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单浮标拖缆监测的水下GPS定位技术

2022-03-26 09:36:41


摘 要

针对目前国内外水下GPS定位技术的应用特点,该文提出了一种基于单浮标拖缆监测的水下GPS定位技术。此技术包含GPS智能浮标、拖缆和监测系统3个主要部分。监测系统采集拖缆的形态数据传送到GPS智能浮标;浮标结合自身GPS坐标计算水下被跟踪目标位置。给出了定位计算的数学方法,即以拖缆监测数据为基础,利用三次样条插值原理求拖缆线型曲线方程,得到水下目标位置。对40 m 长拖缆实例进行了计算,验证了其理论可行性。此定位技术的主要特点是不受水域范围限制且具备一定的定位精度和可靠性。


引用格式

引用格式:席勇辉.单浮标拖缆监测的水下GPS 定位技术[J].测绘科学,2016,41(10):10-13,34.


正文

近年来,随着GPS 技术的发展以及传统声学水下定位技术的局限性,将GPS 技术应用于水下定位成为海洋测控领域的重要研究方向。欧美许多国家从1994年开始陆续开发了集通信、水声定位和卫星导航定位技术于一身的水下GPS 定位系统。特别是基于多浮标声学定位的水下GPS系统技术成熟并已成功商业化。我国由“863”计划资助的首套水下GPS高精度定位导航系统在2004年研制成功。

目前水下GPS应用系统从工作原理上分主要有两种:基于GPS 浮标网络的长基线水下定位系统和基于单个GPS 浮标的水下相对定位系统。第一种系统,其在应用时要事先在跟踪水域范围布设3~4个GIB 模块,并安排水面船舶在附近保障测试任务, 因此不仅作业区域有限, 且工序繁琐、成本高。第二种定位系统采用水下目标拖曳单个GIB 的方式,突破了作业区域的限制,能在大范围海域对水下目标进行跟踪定位。该系统中水下目标与GIB 模块间相对位置的获取有两种方法:一种是在GIB 和水下目标上分别装载超短基线阵和水声换能器进行水声定位,该方法目前主要用于对定位精度不是很高的情况(如水下潜艇的自身定位);另一种是根据水动力参数等信息计算拖缆形态并得到水下目标位置,此方法不需要水声设备配合定位, 成本低, 但只有在水下目标稳定航行时才能有效定位, 且由于复杂的海洋环境, 并不能保证理论计算的准确性。

本文在单个GPS浮标水下定位系统的基础上,提出一种利用拖缆形态监测来获取目标位置的水下GPS定位技术。其特点是成本低、运行维护简单、抗干扰能力强, 且能够验证和校准系统测试精度,保证坐标定位的准确性。

1 系统构成和技术原理

目前水下GPS对被跟踪目标的定位过程包括两个部分:水面GIB 浮标的GPS定位和水下目标相对位置信息的获取。当采用单个GIB 时,获取水下目标与GIB 间的相对位置信息可采用超短基线水声定位方法,或由连接浮标与水下目标的拖缆的形态进行计算得到。用理论方法计算拖缆形态需要根据拖缆的流体动力特性, 结合拖缆自身的重力、张力和求解边界条件等解算平衡方程。此方法要求水下目标在定深下保持一定速度稳定航行,才能保证理想的求解条件,并且拖缆在复杂的海洋(或湖泊)环境下其水动力计算存在较大误差。理论方法的具体求解过程参见文献[12-14]。

2 定位数学模型

3 算例分析

4 结束语

与现有水下GPS 技术方法比较,本文给出的在拖缆上布置传感器实时监测并计算得到拖缆形态的方法,只需要较小的布置和维护成本, 对环境的适应性强, 不受水域广度限制, 并且可在陆上对系统进行校准,保证测量和定位的准确度。求解拖缆曲线函数来计算水下目标位置时,可根据拖缆线型的具体情况选取合适的边界条件,如顶点处曲线方程二次导数的取值等。当水下目标在水平面内做曲线运动时,拖缆线型将呈三维曲线状态,其曲线方程的求解需要结合监测点方向罗盘测得的数据。限于篇幅,本文只论述了简单拖缆曲线计算情况的水下GPS技术,未对以上内容进行分析和阐述。

用程序计算的结果表明,在对曲线长度积分计算时会产生较大计算量,若监测点较多则会消耗大量计算时间。研究更高效的算法,降低计算时间以满足实时监测需求,是以后要解决的问题。利用监测点的深度信息对曲线方程参数进行修正,可以增加插值函数对真实线型模拟的相似程度,提高水下目标位置计算的精度,这也是后续工作可进一步开展的内容。

2016年第10期目次

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