GPS水下定位.pdf

第11 卷 第 31 期 2011 年 11 月 1671—1815( 2011) 31-7754-04 科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and Engineering Vol. 11 No. 31 Nov． 2011 ? 2011 Sci. Tech. Engrg. 檲檲檲檲檲檲 檲 檲 檲檲檲檲檲檲 檲 檲 殘 殘 殘 殘 研究简报 地球科学 一种基于 GPS 实现水下定位的有效方法 陈逸伦 ( 中国科学技术大学少年班学院 ， 合肥 230026) 摘 要 针对水下目标的定位需求 ， 在探讨 GPS 定位原理和水下超声定位原理基础上 ， 提出了一种基于 GPS 实现水下定位的 实现方法 。 给出了该方法的工作原理和具体工作过程 。 通过分析和计算 GPS 定位误差 、 水下定位误差 ， 得到了这种定位方法 的总体误差 。 分析和计算结果表明基于 GPS 实现水下定位的设想可能具有一定的实用价值 。 关键词 水下定位 误差分析 GPS 中图法分类号 P228． 4; 文献标志码 A 2011 年 8 月 1 日收到 ，8 月 23 日修改 作者简介 : 陈逸伦 ( 1995—) ， 男 ， 陕西西安人 ， 研究方向 : 地球空间 科学 。E-mail: cyl1995@ mail． ustc． edu． cn。 在水下定位技术方面 ， 目前普遍使用长基线 、 短基线和超短基线等水下声定位系统 。 但由于这 些系统在布设 、 校准和维护等方面都比较困难 ， 费 时耗资 ， 灵活性差 ， 不能机动 ， 作用范围有限 ， 无法 满足水下航行器的导航 、 以及高精度水下绝对定位 的要求 ［1］ 。 惯性导航系统 ( INS， 以下简称惯导 ) 是 一种不依赖于外部信息 、 也不向外部辐射能量的自 主式导航系统 。 但是也存在以下缺点 : ( 1 ) 定位误 差随时间而增大 ， 长期精度差 ; ( 2) 每次使用之前需 要较长的初始对准时间 ; ( 3 ) 设备的价格较昂贵 。 法国 ASCA 公司开发了全球第一套水下 GPS 目标 跟踪系统用于水雷对抗 、 水下搜救和水下哑弹爆 破 ， 近期又利用该项技术进行海洋水下导弹试验和 水下军事平台建设 。 文献 ［2］ 提出了一种基于 GPS 的水下高精度立体定位导航系统 ， 主要对系统组 成 、 主要功能和应用前景进行了介绍 ， 但未对系统 的总体误差进行分析 。 本文在探讨 GPS 定位原理和水下超声定位原 理基础上 ， 将文献 ［2］ 给出的系统进行简化 ， 提出了 一种基于 GPS 导航卫星实现水下定位的实现方法 ， 通过分析 GPS 定位误差 ， 以及水下定位误差 ， 得到 了这种定位方法的总体误差 ， 证明了这种方法的有 效性 。 1 系统总体构成 1． 1 卫星导航系统现状 目前 ， 主要的卫星定位系统有美国的 GPS、 俄罗 斯的 GLONASS、 欧洲的 GALILEO 和中国的北斗卫 星导航系统 。 GPS 是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合 研制的新一代空间卫星导航定位系统 。 其主要目 的是为陆 、 海 、 空三大领域提供实时 、 全天候和全球 性的导航服务 ， 并用于情报收集 、 核爆监测和应急 通讯等军事目的 。 到 1994 年 3 月 ， 全球覆盖率高达 98% 的 24 颗 GPS 卫星星座即已布设完成 。 GLONASS 系统由 24 颗卫星组成 ， 精度在 10 m 左右 ， 军民两用 ， 设计到 2009 年底服务范围拓展到 全球 。 GALILEO 系统是欧盟一个正在建造中的卫星 定位系统 ， 它的基本服务有导航 、 定位 、 授时 ， 特殊 服务有有哪些信誉好的足球投注网站与救援 ， 将从 2014 年起投入运营 。 北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发 展 、 独立运行的全球卫星导航系统 ， 已成功发射九 颗北斗导航卫星 。 预计在 2012 年建成区域性导航 系统 ， 在 2020 年左右建成全球卫星导航系统 。 上述卫星系统均能够成为基于导航卫星实现 水下定位的天基部分 ， 但就目前各系统的可用性 ， 以及相关设备使用的普及型而言 ，GPS 导航系统是 其中佼佼者 。 因此 ， 本文立足 GPS 系统构建一个水 下定位系统 。 1． 2 基于 GPS 水下定位系统组成 系统主要由 GPS 卫星星座 、 水上 GPS 浮标 、 安 装于水下用户的超声波接收器组成 。 其中 ， 水上 GPS 浮标安装有 GPS 接收机和超声波信号发生器 。 系统具体结构如图 1 所示 : 图 1 系统结构示意图 系统工作时 ， 水面 GPS 浮标通过接收 GPS 信号 进行精密定位 ， 获取准确位置 ， 同时作为水下用户 的定位信号源