPS浮标的无线电信号进行综合处理，计算出水下目标或载体的位置，就实现了水下目标的实时跟踪；步骤130。
本实施例的步骤110中，为了保证系统的高精度定位要求，水声定位信号类型选用线性调频信号。为了保护系统方案设计的灵活性，水声定位信号由信号处理模块产生。其频率变化范围为15.0KHz-22.5KHz，脉冲宽度为20ms。通过相干匹配滤波处理，水声定位信号的延时测量分辨率为0.13ms，可以达到水声信号延时测量的精度要求。为保证大于1500米的水声作用距离，声源级取170dB。其最大水声作用距离可达3000米。
本实施例的步骤120中，浮标中的GPS信号、水声定位信号数据(包括浮标水听器延时测量信号和浮标水听器偏差校准信号)、GPS浮标姿态校准数据及浮标状态数据到数据控制中心的无线数据传输采用伪随机码扩频通讯方式，可实现多枚浮标对同一通讯信道的复用，并利用其码分多址功能，对不同浮标进行地址编码，实现对不同浮标数据的分离和识别。
本实施例的步骤130中，又包括以下步骤利用基准站差分信号和各浮标的GPS信号数据实时测定GPS浮标的运动状态参数(位置、速度、加速度等)；利用浮标的姿态校准数据将GPS接收机天线相位中心的位置(大地坐标)实时归算到浮标定位水听器上。通过GPS接收机时钟接口，提供浮标水听器延时测量的时间基准；(浮标水听器延时测量是指水声定位信号到达浮标水听器的时间测量，时间基准通过与浮标GPS接收机接口采用GPS时)利用水声定位信号的时间数据按时间差分法，确定水下导航收发机的三维位置(大地坐标)。
其中，GPS浮标运动状态参数的测定采用常规的DGPS技术-伪距差分GPS。对于距离较近的GPS浮标的定位，可以采用实时动态定位RTK技术，以获得较高的定位精度。
为了提高系统的定位精度，将GPS天线相位中心的大地坐标实时归算到浮标的定位水听器上，本实施例还进行浮标GPS天线校准和浮标水听器偏差校准。浮标GPS天线校准通过三维数字罗盘实时测定的浮标旋转和倾斜参数实现，而对定位水听器位置偏移校正采用超短定位系统。为保证水声定位信号的稳定接收，浮标定位水听器需下放一定深度，定位水听器与浮标体之间采用软连接，因而会发生一定的位置偏移。为实现浮标定位水听器的位置偏移校准，需在浮标底部的电缆连接处安装辅助接收水听器，由四个小水听器组成超短基线阵，在浮标定位水听器的正上方固连一个辅助水声发射器，使用辅助声校准方法进行水听器位置偏移校正。
对水下目标定位而言，GPS浮标(定位水听器)认为是已知点，对同一水声定位信号，当选定一个GPS浮标作为参考点，可以测量其到达其余不同GPS浮标的时间延迟，得到待定点到任意的两个GPS浮标之间的距离差，因此就得到一个方程，给定4个GPS浮标，可以同时得以3个独立的距离观测值，就可以解出水下待定点的三维空间坐标。
但是，水下导航收发机与GPS浮标时钟不同步和水声信号传播误差都会影响水下目标的定位精度。为了提高定位精度，本实施例采用时间差分法或相位差分法来实现水下目标的立体定位。
设水下设备的三维坐标为(x，y，z)，GPS浮标i在接收到水下定位信号时刻的瞬时三维坐标为(xi，yi，zi)，设备到浮标i的水声信号传播时间为ti，相位变化为i，则有ti＝ρi(x，y，z)/c (1)i＝2π×ρi(x，y，z)/(cf)(2)式中ρi(x，y，z)为浮标i到水下设备的斜距，是设备坐标的函数，c为声速，f为水声信号频率。当以ti为观测量时，影响误差的有水下时钟误差(下称水下钟差)、水声信号延时误差与GPS浮标钟差。其中GPS浮标钟差通过上述GPS技术精确估计后，误差影响完全可以忽略，水声信号延时将采用声速改正办法来削弱，但不能充分消除，其偏差称为声速残差。