摘 要：本文首先介绍了水下多目标高精度定位系统的基本框架，分析了系统的各个部分的组成，然后对系统的基本数学模型进行了介绍，同时阐述了系统的基本功能。最后结合系统的试验，提出了该系统深海定位的基本精度。
关键词：水声定位；定位系统；试验分析；成果展示
DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2010.05.003“十五”期间，在国家863计划支持下，由中国测绘科学研究院和中国船舶重工集团公司第七一五研究所研制成功我国第一套水下GPS 系统，这是继美国和法国之后，我国科学家自主开发的精度更好、功能更强、自动化程度更高的水下GPS 系统。从2006年，由中国测绘科学研究院在“十五”单目标水下定位系统的基础上，继续开展了多目标水下GPS 定位系统关键技术的研究。目前，已解决水下多个目标同时要求高精度跟踪定位的关键技术问题，并通过系统集成与试验，完成了试验样机的研制。
1 多目标水下GPS 系统总体框架
深海多目标高精度定位系统的构成如图1所示，由GPS 卫星星座、差分GPS 基准站（可选）、5个或5个以上GPS 浮标、安装在水下目标或载体上的水下导航收
发机、陆基或船基数据处理与监控中心（简称数据控制中心）、水上无线电通讯链路、水下水声通讯链路组成。多个GPS 浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位系统。
1.1 定位浮标
定位浮标基本构成如图2所示，主要包括GPS 接收机、水声定位信号接收、信号处理模块、三维数字罗盘、数据无线传输模块等，主要完成以下功能：定位浮标的GPS 实时定位；水声定位信号的接收、检测、识别和时延估计；浮标姿态测量；浮标时钟同步解算；数据综合传输。
文/王 权1 蔡艳辉2 章传银2 朱祥娥2 任计庆2 徐寿志2
（1 国家测绘局，北京 100830；2 中国测绘科学研究院，北京 100039）
* 本文由国家863计划课题（2006AA09Z201）和国家自然科学基金项目（“适用于水下精密定位的全球海水声速场模
型研究”，40974008）共同资助。
中国测绘科学研究院隶属于国家测绘局，是测绘行业最大的多学科综合性研究机构。主要从事测绘及相关学科的基础研究和应用研究，目前的重点研究方向是现代大地测量与地球动力学、摄影测量与遥感、地图学与地理信息系统、空间信息决策支持信息系统。科技成果广泛应用于国土资源、人口、交通、城市规划、环境监测、重大自然灾害监测、海洋测绘以及国防建设方面，形成了独具特的技术优势和整体实力，具备承担大型科研和生产项目的能力，是国内具有影响力的科研机构。
图1 深海多目标高精度定位系统构成图
水下多目标高精度定位系统
*
1.2 水下信标机
水下信标机的构成如图3所示，它被安装在水下航
行体上，自动生成并周期性地发射高精度的水声编码定
位信号。
信标机所发射的定位信号采用相关编码技术，以解
决水下多目标的识别问题。采用高效宽带水声发射机技
术，自动生成并高效发射高精度水声定位信号，以满足
深海长距离传输的要求，提高系统的水声作用距离。
1.3 数据处理中心
数据处理中心包括一个多通道浮标接收机、一台高
速计算机和一个水声通讯系统。多通道浮标接收机实时
接收每个浮标的数据；计算机用来记录和处理各种数据；
水声通讯系统用来向水下收发机发送命令和定位结果信
息。控制中心的软件的主要功能包括监视系统的工作状
态、求解水下目标的坐标已经系统的控制等。一旦系统
出现异常，计算机就会自动发出警报，同时发送相关命
令关闭相应的系统。
2 多目标水下
GPS
定位定位原理
飞机黑匣子能记录多项关键数据2.1 双曲线定位模型
同一定位信号到达不同的浮标的行程差可以通过
测量信号达到浮标的时间差和各传播声线的平均声速求
得。这样，可以得到信标机到两个坐标已知浮标的双曲
线观测方程：
其中，为信标机到浮标1的等效直线距离，
为信标机到浮标2的等效直线距离。(x,y,z)为水下信
标机的未知坐标，(x
1
,y
1
,z
1
)和(x
2
,y
2
,z
2
)为浮标1和浮标
2的已知位置坐标，c
1
和c
2
