水下GPS定位技术应用研究

伏天淑+卞盼盼+王英刚+周立

（1.淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222001；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221000）

摘要：传统的水下定位系统在布设、维护、回收等方面都存在较大困难，水下GPS定位系统可将水上GPS定位向水下拓展的定位系统，通过GPS定位和水声定位相组合，可实现灵活、高精度定位，为水下目标提供精准位置信息。

关键词：水下定位；GPS浮标；基线

1、水下GPS定位技术发展

1.1 国外水下GPS定位技术发展

早在1989年，就有人提出了将长基线阵从水底搬到水面上的想法，建立浮标式水面长基线系统，该构想为浮标定位系统奠定了基础，但当时的GPS系统还正在建设中，无法对浮动的浮标进行高精度实时定位。美国的James Youngberg在1992年初次提出水下GPS的构想。随后H.THOMAS在1994年发表了“基于水面浮标的先进水下导航技术”一文，文中阐述了使用水下GPS的不同途径，并提出另外一种水声测量方，通过水下目标向水面浮标发射定位信号，水面浮标接收到水下信号后可进行位置解算，该方法具有很高的灵活性。1995年，法国ACSA公司研发了第一套GPS智能浮标并海试成功，其定位精度可达1-10m。2001年，该公司为美国海军开发了全球第一套水下GPS目标跟踪系统，对水下哑弹爆破、水雷对抗和水下搜救等任务起到很大作用。另外，德的国Arstech公司在2002年也研发了具有类似功能的GPS浮标阵水下定位系统。

1.2 国内水下GPS定位技术

在“十一五”計划的支持下，我国成功研发了国内首套水下GPS高精度定位导航系统，该系统可实现从水上和水下对目标进行定位、跟踪，但缺点是系统没有高度原子钟并且没有声线补偿。随后有人提出GPS定位与水声定位组合的水下定位系统，该系统以系缆浮标作为中继站，该系统可使水下目标在潜深状态就可直接校准惯性导航系统，其测量精度可达到GPS水上定位同一量级；文献[1]提出一种GPS定位与相对水声定位系统相组合的水声定位标校系统，该系统可为海上基准点提供精确大地坐标。总体来说，我国在水下定位技术方面无论是在测量精度，还是水下自动化程度都超过了国外水下GPS系统，研究成果也达到国际领先水平。

2 水下GPS定位模型

以往对浮标基元的定位必须搭载具有测相和测距的的相关设备，耗电大、精度不高，水下目标定位精度较差。而将GPS应用到水下定位，将安装有GPS接收机的浮标作为基元获取自身位置信息，通过球面或者双曲面算法实时解算水下目标位置。按照工作原理水下GPS定位系统分为两种：基于单个GPS浮标的水下相对定位系统和基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统，与此对应也有两种定位模型。

2.1 基于单个GPS浮标的水下相对定位模型

该定位模型工作方式为水下目标拖拽单个智能浮标（GIB），工作灵活且范围广[2]。测量浮标到达水下目标距离是在智能浮标和水下目标上分别安装基线阵和和水听器，集成GPS定位原理与水声相对定位（短基线或超短基线定位）原理，水下相对定位系统大多以采用超短基线为主。该种模型可达到水面GPS定位同一量级。系统工作模型如图1。

系统由搭载GPS接收机的浮体、系缆、水声发射机和安装有基线阵的水下目标组成。GPS接收机获得浮标位置数据，通过系缆将浮标的位置、时间信息等数据实时传送给水下目标，同时水下目标利用基线阵实时测得目标到浮标的相对位置，结合浮标的GPS定位数据解算出目标绝对位置，从而实现对水下目标的GPS定位。

2.2 基于GPS浮标网络的长基线水下定位模型

系统主要由GPS浮标阵、水下导航收发机、监测基站、水上无线电通信链路和水下水声通信链路组成。该系统实际上可看成将水下长基线定位系统搬到水面上，各系统采用无线连接，水下采用水声通信链路，水上采用无线电通信链路。水面浮标可看成GPS卫星，水声信号可看成GPS无线电信号各浮标基元由其自身安装的GPS接收机获取位置，无需矫正。再通过水声测量技术得到水下目标到各个浮标基元的距离，然后将相关数据通过无线数据链路发送给监测基站进行解算。该系统系统工作模型如图2。

当系统工作时，监测基站将GPS浮标按照一定阵型投放到指定海域。浮标基元通过GPS进行自身定位，并测量出各个浮标基元到达水下目标的距离，将上述两种数据通过无线链路发送至监测基站进行解算。

结语：与传统水下定位系统相比，水下GPS定位系统可以较好的满足高精度海洋活动的需求。系统精度主要依赖于高精度浮标定位技术、同步控制和实时定位解算，各国都在加紧对以上关键技术的的研究并已经在基元阵型设计、数据传输等方面取得些成果。今后的水下GPS定位系统将会向操作性强，精度高、作用范围大的新一代水下定位系统发展。

参考文献

[1] 刘百峰. 浮标式短基线定位系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[2] 张加全，刘明雍，李闻白. 一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法[J]. 鱼雷技术，2010，18（2）：123-127.