将(1)在水下设备的近似坐标(近似坐标可采用两个以上浮标的时间观测量，在不考虑任何误差影响的情况下计算)处按泰勒级数展开，取一次项，并考虑钟差Δt与声速残差Δc的影响，有ti=xi-x0ρi0c0δx+yi-y0ρi0c0δy+zi-z0ρi0c0δz+Δt+ρi0c02Δc-ρi0c0--(3)]]>式中带下标“0”的量为对应量的近似值，式(3)称为水下待定点相对于浮标i的时间观测方程，简称浮标i的时间观测方程。同理，浮标j的时间观测方程为tj=xj-x0ρj0c0δx+yj-y0ρj0c0δy+zj-z0ρj0c0δz+Δt+ρj0c02Δc-ρj0c0--(4)]]>由于GPS浮标最大相距数公里，因此可以认为水下声速残差一样，故式(3)(4)声速残差相等，为消除水下钟差，将(3)(4)进行一次差分(相减)得Dtij=B1ijδx+B2ijδy+B3ijδz+B4ijΔc-B0ij---(5)]]>式中Dtij＝ti-tj，B为(3)(4)式相减后相应的常数。(5)式就是利用时间差分法实现水下定位的观测方程。观测方程有4个未知数，因此时间差分法水下立体定位至少需要4个GPS浮标。
时间差分法水下立体定位技术完全消除了水下钟差，且声速残差已作为未知参数实时解算，此时，本发明需要增加一个GPS浮标，即至少5个GPS浮标。设声速残差估计后的误差为mΔc，则声速残差估计误差对观测时间的影响为B4ijmΔc=ρi0-ρj0c02mΔc≈4×10-7(ρi0-ρj0)mΔc]]>因此，时间差分法水下定位技术完全消除了水下钟差，并将声速变化影响降低到很低的程度。所以说，与目前其他水下定位方法相比，时间差分法水下定位技术大大提高了水下定位的精度。
此外，也可以采用相位差分来进行水下定位，其水下定位观测方程为
相位差分法需要解算相位差(即Dij)的整周模糊度。同理，由于相位差分法水下定位观测方程不包含水声信号发射时刻的初相位和水声信号发射时刻，因此也完全消除了水下钟差，并将声速变化影响降低到很低的程度。
本发明系统的时间基准采用GPS统一的标准时间-GPS时。由于GPS卫星广播星历的轨道精度已达到260厘米，只要观测四颗以上的卫星就可以实时解算出浮标上GPS接收机的钟差，以这种方式进行时钟同步，可以满足水下定位对浮标时钟同步的要求。当浮标与基准站间距离较近使用RTK技术时，可以通过实时解算GPS载波信号相位的整周模糊度(OTF)，解算出更高精度的GPS接收机的钟差。本发明也可以采用其它的同步方法。
上述系统的另一种工作方式是水下主动式的定位方式，可以实现水下目标定位导航自动化、水下精密授时、水下测量动态控制和工程放样。如图7所示，其包括以下步骤当水下目标或载体需要定位时，水下用户通过水下导航收发机向各GPS浮标发射水声定位信号；步骤200。
GPS浮标接收到水声定位信号后，将水声定位信号数据、GPS信号数据及GPS浮标姿态校准数据进行编码和调制后利用无线电技术传送到数据控制中心；步骤210。
数据控制中心将来自差分基准站及各GPS浮标的无线电信号进行解码，计算出水下目标或载体的位置和水声定位信号发射时刻，然后对其进行水声信号编码与调制，利用水声发射器将该调制信号发射到水下导航收发机；步骤220。
水下导航收发机将所述调制信号解码后，就能确定水下目标或载体的三维位置，计算出导航参数和当前时刻，从而实现水下定位导航和授时功能；步骤230。
这种定位方式所采用的算法与海面跟踪式定位方式相同，只是利用定位信息进一步实现了导航的功能。