为定位信号从信标机分别至
浮标1和浮标2的等效传播声速，t
1
和t
2
为定位信号分
别抵达浮标1和浮标2的时间，t为定位信号从信标机
发射的时间，是一个未知量。
当有5个浮标均接收到信标机发射的同一个定位信
号时，可以得到4个观测方程：
其中，(x
i
,y
i
,z
i
)(i=1,2,3,4,5)分别为5个浮标的空
间坐标，t
i
(i=1,2,3,4,5)分别为定位信号到达5个浮标
的时间，通过解析方法，由此方程组可以完整解算水下
收发机的空间坐标。
2.2 声线积分定位
基于水面可变长基线定位系统的基线是由漂浮在水
面的浮标确定的，在作业区域不是很大的条件下，可以
假定所有浮标都分布在一个平面上，该假设是进行射线
跟踪迭代求解水下目标的前提。
水平距离观测方程：
时间观测方程：
图2 水声定位浮标的构成框图
图3 水下信标机构成框图
其中，(x 1,y 1,0)、(x 2,y 2,0)、(x 3,y 3,0)、(x 4,y 4,0)分别为4枚浮标的空间坐标，(x ,y ,h )为水下目标的空间坐标。t 1、t 2、t 3、t 4分别为4枚浮标接收到水下目标发送的定位信号时刻，假设水下目标发送定位信号的时刻为t 0，声速的剖面的分辨率为
。
分别为4枚浮标的初始入射角正
弦值。
。
通过迭代求解水下目标的位置。
3 多目标水下定位系统的功能
3.1 多目标水下定位
水下信标机发射水声信号，通过测量水声信号到达的时间，计算水下目标的位置。该系统目前可以实现多个水下信标机同时定位。由于声纳信号属低频机械波信号，同时海水水声信道衰减特性的影响，水下多目标的容量将受到一定的限制，目前系统最多可以支持10～20个目标。
3.2 多目标水下跟踪
水下多目标系统本身是一个水下定位系统，数据中心在获得了各个浮标的观测数据以后，就可以实现水下目标的定位求解，相应地实现了对水下目标的跟踪。
4 试验和结论
2009年12月该系统在湖北清江隔河岩水库进行了项目的水库试验，系统采用了2个水下发射信标机，6个接收换能器面阵接收，记录水声信号，然后进行后处理，测量水声信号达到的时间。试验采用双目标，目标1信号频率为24kHz，目标2频率为25kHz。目标检测估计结果显示精度均在0.1ms 以内，通过200次的不同信干比、不同带宽与不同信噪比下的Monte-Carlo 仿真，
结果显示目标检测概率可达99%。通过对1500米深的水下目标仿真分析，结果显示该系统在2000米深海水环境，浮标覆盖范围内，平面定位精度优于3米，深度方向精度优于5米（见图
4）。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], 阜新：辽宁工程技术大学.
[2] 王权，程鹏飞，章传银，等.差分GPS 水下立体定位系统[J]，测绘科学，2006, 31（5）P18-P21.
[3] 蔡艳辉，章传银，王，等.差分GPS 水下立体定位系统浮标姿态测量[J], 测绘科学，2005，30（3）P49-P50.
[4] 蔡艳辉，程鹏飞，章传银，等. DGPS 水下立体定位系统解析求解算法[J], 测绘科学，2006，1，P41-42.
[5] 朱祥娥，王权，蔡艳辉，等．差分水下GPS 立体定位系统的迭代算法分析[J]．测绘科学，2008.33（3）.
[6] 蔡艳辉，章传银，王，等.差分GPS 水下立体定位导航系统的时间测量[J], 测绘科学，2006，2，
P25-26.
[7] 王志忠，朱建军.非线性模型中方差和协方差分量的估计[J]，测绘学报，2005，34（4），P288-P293.
[8] 吴永亭，周兴华，杨 龙.水下声学定位系统及其应用[J]，海洋测绘，2003，23（4） P17-P21.
[9] 刘淮．国外深海技术发展研究[J]．船舶工业，2006，11.
[10] 田坦．水下定位于导航技术[M]．北京：国防工业出版社，2007，9.
[11] 殷冬梅．无线电水声浮标
阵多目标跟踪定位系统[D]．哈尔滨工程大学，2003，5.
[12] 李精文，李军．GPS 水下定位的水声定位算法[J]．华东船舶工业学院学报，1998，12（5）．38-40.
