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《辽宁工程技术大学》 2007年
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差分GPS水下定位系统集成关键技术研究

蔡艳辉  
【摘要】: 全球卫星定位系统(GPS)实现了全球开阔陆地、海面和外部空间的定位导航,由于无线电波信号不能够在海水中传播,对于广大的湖泊、海洋水下空间,却不能够直接使用。由于声波信号在水中具有很好的传播特性,将GPS技术和声纳技术进行集成,实现GPS技术的水下扩展,完成广大的海洋水下空间具有和陆地一样的GPS定位导航功能,就是“水下GPS系统”的主要指导思想。 水下GPS定位系统就是基于差分GPS技术的水面可变长基线定位系统。通过多个GPS智能浮标在水面构成水面长基线网,实时检测水下目标的定位信号和测量其到达浮标的时间,实现系统的定位。系统包括差分GPS参考站、GPS智能浮标、水下收发机和船基控制中心四部分。差分GPS参考站主要提供GPS差分信号,实现GPS实时精密动态测量。GPS智能浮标通过将水上GPS系统和水下声纳系统进行集成,实现浮标精密位置测量、水声信号的检测和延时测量、浮标姿态测量、超短基线水声校正、无线电数据通讯等功能。水下收发机主要完成水声定位信号的生成和发射、控制中心的命令、定位结果信息的接收等。船基控制中心主要完成系统观测数据的接收、记录,监视和控制系统的工作状态,计算水下目标的空间位置。本文基于水下GPS定位系统的基本框架,对系统集成中的几个关键技术进行了详细讨论: 1.系统的集成的总体方案 常规的水下定位系统包括超短基线定位系统、短基线定位系统、长基线定位系统。本文采用了基于长基线双曲线定位的总体方案。基于长基线的双曲线定位算法设计减少了水下声纳系统的复杂度,同时简化了GPS接收机与水下声纳系统的基本接口。 2.基于DGPS技术水面虚拟长基线组成 通过GPS-RTK技术可以实现实时厘米级的浮标动态定位,对于米级定位系统解算可以认为是没有误差。但是由于同一个水声信号到达不同的浮标的时间是不一样的,参与系统定位解算的水面基线实际上是非同时的虚拟基线。本文提出了基于两步缓冲的同步数据提取算法可以很好的实现从各个浮标的水声信号中搜索同步的观测,并构成虚拟水面基线网。同时证明了基于双曲线定位模型实际隐含了GPS坐标差分算法。 3.基于GPS时间系统的时间测量 系统的基本观测量是水声信号到达浮标的时间,通过测量不同浮标接收水声信号时间计算水下目标到达不同浮标的距离差值。要测量时间差值,必须要求各个浮标系统的时钟严格同步,本文采用了基于GPS时间系统的浮标时钟同步,同时通过GPS接收机的1PPS脉冲校正延时测量漂移,实现精密的时间测量方法。 4.系统的定位数学模型分析 基于双曲线观测的定位模型是系统的基本原理,本文对该数学模型的求解进行了详细分析,对于四枚浮标的系统,本文给出了了迭代算法和解析算法求解的推导,同时对于多余四枚浮标的系统,本文给出了最小二乘算法求解推导。由于双曲线定位算法是非全局收敛的算法,本文提出的基于解析算法用于求解初值可以大大避免系统的发散。另外,由于声速在海水中的跃层问题,本文还给出了顾及平均声速的双曲线定位模型解算算法。同时对于给定的声速剖面,本文还提出了一种基于射线声学的水下定位求解算法。 5.系统的误差分析 实现水下的精密定位,需要分析影响系统定位的各种因素。本文提出了基于极坐标系统的双曲线定位分析方法。并以此详细推导了水面基线误差、网形对定位结果的误差分析公式和距离观测误差对定位结果的误差分析公式。另外还对多与四枚浮标的基线网络提出了基于双曲线最小二乘的PDOP值区域分析方法。通过该方法可以计算任意水面基线网形的不稳定区域和收敛区域。 6.系统工作软件开发 系统工作软件主要完成系统的状态监视、数据记录和备份、定位解算和命令控制等。本文采用了基于面向对象思想设计了系统的基本数据结构,采用多线程、多层次架构设计软件框架。提出了基于队列数据结构的多通道浮标数据的分离算法解决多浮标并行工作数据通讯问题。 最后,本文结合千岛湖、南海和抚仙湖三次综合试验,对系统工作的功能、稳定性、动态、静态定位精度进行详细讨论,数据结果表明本文提出的方法可行、合理,系统的性能优良。
【学位授予单位】:辽宁工程技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P228.4

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