水下设备导航的任务是实时计算水下设备实际行走线路与设计线路的偏差，并计算航向纠正姿态。考虑到GPS浮标水下定位仅通过空间网传递，则水下设备导航参数能完全由水下设备当前历元和前一历元的三维坐标计算。也就是说，水下设备当前历元和前一历元的三维坐标是GPS浮标水下立体导航充分必要的保证。因此，根据水下导航收发机三维坐标时间序列即可实现水下设备的自动化导航功能。
本实施例水下设备导航的数学模型与实现方案如下观测方程采用时间差分观测方程(5)式，其中坐标近似值可以由前两个历元的坐标推估。以当前历元和前一历元的三维坐标组成状态方程，就可以建立水下设备导航的卡尔曼滤波模型(一般采用自适应卡尔曼滤波模型)，估计水下设备当前历元的三维坐标。
利用滤波与推估的坐标差(三分量)建立滤波残差反馈模型，改正滤波系统状态方程的系数，可以充分削弱导航过程中声速残差随时间变化的系统性影响。因此，自适应卡尔曼滤波导航模型不但消除了水下不同历元定位时间序列的有色噪声，而且逐步改善了模型的准确性。因而大大提高了水下设备导航的精度。
为降低水声数据传输的复杂度，将自适应卡尔曼滤波器设在数据控制中心，在水下设备导航过程中，水下导航收发机仅接收来自数据控制中心的单历元三维坐标时间序列，水下导航收发机将根据设计线路与单历元三维坐标时间序列转换为导航参数输出给用户。当然也可以在数据控制中心计算出导航参数后，再传输到水下导航收发机。
本实施例中，水下导航收发机和数据控制中心之间的数据传递，是通过水声数据通讯完成的。本实施例的水声数据通讯采用扩频通讯方式，即可以实现水下多目标的数据通讯，又可以提高数据通讯的可靠性，增大水声通讯距离。为保证水声通讯数据的可靠接收，将来自不同路径具有不同时延的水声信号在接收端相干组合起来，合并成较强的有用信号，使各多途信道的能量得以充分利用，变害为利，并采用二维匹配快速算法和自适应信道均衡技术，使通讯误码率低于10-5，通讯距离大于5kM。
本发明实施例无高稳定频标的水下GPS定位导航系统各个部件的功能模块图如图2至图5所示。
如图2所示，差分GPS基准站2设有GPS接收机22，根据GPS天线21接收到的GPS信号在GPS差分信号计算模块24计算生成差分信号，然后由无线传输差分信号模块25将该差分信号通过无线电发射天线26发射到数据控制中心。当然事先需测定差分基准站的精确坐标23。
如图3所示，GPS浮标3的浮标体是一个不透水的水封舱31，水密舱外的水上部分装有GPS天线32和无线电天线33，水密舱外的水下部分装有定位水听器35、以及固联其上用于定位水听器校准的水声发射器36。水密舱内包括与GPS天线连接的GPS模块311、用于定位水听器偏差校正的超短基线阵312、用于水声定位信号处理的水声信号处理模块313、与GPS模块接口的水声定位信号延时测量模块314、用于浮标姿态校准的三维数字罗盘315，以及供电控制模块316和数据调制和无线传输模块317。其中，从GPS模块311、延时测量模块314、三维数字罗盘315和水听器偏差校正超短基线阵模块316采集的数据均需通过无线电调制后发射到数据控制中心。此外，GPS浮标还有投放漂浮系统37、万向连接重力平衡悬垂系统38，电源39等辅助装置；水密舱外还有用于浮标充电的水密充电插头、以及水密电源开关。
如图4所示，水下导航收发机4的高压水密舱41外有定位发射换能器42、用于数据控制中心命令和数据交换的通讯换能器43、以及一个用户接口44。水密舱内配有水声定位信号生成模块411、与通讯换能器相连的位置和定位信号发射时刻数据接收和解码模块412、与定位信号生成模块相连的水下用户请求响应模块413、用于计录定位信号发射时刻与当前时刻的时间差的低稳定晶振414。用户接口44包括导航参数计算模块441、精密授时接收模块442以及导航、放样或授时请求模块443。此外，水下导航收发机的水密舱外还有用于浮标充电的水密充电插头、以及水密电源开关，以及外接电源水密插头等。