[13] 王，罗建国.水下高精度立体定位导航系统[J]．声学与电子工程，2005，2.
[14] 秘金钟，章传银，等．水下GPS 系统的时间同步标定研究与试验[J]．测绘科学，2007，3.
CSTA
水下多目标高精度定位系统
作者：王权， 蔡艳辉， 章传银， 朱祥娥， 任计庆， 徐寿志
作者单位：王权(国家测绘局，北京,100830)， 蔡艳辉，章传银，朱祥娥，任计庆，徐寿志(中国测绘科学研究院，北京,100039)刊名：
中国科技成果
英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS
年，卷(期)：2010，11(5)
被引用次数：0次
1.蔡艳辉差分GPS 水下定位系统集成关键技术研究
2.王权.程鹏飞.章传银.王.蔡艳辉.丁剑差分GPS水下立体定位系统[期刊论文]-测绘科学 2006(5)
3.蔡艳辉.章传银.王.程剑.秘金钟差分GPS水下立体定位系统浮标姿态的测量[期刊论文]-测绘科学 2005(3)
4.蔡艳辉.程鹏飞.章传银DGPS水下立体定位系统的解析求解算法[期刊论文]-测绘科学 2006(1)
5.朱祥娥.王权.蔡艳辉差分水下GPS 立体定位系统的迭代算法分析 2008(3)
6.蔡艳辉.章传银.王.程剑.秘金钟差分GPS水下立体定位导航系统的时间测量[期刊论文]-测绘科学 2006(2)
7.王志忠.朱建军非线性模型中方差和协方差分量的估计[期刊论文]-测绘学报 2005(4)
8.吴永亭.周兴华.杨龙水下声学定位系统及其应用[期刊论文]-海洋测绘 2003(4)
9.刘淮国外深海技术发展研究 2006(11)
10.田坦水下定位于导航技术 2007
11.殷冬梅无线电水声浮标阵多目标跟踪定位系统 2003
12.李精文.李军GPS水下定位的水声定位算法 1998(5)
13.王.罗建国.陈琴仙.田力水下高精度立体定位导航系统[期刊论文]-声学与电子工程 2005(2)
14.秘金钟.章传银水下GPS 系统的时间同步标定研究与试验 2007(3)
1.会议论文宋磊.王大成.梁珊珊.丁士圻扩频技术在水声定位系统中的应用研究2007
水声定位在海洋开发和海洋勘探等领域发挥着极其重要的作用。然而，由于水声信道固有的复杂性，水声定位主要面临两个问题：一是水声信道的多径效应问题；二是测时的精度问题.传统的声学定位系统采用声脉冲定位技术，这种技术容易受到环境干扰和多径效应的影响，系统的定位精度受限.本文探讨将水声扩频技术应用到定位系统中，使系统在浅海、多径和强干扰环境下的工作效果得到改善.对水声定位系统的定位精度做了分析，提出了采用扩频信号代替传统的声脉冲信号进行水声定位，并在白噪声和多径干扰环境下进行了计算机仿真。仿真结果表明，采用扩频技术的水声定位系统可以有效地解决多径干扰问题，显著提高了定位的精度.
