差分GPS水下定位系统集成关键技术研究

摘要：本文详细的介绍了差分GPS水下定位系统集成关键技术如实时性效果好的虚拟长度的基线测量和水声推迟和系统时钟同步测量等技术，并对这些技术进行的详细的分析他们是如何对差分GPS水下定位系统造成影响的。

关键词：GPS;双曲线模型；水下定位系统

差分GPS水下定位系统集成关键技术指长度可以改变的水面漂浮基线定位系统。用于该系统的主要技术有如下几种：

1. 实时性效果好的虚拟长度的基线测量：

用于水面下的GPS定位系统，由于水面浮标的位置是固定的，因此可以通过利用水面浮标搭建一个水面基准平面，在利用此系统之前，需要对水面的浮标做个精准的测量，保证水面附表的精准坐标，这个工作是保证GPS定位系统可以正常工作的基础。由于科技技术的告诉发展，现在通过GPS-RTX技术可以达到精度在厘米计以上，对于水下定位的GPS定位系统而言，我们可以认为该系统是个没有误差的已知点。而对于该项系统来说，我们实际上采用了两个以上的不同的虚拟坐标基准线。根据每个浮标接收到水里的水声信号的时间不同，且由于浮标在水上面也是不停的移动，因此虚拟的水面基准平面实际上是利用不同的浮标接收到水下面的水声信号的时间点对应得位置来建立对应得基准平面。

2. 水声推迟和系统时钟同步测量

GPS系统设计的关键技术是系统时钟具有高精度的同步。GPS系统通过单方向的主动定位方法来保证实时的定位水下的物体具体坐标。单方向的主动定位方法也就是通过水下面的目标发送信号，而在水上面的浮标接收刚刚发射的水声定位信号，系统记下不同浮标接收到水声信号的时间点，然后利用已经编写好的程序，建立相应的模型对水下面的物体进行定位。根据以上分析知，时钟同步技术对于保证GPS系统精度相当的关键。假如每个浮标的是时钟不是在同一时刻，则系统建立的虚拟基线将出现误差，因而系统计算信号到达的时间也将出现误差。

3. 系统建立定位数学模型

GPS系统通过编写相应的程序，利用双曲线的性质，建立双曲线定位水下目标模型来搭建系统的定位模型。双曲线定位模型具有存在奇点的不同全局的特点，且双曲线定位模型反应快速，稳定，实时效果好。但是如何才能搭建好相应的双曲线定位模型一直困扰着很多学者，即使搭建了模型，因为现有水平的限制，往往搭建的系统的稳定性并不是特别的好。因而如何才能在现有的技术水平下搭建一个稳定的双曲线模型也是保证系统正常工作的关键技术。

4. GPS系统随机误差跟系统误差分析

GPS水下定位系统误差包括两种，即水面建立基准线带来的误差和水下测量目标带来的误差。通过分析GPS水下定位系统建立的双曲线定位模型的误差和各种测距的环境因素带来对测距和定位精度的影响，结合所有的影响因子对测距误差的影响过程，调整系统的模型和相应的参数，可以在一定程度上改变系统的定位精度，提高GPS水下定位系统的测距精度和稳定性。

GPS水下系统有GPS测量误差、浮标在水面的不同位置带来的测量误差、声音在水下传播带来的测量误差、声线变形误差等几种。其中水面基准线的误差是由于GPS测量误差和浮标在水面不同位置跟形状引起的。而水里面的目标的测量误差则是声音在水下传播速度变化带来的

5. 声音在不同介质层的传播问题

声音在水水中传播速度作为GPS水下定位系统中测距的固定量，但是声音在不同的含盐量的水中传播速度不同，且即使是在同一种含盐量的水中，由于海水温度的时刻改变和海水不同深度下的压力不同，声音在水中传播的速度也是不同的。因而要精确的对声音在海水中的传播速度给出具体的测量值具有很大的难度。因此要消除声音在海水中的传播速度带来的误差基本上是不可能的，因而要很精确的对水下的物体做出精准的定位也有一定的难度。因而如何构建一个实时性效果好的系统及时的测量声波在海水中的测量速度，最大限度的减小因为声速带来的误差也是GPS水下定位系统应该考虑的问题。

7. 准确及时的水声信号接收系统

由于检测环境的多样性，水下目标的信号可以通过多种办法传递给GPS水下定位系统的接收端，而且由于海水中噪声场的时刻变化也会给GPS水下定位系统接收定位信号带来困难，因而如何才能高效的接收到定位信号，避免定位信号的漏接，或者接收到错误的定位信号，都是保证GPS水下定位系统准确运行的前提。

8. 多通道同时进行无线电数据通信

    因为水面上的多个GPS浮标是同时工作的，因而当GPS浮标接收到信号时都需要及时反馈接收到的信号给GPS水下定位系统，因而采用并行的通信方式可以保证GPS水下定位系统在同一时刻及时的接收到多个GPS浮标信号，做到不遗漏任何一个多个GPS浮标信号。

9. GPS水下定位系统软件系统集成

 GPS水下定位系统采用两个基地同时主动的并行工作的方式，水下的目标物

体的定位是在船体的控制中心进行处理计算的，船体的控制中心不仅需要时刻检测系统的每个部分的工作情况，还要及时处理浮标反馈回来的信号，通过程序计算出水下目标的具体位置，并通过串口或者CAN总线等方式进行数据通信。船体上的控制中心控制船体上的所有的工作，因而软件集成的高效性和稳定性在一定程度上影响到GPS水下定位系统的稳定性。

参考文献

[1]蔡艳辉. 差分GPS水下定位系统集成关键技术研究[D].辽宁工程技术大学.2007

[2]蔡艳辉，GPS 动态定位—精密单点定位和整周模糊度搜索方法研究，中国测绘科学研究院硕士论文，2003，

[3]喻国荣，基于移动参考站的 GPS 动态相对定位算法研究，武汉大学博士论文，2003

[4]蔡艳辉，章传银，王泽民等，差分 GPS 水下立体定位系统浮标姿态测量, 测绘科学，2005(30)

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