水下用户可以通过用户接口44的导航、放样或授时请求模块443发出请求，或根据数据控制中心5发出的请求定位水声信号，通过响应模块413激活定位信号生成模块411产生水声定位信号，再通过发射换能器42发射。位置和定位信号发射时刻数据接收和解码模块412对数据控制中心5下传的位置数据采用匹配相干处理技术进行解调后输出到导航参数计算模块441和精密授时接收模块442，导航参数计算模块441比较该位置数据以及用户接口内的水下设备导航目的地就得到了导航参数，再通过用户接口与水下载体进行数据传递。
如图5所示，数据控制中心包括多通道的GPS浮标和差分站信号接收与解调装置51、数据处理工作站52、水下的水声通讯换能器53、以及声速剖面仪54(可选)。数据处理工作站的实时数据处理工作包括GPS浮标定位水听器实时定位计算模块521，用于浮标GPS定位、定位水听器偏差校正与浮标姿态改正；浮标水声定位信号处理522模块，用于根据浮标的姿态校准数据将GPS接收机天线相位中心的位置(大地坐标)实时归算到浮标定位水听器上；不同GPS浮标时钟同步计算模块523，实时解算出浮标上GPS接收机的钟差；水下目标定位和水声定位信号发射时刻计算模块524，用于根据水听器延时测量的时间数据，采用时间差分法确定水下导航收发机的三维位置；以及系统状态计算与可视化525、水下目标导航或授时响应526、水下目标跟踪请求527(跟踪命令生成)、水声信号调制528、位置和时刻参数编529等模块，其中，水声信号调制模块528、水下目标导航或授时响应模块526、水下目标跟踪请求模块527均与水声通讯换能器53连接，用于与水下导航收发机的命令和数据交换。为了提高水下定位精度，本实施例数据控制中心还设有与声速剖面仪连接的声速校正和声线补偿模块520，声速剖面仪每隔一定时间(时间间隔根据定位精度要求、海况和气候而定，如1～2小时)测量作业海区海水(从海面到海底)的声速剖面，用于水声定位信号的初始声速改正。
由上可知，本发明的无高稳定频标的水下GPS定位导航系统，通过改变现有的水下GPS系统的水声传递方式，减轻了水声数据传输负担，从根本上改变了以往水下定位的被动模式，提高了系统的性能，降低了系统的复杂度，因而能实现水下目标或载体自动化定位与导航。
此外，本发明涉及的系统采用时间差分法进行水下定位，完全消除了水下钟差带来的影响，因此水下导航收发机上没有高稳定频标，也不存在水下时钟同步问题，即使没有声速剖面仪的声速补偿也能达到较高的水下定位精度。
此外，本发明的无高稳定频标的水下GPS定位导航系统无需水下标定，具有很高的空间灵活性、能在极短的时间内(约30分钟)快速安装。以无高稳定频标的水下GPS定位导航系统为基础，可以实现水下工程的精密测量控制与工程结构水下实地放样、远距离能源运输、无人遥控的海底运载工具的导航、海底资源探测与底质填图的定位导航、从海面对水下目标跟踪式搜索与监视、海底管线铺设放样与故障检测实时定位、以及水下精密授时等功能，必将大大促进海洋资源开发、海洋工程建设和海洋军事技术的现代化。
以上所述仅仅是本发明的一个具体实施例，本领域的技术人员可以根据本发明的精神对本发明的具体方案做出各种变化。
例如，无高稳定频标的水下GPS定位导航系统的数据控制中心可以建在海面作业船上，也可以建在陆地(岛屿)，或者飞机上，形成陆基或空基的数据控制中心，其中的差分基准站可以与陆基数据中心集成在一起，这时GPS差分信号就无须无线传输了。在采用船基数据控制中心时，可以省掉一个GPS浮标，将其中GPS接收机和水听器直接安装在作业船上就可以了。
