水下和海底大地坐标的精确测量

文章编号:1009-671X(2003)09-0019-03

水下和海底大地坐标的精确测量

张 炜1,王大成2

(1.中国人民解放军91550部队,辽宁大连 116000;2.哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)摘 要:潜艇水下高精度定位,长期以来一直是水下导航定位领域的一个难题.为了解决潜艇在水下长时间航行过程中的高精度定位问题,提出了一种比较实用的解决方案.该方案构建了由DGPS 定位和水声定位相结合的水下定位系统.系统采用系缆浮筏作为潜艇,利用DGPS 进行水下定位的中继站,利用水声相对定位技术将DGPS 水面定位向水下延伸,使潜艇在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标.系统将DGPS 的优良性能与超短基线在水下定位中的优势很好地结合在一起,其定位精度可以保证与DGPS 水面定位精度在同一量级.关 键 词:DGP S;高精度;水下定位中图分类号:T B568 文献标识码:A

Precision measurement of coordinates of underwater and sea bed

ZHANG Wei 1,WANG Da cheng 2

(1.T he Chinese Peo ple s Liberation Army No.91550,Dalian 116000,China;2.School of U nder water Acoust ic Engineer ing ,Harbin Eng ineering U niversity ,Har bin 150001,China)

Abstract:For a long time,high precision positioning for underw ater submarine has been a difficult problem in the field of underw ater navigation and positioning.The traditional positioning for submarine depends on inertial navigation system (INS).But the positioning error of INS accumulates along w ith time.In order to solve the problem of high precision positioning for underw ater subm arine,this paper proposed a relatively practical scheme.T his scheme constructs an underw ater positioning system based on the combination of DG PS and acoustical positioning.This method makes use of acoustical relative positioning technique for ex tend ing the DGPS positioning technique for surface applications to underw ater cases.With this positioning sys tem ,the submarine can directly get its long itude and latitude,and the positioning precision can ensure the same level as the surface application cases of DGPS.

Key words:DGPS;high precision;underwater positioning 大地坐标点的测量有两种工作状态需要考虑.第一,水中和海底运动目标大地坐标的实时测量.这在ROV 、水下机器人等的水下作业和潜艇、潜器、水下无人作战平台等军事武备水下实验过程中是经常遇到的.第二,固设于海底处的大地测量控制点坐标的测量.这是被称为 海洋大地测量!任务的一项基础性工作[1],它对于潜艇水下航行、各种水下作业、海底地图测绘等有重要作用.

近年来,由于差分式全球定位系统(DGPS)和高精度水声定位技术的飞速发展,为水下以及海底高精度大地坐标的精确测量提供了更先进的技术手段.尤其是国家海事局在北起大三山、南至防城和三亚港,沿整个海岸线建成的包括总计有20个差分站组成的RBN/DGPS 系统,使无线电差分信号有效地覆盖了我国以海岸为基线的大约300km 的水域范围.再加上美国出于自身商业利益的考虑,取消了C/A 码上的精度干扰,使得DGPS 系统的应用更加方便和有效.

近年来国内外的水声定位技术不断发展,定位精度不断提高,轻便易用的超短基线水声定位系统(USBL 系统)原有的相位模糊(目标定位位置跳象限)、在与基阵面垂直向下的方向和水平方向存在低精度区等缺点,已被克服,加上采用一系列的近代信号处理技术,使USBL 系统能以稳定的高精度测量结果参与水下或海底点坐标测量系统[2,5].

收稿日期:2002-06-28.

作者简介:张 炜(1961-),男,工程师,主要研究方向:测控技术.

第30卷第9期 应 用 科 技 Vol.30,?.92003年9月 Applied Science and Technology Sep.2003

1 DGPS U SBLS联合水下定位系统

差分式全球卫星定位系统(DGPS)和超短基线水声定位系统(UBSLS)组成的测量系统可以有效地解决水下和海底目标的高精度定位问题.系统的构成,简而言之,就是用安装在舰船、浮标、浮筏上的DGPS接收机,测量其天线所在位置的精确大地坐标、用安装在上述载体上的U SBLS 系统,测量安装在水下被测大地点或被测目标上的声信标在载体坐标系中的位置,经过坐标转换可以获得被测点或目标的大地坐标.

