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基于GPS 差分和超聲波定位的組合式水下立體定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者:常琬瑩時(shí)間:2015-11-12 15:41:50  來(lái)源:www.vortexsignal.com  閱讀次數(shù):2260次 ]

【文章摘要】

 

本課題主要研究在分析GPS 差分定位技術(shù)、水下超聲波定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用水上海洋GPS 浮標(biāo)構(gòu)建海面基準(zhǔn)控制網(wǎng),然后利用超聲波定位方式,確定水下載體坐標(biāo)位置的組合式立體導(dǎo)航定位方式。GPS 水下立體定位導(dǎo)航系統(tǒng),是在GPS 相對(duì)定位原理確定水上GPS 浮標(biāo)坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上,再基于空間后方交會(huì)原理,利用超聲波定位,確定水下用戶位置的水面- 水下立體定位方式。該系統(tǒng)既可克服傳統(tǒng)GPS 浮標(biāo)定位模式在水聲基陣設(shè)置和作業(yè)效率方面的弊端,同時(shí)又克服了INS 慣性導(dǎo)航所引起的誤差傳遞累積、造價(jià)高昂等缺點(diǎn)。

 

【關(guān)鍵詞】

 

GPS 差分;超聲波定位;空間后方交會(huì)

 

1 GPS 水下立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)的總體構(gòu)成

 

GPS 水下立體定位導(dǎo)航系統(tǒng),硬件系統(tǒng)上由差分GPS 基準(zhǔn)站、GPS 浮標(biāo)、水下載體收發(fā)設(shè)備構(gòu)成,軟件上還包含陸基或船舶數(shù)據(jù)處理控制中心、水上無(wú)線通訊模塊和水下水聲通訊模塊,具體組成可見圖1 所示:

 

GPS 浮標(biāo)利用GPS 星座與差分GPS 基準(zhǔn)站構(gòu)成海面測(cè)量基準(zhǔn)控制網(wǎng),利用水下水聲定位的測(cè)量基線,空間后方交會(huì)即可確定水下載體的位置信息。同時(shí),數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與水下數(shù)據(jù)通訊模塊完成信息

 

1 GPS 水下立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)總體構(gòu)成

傳遞,實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航的作用。

 

2 定位原理概述

 

GPS 水上定位和超聲波水下定位是水下用戶定位的兩個(gè)基本過(guò)程。

 

2.1 GPS 水上定位原理介紹

 

2.1.1 時(shí)間測(cè)距方式

 

設(shè)置一個(gè)衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)正在傳輸中。測(cè)距信號(hào)的定時(shí)由衛(wèi)星上的一個(gè)時(shí)鐘操作完成,用一個(gè)記為有效的內(nèi)部同步時(shí)鐘與星座每顆衛(wèi)星的GPS 系統(tǒng)的其他時(shí)鐘尺度同步。給用戶接收機(jī)也設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘,并令該時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)間一致。嵌入在衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)中的定時(shí)信息,傳遞給接收機(jī),使其能準(zhǔn)確計(jì)算出信號(hào)何時(shí)離開衛(wèi)星,據(jù)此可以計(jì)算出由衛(wèi)星傳至用戶所需的時(shí)間t,這樣衛(wèi)星至用戶的距離R 便可以計(jì)算出來(lái),即為R=t* 光速。最終用戶被定位于以該衛(wèi)星為中心的球面上的一個(gè)地方。可以想象若同時(shí)對(duì)三顆衛(wèi)星執(zhí)行上面的測(cè)距過(guò)程,這樣用戶會(huì)被定位在三個(gè)球面上,最終可以獲得兩個(gè)點(diǎn)。然而,這兩個(gè)點(diǎn)中只有一個(gè)代表了用戶的準(zhǔn)確位置。通過(guò)分析可知,球面上的近地點(diǎn)被認(rèn)為是用戶的真實(shí)位置。

 

2.1.2 衛(wèi)星與用戶間距離的確定

 

用戶接收機(jī)相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置及方向用矢量u 表示,用戶到衛(wèi)星的偏移矢量用r 表示,衛(wèi)星相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置用矢量s 表示,s 可由衛(wèi)星廣播的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。Xu,YuZu 代表用戶坐標(biāo), 是未知數(shù)。Xs,Ys,Zs 是衛(wèi)星坐標(biāo),是已知的。

 

其中,衛(wèi)星到用戶的偏移矢量可由衛(wèi)星相對(duì)于原點(diǎn)的位置與用戶相對(duì)于原點(diǎn)的位置求得。

 

即,r=s u (1)

 

矢量r 的大小為:r=s u(2)

 

接收機(jī)時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間的偏差用Tu 表示,衛(wèi)星時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間的偏差用δT 表示,c 代表為光速,ΔT 代表傳播時(shí)間。

 

據(jù)此,可計(jì)算用戶至衛(wèi)星的幾何距離r,即r=cΔT (3)

 

由于誤差的存在,可計(jì)算出偽距ρ, 即ρ= r + c(Tu - δT) (4)

 

2.1.3 計(jì)算用戶位置

 