如果只需要对水下目标进行跟踪或定位，可以去掉本发明水下导航收发机中只与导航相关的模块，作为一个水声定位发射器就可以了，如无需水下用户接口、导航参数计算模块、位置和定位信号发射时刻数据接收和解码模块等。
为了提高定位导航精度，以上的实施例中采用了很多附加的装置和算法，基于成本或不同的定位精度的要求，有的装置和相应软件模块可以省略。
例如，在江河湖泊等风浪上的环境下水下作业时，可以去掉三维罗盘、水听器偏差校正和浮标姿态校正的有关硬件和软件；差分基准站在水下定位导航、授时精度要求不高或远洋使用时，也可以不要。而利用各浮标的GPS信号数据，采用现有GPS精密单点定位方法代替本实施例的DGPS技术，实时测定GPS浮标的运动状态参数；在任何地方，定位导航、授时、测量工程控制与工程放样的精度要求不是很高时，可以去掉声速剖面仪及声速校正和声线补偿等相关模块。
完全类似于陆地GPS技术，利用本系统的水下导航收发机进行水下相对导航、基线测量、垂线或角度放样等相对几何量观测，或利用两个导航收发机同步观测，可以消除绝大部分的水声声速残差、海面动态大地测量基准和时间基准、以及其他误差影响，其精度将远大于水下定位本身的精度。
GPS浮标的数量可以在五个以上，当GPS浮标足够多且分布合理时，可以同时对多个用户进行服务。
权利要求
1.一种无高稳定频标的水下GPS定位方法，由GPS卫星星座、至少五个GPS浮标、水下导航收发机、数据控制中心、海面无线电通信链路和水下水声通信链路来完成水下目标或载体的动态定位，其特征在于包括以下步骤(a)水下导航收发机向GPS浮标定位水听器发射水声定位信号；(b)GPS浮标接收到水声定位信号后，将水声定位信号数据及GPS信号数据进行编码和调制，并利用无线电技术传送到数据控制中心；以及(c)数据控制中心将各GPS浮标的无线电信号进行综合处理，计算出水下目标或载体的位置。
2.如权利要求1所述的无高稳定频标的水下GPS定位方法，其特征在于，所述步骤(a)之前还包括当海面人员需要了解水下目标或载体的运动状态时，数据控制中心向水下目标或载体的水下导航收发机发射一个请求定位水声信号脉冲的步骤，所述水下导航收发机接收到该脉冲后，再向GPS浮标发射水声定位信号。
3.如权利要求1所述的无高稳定频标的水下GPS定位方法，其特征在于，所述步骤(a)中水下导航收发机向GPS浮标发射水声定位信号是在水下目标或载体需要定位时水下用户主动发出的，并且在步骤(c)后还包括以下步骤数据控制中心将计算出的水下目标位置和水声信号发射时刻进行信号编码与调制，利用水声发射器将该调制信号发射到水下导航收发机；以及水下导航收发机得到位置和时刻数据后，进一步计算出导航参数和当前时刻。
4.如权利要求2或3所述的无高稳定频标的水下GPS定位方法，其特征在于，所述步骤(b)中GPS浮标还将GPS浮标姿态校准数据、浮标水听器偏差校准数据以及浮标状态数据进行编码和调制并传送到数据控制中心，所述步骤(c)又包括以下步骤利用基准站差分信号和各浮标的GPS信号数据实时测定GPS浮标的运动状态参数，或者直接利用各浮标的GPS信号数据实时测定GPS浮标的运动状态参数；利用浮标的姿态校准数据将GPS接收机天线相位中心的位置实时归算到浮标定位水听器上，通过GPS接收机时钟接口，提供浮标水听器对水声定位信号延时测量的时间基准；根据水声定位信号的时间数据，利用时间或相位差分法确定水下导航收发机的三维位置。
5.如权利要求1所述的无高稳定频标的水下GPS定位方法，其特征在于，数据控制中心还从一个差分GPS基准站接收GPS差分信号，和各GPS浮标的GPS信号一起来实时测定GPS浮标的运动状态参数。
6.如权利要求3所述的无高稳定频标的水下GPS定位方法，其特征在于，在计算水下目标或载体的三维位置时，是以当前历元和前一历元的三维坐标组成状态方程，建立水下设备导航的自适应卡尔曼滤波模型，估计水下设备当前历元的三维坐标。