对于潜艇、潜器、水下无人作战平台等运动目标,更重要的是运动物体对自身大地坐标的精确掌握.这时系统配置需要倒置,即将USBL系统安装在水下运动物体上,可以利用已经安装在海洋大地测量控制点上的编码声信标定位.而对于一些小水域工作的情况,通过武器试验系统,可以利用安装在船上、浮筏上、浮标上的信标定位,同时利用水声通信或电缆传输将其DGPS的大地坐标传送到水下运动物体中,从而解决水下物体的绝对位置测量问题.现有试验系统表明,在一定条件下这是解决水下运动物体位置测量的有效手段.

2 DGPS#水声测距联合水下定位系统[3,4]

水声测距与水声定位不是一件事,定位!一般是指在利用多个基元测量目标#基元的斜距的基础上进行球面或双曲面交汇解算,确定目标坐标的过程.而水声测距仅仅是斜距的测量,其精度仅取决于信号的传输时间和声速的测量误差,因此可以获得很高的测量精度.这为高精度海底大地测量点的高精度定位提供了可能.

传统做法为最小距离法[1],即定标船在水底声信标上方航行,以最小距离作为目标深度,进而可以根据船位估计水平参数.

在实践中的作法是,简单地在水面以任意曲线绕信标航行一圈(如图1).在航行中不断与信标应答(或同步定时)测距得r(t i),i=1,2?n,计算机自动记录t i时刻水面船DGPS大地坐标(X i,Y i,Z i),任取其中3点建立下列方程: (X j-x l)2+(Y j-y l)2+(Z j-z l)2=

r(t jl)2,j=1,2,3式中:(x l,y l,z l)为海底信标待测坐标,图中画出3枚信标,所以l=1,2,3.在高精度压力测深技术支持下,以平均海平面为基准的z l可以0.1%精度被精确测量.用大量测量数据对(x l,y l,z l)进行平差和拟合[3],可以获得 =1-2m的定位精度.我国渤海湾水域底形平坦,平均深度60m左右,是我国海洋石油、海洋工程、海底电缆,直至海军训练和武备试验的重要地区,有计划有步骤的建立一系列海洋大地测量控制点不但是必要的,而且也是方便可行的.如上所述的控制点的定标方法快捷、高效、精确,为固定的或临时布设的海底测量点定标提供了技术支持

.

图1 海底信标定位航迹

3 动态测量的坐标转换和姿态修正

安装在水面舰船、浮标、浮筏之上的DGPS天线被架高在载体的顶部,水声发射信标或USBLS 的声头必然安装在载体底部,二者可能有很大的垂直和水平距离(图2(a),只画出垂直距离),当载体有摇摆时,作为水声定位系统的基准点(声信标或USBLS系统声头,即基阵)与DGPS大地坐标测量基准点(DGPS天线)有很大的误差(图2(b)).所以在第2、3节中提到的2种联合定位方法面临同样的坐标转换和误差修正问题,简要说明如下.在WGS 84坐标系内,GPS系统(天线)的坐标设为[X,Y,Z],以DGPS天线中心为坐标原点,向下与舰船甲板垂直方向为z轴正向,x轴正向指向舰首,依照右手系建立空间直角坐标系,记为G-xyz.声信标中心T在此坐标系中的坐标值为(x0, y0,z0),其中z0=-1为高差.利用船上罗经和垂直参考单元测得其航向角 、纵摇角、横摇角!,大地坐标传递到水声发射换能器,设为(x,y,z),依据Karden坐标旋转规则,有

x

y z =

X

Y

H

100

0cos!sin!