2.学位论文杨道军水声定位标定系统关键技术研究2007
水声定位技术是水下定位导航的主流技术，近年来得到了很大的发展，比较典型的应用系统有：长基线定位系统，短基线定位系统，超短基线定位系统和水下弹道测量系统等。定位精度是这些水声定位应用系统的核心指标。影响定位精度的因素非常多，如外围传感器的精度、系统结构设计和系统工作环境等，
所以水声定位系统都要进行大量的标校工作。<br> 由于水声定位系统标定的需要。所以有必要研制出一种水声定位标定系统，该水声定位标定系统可以对不同类型的水声定位系统进行标定，其主要功能是可以标定出不同类型的水声定位系统的实时工作精度以及通过分析数据来改进和提高水声定位系统的定位精度。由于目前应用的水声定位系统的定位精度都很高，要对这些高精度的定位系统进行标定，必然要求标定系统具有更高的定位精度。<br>
本论文的任务就是对一个高精度的水声定位标定系统中的关键技术进行研究，其主要内容有：课题背景介绍、建立水声定位标定系统模型、系统误差分析与仿真、系统各关键模块的研制、试验结果分析等。对于整个系统来说关键技术主要有：系统整体结构的优化设计技术、系统误差控制技术、综合数据处理技术等。通过大量的试验和改进，本研究的水声定位标定系统的标定精度远远大于现有的水声定位系统的精度，可以满足标定的需要。<br>
水声定位标定系统中采用了C++Builder6.0来编制综合数据处理软件，由于数据的实时处理量很大，为了提高软件效率，软件总体结构采用多线程架构，试验证明这种软件架构能满足数据处理的要求，实时性好。
3.学位论文殷锡亮主被动水声定位系统设计2008
水声定位系统在海洋科学领域应用广泛，但原有系统大多或设备庞大、操作复杂，或作用范围小、精度
低，很难真正满足使用需求。水声学、数字信号处理、通信理论的逐步成熟
，电子技术如DSP、FPGA、DGPS、DSSS等技术的发展，为我们提供了开发更先进定位系统的可能。
主被动水声定位系统利用GPS浮标构成水下定位框架。被动方式定位系统通过测量水下目标噪声源波达方向，利用纯方位交汇方法解算目标水平位置；主动方式利用水下合作目标声源信号抵达时间，通过双曲面交汇方法解算目标位置。各浮标的测量数据需要传输到主控计算机，由主控计算机进行综合、解算。
无线微波通信可实现船载对浮标的远距离遥控及浮标数据的回传，进而实现大范围的水声定位。如何实现利用无线电进行数据传输以及如何保障无线电数据通信的可靠、稳定是本文的主要任务，它包括DSP微处理器和可编程逻辑器件FPGA等硬件接口的实现，平台链路层、网络层及应用层协议的设计与实现。
本论文的研究工作主要是主被动水声定位系统平台的软硬件设计、实现。主要包括：
1、平台硬件的设计与调试；
2、DSP和FPGA软件的设计与调试。
4.会议论文刘增力.李汝恒.唐菁敏.肖笛.胡浩.杨飞落水"黑匣子"探测、定位系统2007
本文提出了关于飞机失事落水"黑匣子"探测、定位系统的设计方法，详细介绍了数字多波束信号形成技术.利用"黑匣子"发出的37.5 kHz的脉冲信号，通过24元线列阵，将获得的24路信号进行A/D转换，送入DSP进行信号处理，形成数字多波束，然后D/A输出.通过计算机仿真表明此系统具有很好的探测、定位功能.
5.学位论文郭大刚超短基线定位系统数字信号处理平台的设计与实现2009
超短基线定位系统是利用水声定位技术实现对多个水下合作目标进行定位、跟踪和数据传输的系统。本文的主要工作是针对超短基线定位系统的需要，研制出满足系统技术指标要求的数字信号处理平台，具体分为三部分：数字信号处理平台的硬件设计与各接口模块电路的调试；多目标定位的DSP软件设计与实现；系统的联调以及水池试验。
数字信号处理平台以三片主从结构的定点DSP TMS320C6416为数据处理中心，应用一片FPGA完成整个平台的逻辑控制，采用串口扩展异步通信芯片TL16C754B实现DSP与主机的通信，使用四片并行方式ADC完成模拟数字的转换。本文较为详细地讨论了数字信号处理平台各接口电路的设计及功能。
从片DSP程序采用C语言编写，在该硬件平台上实现了多目标定位的数据采集、信号实时检测、数据存储、相位差估计等功能。通过实验室调试，软硬件运行良好，处理结果与理论分析相符，验证了超短基线定位系统信号处理平台软硬件的良好性能。
6.会议论文赵明才海洋大地测量—水声定位系统简介1985
就国家海洋局技术研究所和海军海洋测绘研究所共同研制的超短基线水声定位系统进行了介绍，它可应用于海上无线电定位系统为消除多值性时的联测目标，文中还对水声定位系统工作原理，水声定位系统的定位公式，水下声标位置的联测进行了说明。（刘佳摘）
7.期刊论文刘伟.王昌明.张自嘉.吕富勇.Liu Wei.Wang Changming.Zhang Zijia.Lü Fuyong水声定位系统中空间谱估计算法仿真分析-电
子测量技术2008,31(11)
在水声定位系统中，为尽量提高系统对水下目标的定位性能，选择合适的空间谱估计算法是关键.对MVDR、MUSIC、ESPRIT等几种空间谱估计常用算法的结构和原理进行了分析.针对水声定位系统工作环境，通过计算机仿真，比较了各算法的估计精度、运行时间和环境要求等指标，得出MVDR算法相比其他算法性能更优.