7.一种无高稳定频标的水下GPS定位导航系统，包括GPS卫星星座、至少五个GPS浮标、数据控制中心、海面无线电通信链路，其特征在于还包括水下导航收发机和水下水声通信链路，其中所述GPS浮标利用GPS天线接收GPS信号，利用定位水听器接收水声定位信号，利用GPS接收机时钟接口进行水声定位信号的延时测量，建立水下定位的时间基准，在将所述GPS信号、水听器延时测量信号及浮标状态数据编码、调制后，通过无线电天线发射至数据控制中心；所述水下导航收发机响应请求水声定位信号生成或者通过用户接口直接生成水声定位信号，并通过发射换能器将该水声定位信号发射到所述GPS浮标，通过通讯换能器接收所述数据控制中心下传的定位结果数据，进一步计算出导航参数；所述数据控制中心接收到GPS浮标和差分基准站的无线电信号后，利用各浮标的GPS信号数据实时测定GPS浮标的运动状态参数，并归算到浮标定位水听器上，构成水下定位的海面动态大地测量基准；根据水听器延时测量的时间数据，采用时间或相位差分法确定水下导航收发机的三维位置并发射到水下导航收发机；所述的海面无线电通信链路执行GPS浮标到数据控制中心的浮标各种信号、差分基准站到数据控制中心的GPS差分信号的信号实时传输；所述的水下水声通信链路执行数据控制中心与水下导航收发机之间的水声数据通信；系统采用大地测量坐标系，并保持与陆地、空间信息的参考坐标系一致。
8.如权利要求7所述的无高稳定频标的水下GPS定位导航系统，其特征在于，所述GPS浮标上还设有三维数字罗盘和浮标定位水听器偏差校准装置，用于将GPS天线相位中心的位置实时归算到浮标定位水听器上。数字罗盘用于测定GPS浮标的旋转与倾斜参数作为GPS浮标的姿态校准数据；浮标定位水听器偏差校准装置由超短基线阵和辅助水声发射器组成，超短基线阵安装在浮标底部有，辅助水声发射器固连在浮标定位水听器的正上方，利用辅助声校准方法进行水听器位置偏移校正。所述GPS浮标将上述姿态校准数据和偏差校准数据传送到数据控制中心进行上述校准运算。
9.如权利要求7所述的无高稳定频标的水下GPS定位导航系统，其特征在于，还包括一个差分GPS基准站，用于利用GPS天线接收GPS信号并生成差分信号，通过无线发射天线将所述差分信号发射到所述数据控制中心；所述数据控制中心利用基准站差分信号和各浮标的GPS信号数据共同测定GPS浮标的运动状态参数。
10.如权利要求7所述的无高稳定频标的水下GPS定位导航系统，其特征在于，所述数据控制中心还包括一个声速剖面仪和相应的声速校正和声线补偿运算模块。
全文摘要
本发明公开一种无高稳定频标的水下GPS定位导航系统和方法。本发明系统由GPS卫星星座、四个以上GPS浮标、水下导航收发机、数据控制中心、海面无线电通信链路和水声通信链路组成。本发明方法是当位于水下的目标要求定位时，水下导航收发机向GPS浮标发射水声定位信号，浮标将水声定位信号、GPS信号及姿态校准数据用无线电传送到数据控制中心，与差分信号一起处理，计算出水下目标的位置和水声定位信号发射时刻，由水声通讯系统将该位置和时刻数据传到水下导航收发机，就可进行导航或授时。本发明能用于水下目标跟踪、水下定位导航、水下精密授时、测量工程控制以及工程结构放样，无需高稳定频标，无声线补偿也能达到较高的精度。
文档编号G01S5/00GK1547039SQ200310118440
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者章传银, 凌国民, 王泽民, 秘金钟 申请人:中国测绘科学研究院, 中国船舶重工集团公司第七一五研究所