根據(jù)上述內(nèi)容計(jì)算,可得到如下方程組:ρi=(Xi Xu)+(Yi Yu)+(Zi Zu)+CTu;i=1,2,3,4 (5)

 

其中,Xu,Yu,Zu,Tu 均為未知量。將已知數(shù)值帶入公式計(jì)算,水面GPS 浮標(biāo)的位置就可以被計(jì)算出來(lái)。

 

2.2 水下定位原理介紹

 

超聲波是指振動(dòng)頻率高于20kHz 的聲波,基于聲波能夠在水下傳播這一原理,超聲波常被用來(lái)作為水下定位的方法之一。超聲波由于其方向性和反射性較強(qiáng)以及功率較大的特點(diǎn),得到了社會(huì)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的一致認(rèn)可和普遍應(yīng)用,尤其是在聲納、超聲波魚群探測(cè)儀等方面的研究更加廣泛。本文介紹的是超聲波應(yīng)用于水下定位技術(shù),將GPS 浮標(biāo)的位置通過(guò)超聲波技術(shù)傳送給水下用戶,最終用戶的確切位置可通過(guò)GPS 定位原理計(jì)算得到。

 

3 誤差分析

 

3.1 GPS 誤差對(duì)精度影響

 

誤差對(duì)測(cè)量的精度存在很大的影響,在分析之前我們首先要作出一定假設(shè),將由于各種因素導(dǎo)致的誤差統(tǒng)一歸于衛(wèi)星的偽距之中。用戶等效距離誤差(UERE) 就是偽距值的真實(shí)精度,對(duì)于給定的一顆衛(wèi)星而言,每一個(gè)與此衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)的誤差與UERE 都息息相關(guān),也就是說(shuō)UERE 是所有誤差所產(chǎn)生的影響的總和。位置/ 時(shí)間的精度由偽距誤差因子與幾何因子的幾何乘積來(lái)確定。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上, 可以將偽距誤差因子視為衛(wèi)星的UERE。幾何因子就是影響GPS 定位精度的衛(wèi)星或用戶的幾何布局的幾何精度,表示幾何布局對(duì)誤差精度影響的大小。幾何因子越大則影響越大,反之則較小。

 

3.2 水下定位誤差的分析

 

由實(shí)際探測(cè)可知,當(dāng)水面浮標(biāo)與水下用戶接收機(jī)的距離為L,,信號(hào)發(fā)射與接收的時(shí)間間隔為t,聲速為v 時(shí)有:

 

L= vt (6)

 

對(duì)式(6) 兩邊同時(shí)進(jìn)行微分計(jì)算,得

 

dL=tdv+vdt, (7)

 

由上式可以看出,定位精度與時(shí)間和聲速密切相關(guān)。在此將v 看作常量,則式(7)可寫作

 

dL=vdt=v f (8)

 

水下部分聲波分辨率由于受到海水干擾速度較低,又由于聲波在海水中傳播的速度相對(duì)較快,經(jīng)計(jì)算可知水下誤差僅為0.15 m。但是由于各GPS 浮標(biāo)之間互不相關(guān),故總誤差應(yīng)該用總平方和的平方根來(lái)計(jì)算。將數(shù)據(jù)代入可得水下定位的平均誤差約為0.3m。

 

3.3 組合系統(tǒng)總誤差分析

 

水上受氣候影響產(chǎn)生誤差、水深變化產(chǎn)生的誤差以及不同溫度對(duì)聲速產(chǎn)生的誤差等都會(huì)對(duì)最終的定位結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,這就是我們常說(shuō)的系統(tǒng)誤差。本文主要是對(duì)GPS 水下定位的系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析,故僅進(jìn)行大體誤差分析,并沒有對(duì)上述自然因素等誤差源做系統(tǒng)介紹。由于水面 GPS 浮標(biāo)位置的確定過(guò)程與水下用戶的確定過(guò)程互不相關(guān),因此該系統(tǒng)的誤差來(lái)源主要為GPS 差分定位模型誤差與水下定位時(shí)間測(cè)量誤差,經(jīng)綜合實(shí)驗(yàn)確定σ 總=4.51m

 

4 總結(jié)與展望

 

本文以超聲波水下定位原理為基礎(chǔ),研究并探討了GPS 差分定位的原理,并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的水下定位方法,即采用GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星的方法實(shí)現(xiàn)精確定位。介紹了衛(wèi)星GPS 定位的具體方法與實(shí)現(xiàn)途徑,并分析計(jì)算了定位過(guò)程中的總體誤差。計(jì)算結(jié)果顯示定位誤差在允許的范圍內(nèi),證明了該方法的可行性,同時(shí)也為以后GPS 在海洋相對(duì)定位方面的應(yīng)用提供了一種借鑒方法。

 

【參考文獻(xiàn)】

 

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[4] 田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù).長(zhǎng)沙: 國(guó)防工業(yè)出版社,2007

 

[5] 梁開龍.水下地形測(cè)量.測(cè)繪出版社,1995

 

[6] 葉長(zhǎng)久, 劉家偉, 海道測(cè)量學(xué).海潮出版社,1993

 

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