8.学位论文许志恒水声主被动定位系统声信标设计2008
主被动定位系统是对水下目标进行定位的测量设备，被动测量无需合作声信标，依靠被测目标的辐射噪声定位。而主动定位系统需要在水下目标上加装声信标，系统定位主要依靠对声信标所发射的信号进行
处理。本论文的主要研究内容是基于主动定位系统背景下的声信标电子平台设计。
水声发射机在水声定位，导航，探测等水下系统中，有着举足轻重的作用，它的性能的优劣直接影响着整个系统的定位精度，测向精度，作用距离等因素。本论文从总体上讨论了声信标的能源需求，外部接口等，然后讨论了声信标电子平台的各个组成部分，分别介绍了驱动信号生成器，功率放大，换能器匹配等模块。介绍了以TI系列低功耗单片机为核心处理器的驱动信号生成器。从能量的角度分析了声信标的能源需求，并从原理上讨论了各种功率放大形式的效率，给出了基于D类功放的设计原理，设计了以变压器，串联谐振回路为核心的阻抗匹配网络，并定量分析了各个参数值。
在水池对声信标进行声源级测试，在工作频段内换能器发射声源级均达到系统指标要求。
9.期刊论文韩健.姚武军.宋建强.HAN Jian.YAO Wu-jun.SONG Jian-qiang水声定位在平台动力定位中的发展和现状-舰船科学技术
2009,31(10)
浮动式及半潜式钻井平台是远海大深度油气开发的基础装备，而具备水声定位能力的动力定位系统又是该类平台的关键设备.在远海GPS精度较低，同时需要进行海底井口及水下作业机器人的定位.因此，深海作业的钻井平台上的动力定位系统普遍应用了水声定位技术.本文介绍了水声定位系统的基本分类，当
前国际上应用于钻井平台的主要的水声定位产品，以及国内的水声定位技术水平，并提出了我国水声定位技术在钻井平台动力定位系统中未来几年的发展趋势.
10.学位论文赵民召超短基线定位系统显控及算法实现技术研究2008
本论文以“高精度水声定位关键技术研究”为背景，主要研究定位系统目标位置解算算法、基阵安装偏差校准算法的实现以及仿真/显控软件的设计与实现。论文对超短基线定位原理、声线修正原理、基阵校准原理以及仿真/显控软件的面向对象设计方法、开发技术分别进行了深入地研究；使用CCS2.2开发环境，在TMS3200C6416上独立完成了代码的编写与调试；同时在Visual C++环境下独立完成了仿真/显控软件代码的编写与调试。通过仿真平台实时仿真和实验数据验证了系统的稳定性和可靠性。现总结论文的主要工作及研究结论如下:
(1)通过对大量文献的阅读，以及对超短基线定位系统高精度定位原理，声线修正原理和基阵校准理论的学习，明确了系统的整体工作原理及仿真/显控软件的功能需求，为主要算法的实现和仿真/显控软件设计奠定了理论基础。
(2)对超短基线定位系统高精度定位原理和声线修正算法进行了深入的研究，并独立在TMS3200C6416上实现了系统高精度目标位置解算算法。通过仿真平台实时仿真，验证了系统高精度定位算法的精确度。
(3)采用面向对象的设计方法对仿真/显控软件的总体结构与功能模块进行设计并独立完成了代码开发工作；对基阵校准理论进行了深入的研究并独立在显控中实现算法；在研究仿真/显控软件实现技术的过程中，提出了更符合系统特点的数据结构，并结合多线程技术提出多缓冲加控制绘图技术，极大提高了绘图效率和质量。
(4)用实验数据验证了显控平台的正确性；通过仿真平台的实时仿真验证了底层硬件的工作性能和底层软件的稳定性，同时验证了仿真/显控软件的各项功能、人性化设计以及实现技术的有效性。
本文链接：d.g.wanfangdata/Periodical_zgkjcg201005003.aspx
授权使用：天津工业大学(tjsg06)，授权号：13c17fd5-a6ed-4789-aad5-9e5600a93a9a
下载时间：2010年12月24日
发布评论