0-sin!cos!

cos0sin

010

-sina0cos

cos sin 0

-sin cos 0

010

x0

y0

z0

.

%

20

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图2 舰船摇摆误差

在前述DGPS U SBLS联合定位方法中,利用U SBL定位结果及水下运动目标的方位姿态角,用完全类似的关系可将(x,y,z)传递到水下坐标,值得注意的是潜艇、潜器、无人作战平台等运动目标的定位中,由于运动目标自身的摇摆,类似的姿态修正必须同样进行.本文不予赘述.现对定位误差估计如下.

对位置精度有影响的因素是:

1)DGPS系统精度

亚米级设备,标称精度0.75m(RMS);渤海湾地区试验水域据最近基站的距离均小于100km;美国SA政策已经关闭,利用C/A码的直接定位精度提高一个数量级(从100m提高到10m);因此,DGPS系统误差可取1.5m.

2)船上罗经和垂直参考单元 、、!的测量精度.通常摇摆角&10?之内时测角精度0.1?.

3)发射水听器声学中心与DGPS天线中心之间的距离及其误差.距离可为10~30m,但是简单的机械测量误差可以忽略不计.

4)水声测距系统误差

如前所述,精度可以非常容易地达到分米级,例如,取0.15m.

5)对DGPS U SBLS联合定为方法,另有:a)水声定位系统误差:现在可以做到0.25%S,S为斜距;b)潜艇内垂直参考单元的测量精度;c)水声定位基阵在艇上安装位置的误差.

在上述参数估计范围内,根据定位作业其他条件,例如距离、海况、干扰等,可以估计定位误差的具体数值.实践证明,在渤海湾地区从较近的距离到一个中等的距离上,1~10m的定位精度是容易达到的.

4 结束语

水下目标的定位、测速、姿态等测量无论对于民用还是军用都是非常重要,但往往也相当困难的,尤其是以变化起伏很大的海洋环境为背景,测量精度的提高是困难的.近年来,91550部队与哈尔滨工程大学水声研究所合作,开发了若干海军水下武器测量实验所需的新型装备,包括本文所涉及的水下精确定位设备,为改善武备测量实验条件发挥了很好的作用.

参考文献:

[1] 李泽涛.用于AU V导航高精度定位系统研究[D].

哈尔滨:哈尔滨工程大学,1996.

[2] 丁士圻.水下目标大地坐标测量[J].海洋工程,

1996,14:1-5.

[3] 彭光宇,赵明才.海洋测量定位与计算[M].武汉:测

绘出版社,1987.

[4] ZAK NICH A.AT S:a new generation acoustic position

system[J].Sea T echnolog,1989(3):25-23.

(上接第10页)

3DSP软件的设计

DSP软件采用T I公司54系列DSP汇编语言编制,主要包括DSP的初始化,UART的初始化及中断服务子程序等.DSP接收上位机的数据采用中断方式,每当上位机串口数据到达,UART 的DR管脚会产生上跳沿,经反相后触发DSP的INT0中断,DSP在INT0的中断服务子程序中利用并行总线从UART读取数据.DSP发送数据时,直接把数据写到UART中,当数据发送完毕后,UART内部产生一标志位,DSP通过读取该标志位可以判断数据是否已经发送完毕.

4 结束语

DSP和上位机之间的通信,广泛地采用DSP +UART+电平转换+PC机模式,笔者设计的通信电路已应用到具体工程项目上,在实践中验证了这种方法的可行性与可靠性.

参考文献:

[1] 李 刚.数字信号微处理器的原理及其开发应用

[M].天津:天津大学出版社,1998.

[2] 戴明桢.T M S320C54X DSP结构、原理及应用[M].

北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[3] 范逸之.V isual Basic与R S232串行通讯控制[M].

北京:中国青年出版社,1998.

[4] 彭启琮.T M S320C54X实用教程[M].成都:电子科

技大学出版社,1999.

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第9期 张 炜,等:水下和海底大地坐标的精确测量