我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介

我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介

北极星电力网新闻中心2008-11-12 11:04:48 我要投稿

关键词：GPS 我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介

“863”计划“水下GPS高精度定位系统”课题组

摘要由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统已研制成功，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。该系统可从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还利用GPS技术，实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。

关键词水下GPS 定位导航系统用户

由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统研制成功，经在浙江省千岛湖进行的试验表明，对于水深45m左右的水域，系统的水下定位精度为5em，测深精度为30cm，水下授时精度为0.2ms，且测量误差不随时间累积。这是继美国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS系统。该系统不但可用于从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还率先利用GPS 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。该系统的成功研制，将打破个别发

达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

一、系统构成

水下GPS定位导航系统主要由GPS卫星星座、差分GPS基准站(可选)、四个以上GPS 浮标、安装在水下目标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心(简称数据控制中心)、水上无线电通信链路、水下水声通信链路组成，如图1。多个GPS浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位导航系统。

其中，GPS卫星星座、差分基准站和浮标GPS天线用于提供“海面动态大地测量基准”，包括浮标动态长基线水下定位网的起算基准和时间基准；水下导航收发机的发射器、浮标定位水听器组成了水下定位子系统，该子系统采用水下差分方式定位，水下无需高稳定频标；数据控制中心和水下导航收发机的水声通信换能器组组成了水下通信链路；差分基准站到数据控制中心、GPS浮标到数据控制中心的无线电收发装置组成了海面无线电通信链路；水上数据处理中心、系统状态监控、水上用户接口组成了数据监控中心；水下数据处理、用户接口组成了水下用户接口。

二、系统基本工作模式

1．水上跟踪模式——用户在水上

当水上用户需要跟踪水下目标(或动态定位)时，就从数据控制中心的监控界面向水下导航收发机(安装在水下目标上)发送定位请求信号，水下导航收发机激活后向GPS浮标发射定

位信号，GPS浮标将水声定位信号、浮标姿态校准数据、GPS信号等信息进行调制后发送到数据控制中心。数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息融合处理后计算出水下目标的位置，并动态显示水下目标在大地测量坐标系中的位置。

2．水下导航模式——用产在水下

当水下目标需要导航(定位、测量控制或工程放样)时，水下用户就通过用户接口激活安装在水下目标上的水下导航收发机，向GPS浮标发射定位信号(或自动控制定位信号发射)，同时向数据控制中心发射导航请求信号。GPS浮标将水声定位信号、浮标姿态校准数据、GPS信号等信息进行调制后发送到数据控制中心，数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息融合处理后计算出水下目标的位置，经调制后发射到水下导航收发机。

水下目标通过导航收发机将信号解码后就能计算出导航参数。此时，数据控制中心也可与其中一个GPS浮标集成在一起。

图1水下GPS定位导航系统

三、系统主要功能与作业方法

1．从水上对水下目标跟踪或动态定位

当水下GPS定位导航系统用于从水上对水下目标进行跟踪监视和动态定位时，用户在数据控制中心。数据控制中心可以在作业船上，也可以在岸边陆地上，特殊情况下也可以安置在飞机上。水下导航收发机安装在被监视的水下目标上。用户通过数据控制中心的监控界面发射跟踪或定位请求，启动系统，监控界面将动态显示水下目标的运动轨迹、GPS浮标的运动轨迹以及系统的工作状态。当输入电子海图后，系统的监控界面可在海图上动态显示水下目标、GPS浮标以及数据控制中心的位置。

2．水下目标导航与精密授时

当水下GPS定位导航系统用于水下目标导航和授时时，用户在水下。水下导航收发机安装在需导航的水下目标上。水下用户通过触发(或自动控制)导航收发机的用户接口启动系统，此后，水下导航收发机将以一定的频率发射水声定位信号，接收来自数据控制中心的定位结果和定位信号时刻，并计算出导航参数(用户可通过水下监控界面输入导航目的地，也可事先设置好目的地)和当前时刻，从而实现水下目标导航和精密授时。

3．水下目标瞬时水深监测

当水下GPS定位导航系统用于水下目标瞬时水深监测时，用户既可在水上，也可在水下。当用户在水上时，数据控制中心将动态显示水下目标的水深(包括平面位置)，并可与水下目标跟踪或动态定位功能一起使用。当用户在水下时，水下用户接口将动态输出水下目标当前的水深(包括平面位置)，并可与水下目标导航与精密授时功能一起使用。

水下GPS定位导航系统的水下目标水深监测，是利用GPS浮标的瞬时大地高与水下目标的瞬时大地高按一定方法计算的。所监测的水深包含了动力环境引起的水面变化(如海洋潮汐、海流、洋流以及江河的水流落差等)。这对于水下工程、水下军事技术、水下安全、水下探险和娱乐等领域的应用具有特殊的意义。

4．水下工程测量控制

水下工程测量控制是一种高精度水下精密测量控制，用户在水下。为提高水下控制点的点位精度，采用精密定位和边长测量相结合的方法，并对控制网进行测量平差。水下用户可实时获得控制点的粗略位置，更高精度的控制点点位坐标是在水下作业完成后，经测量子差后处理给出。

为方便水下工程测量控制作业，可利用系统的水下目标导航功能辅助作业。

5．水下工程结构放样

水下工程结构放样的基本原理与水下目标导航类似。不同的是，水下用户接口除提供导航信息外，还可提供高精度的长度、方位、角度、静态平台姿态、垂线、水平线等工程信息。用户可将事先设计好的工程结构图和放样方案从水下监控界面输入。

为提高水下工程结构放样的精度，可利用系统的水下工程测量控制功能。

四、系统的研制开发措施

水下GPS定位导航系统的研开发，是一项综合大地测量、水声工程、无线电、海洋设备与机械工程和海洋物理等多学科复杂的系统程，系统研制过程的质量控制是成功开发系统的关键。为此，我们以系统工程为指导，通过技术指标(误差)优化配置技术导出高效低技术难度的水下GPS定位导航系统的技术指标体系，在此基础上，构造了系统研制全部过程的量化质量控制体系。在研制过程中，始终监视着关键技术的研制开发、子系统接口与集成、系统联调与集成的质量，从而保证了水下GPS定位导航系统的研制开发始终按事先设计的