基于声速的GPS定位研究
摘 要：GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。GPS定位系统广泛，在工程测量、航天拍摄测量、地球动力学方面均有一定的应用。基于声速的GPS定位系统多用于海洋地形测量与资源测量，通过水下的三维定位，勘察海洋地震波点的方位。
关键词：GPS、声速、定位
GPS系统[1]的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。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一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。基于声速的GPS定位系统在当今时代多用于海洋方面的定位，相比较于GPS导航信号的光速，声速传播的速度更为缓慢，其精度则更为精确。由于声波在水中具有良好的传播性能，使得声波定位技术在海洋勘测和矿产资源开发、水下航行器的定位和导航、军事用途等领域具有重要的应用价值。
- 水下GPS定位系统
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。
- 水下GPS定位系统技术研究
蔡艳辉[2]在《差分GPS水下定位系统集成关键技术研究》中基于水下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。此外，汪志明[3]在《差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用研究》中对如何提高水下地形测量精度提供了一些很好的技术方法,分析介绍了无验潮情况下的水下地形测量工作原理和方法,水下地形测量数据粗差的剔除原则和方法等,使DGPS和测深仪组合系统在水下地形测量的应用更加可靠。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，在研究中他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。他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。这避免了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的情况。在研究中其采用了基于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。对于系统的定位数学模型分析、四枚浮标的系统、多余四枚浮标的系统，该研究提出了更为完善的求解推导方式。此外，该研究中还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。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。
朱祥娥[4]在《深海三维定位仿真研究》中对系统深水区定位性能进一步研究。在研究中朱祥娥基于射线传播理论追踪声源声线传播路径,分析双曲面模型深水定位的可行性及定位范围,并模拟双曲面模型定位观测数据,讨论分析了深水定位的精度分布及影响因素。该研究中利用Argo计划观测的海水2000m深至水面的温度、盐度数据计算分析了声速剖面分布。根据水声射线传播规律,声线到达水面具有一定的发射角度及范围限制,通过追踪声线,推出了系统定位范围的确定方法。确定了（47.956N, ?128.971W）附近约2000 m水深的声源可用声线发射角、水面定位接收器的布设范围及一定接收器网型的声学水下可定位的理论范围。根据带有系统误差的双曲面模型定位精度分布根据Argo浮标剖面资料计算约2000m水深的声速剖面,结合声波射线传播规律模拟一定浮标网形下10kmtimes;10km范围内50mtimes;50m分辨率的双曲面模型定位观测数据,并进行定位解算。给定每个声线方向一个声速值计算的定位结果显示:大部分区域系统的外符合定位精度在水平方向优于4m;垂直方向优于10m。采用统一声速极大的提高了网形以外区域的定位精度,但同时也使网形内的定位精度有所降低。在观测数据中加入10-4s的浮标相对时间误差,浮标网形内该时间误差对定位结果水平方向的影响在[ ? 0.5m,0.5m]范围内;垂直方向影响le;1m。另外,由于不同的信号发射角度引起的声线弯曲不同,研究中引入截止角的概念对2000m水深信号的发射角进行限制,结果显示,发射角le;75o范围内水平定位精度优于1m,垂直定位精度优于4m。
- 水下GPS定位系统测量方法研究
由于海洋中声速分布不均匀,要实现水下目标GPS的精确定位,必须进行误差修正。徐寿志[5]在《区域海水声速异常模型初步研究》提出了适用于水下精密定位的全球海水声速场模型。水声信号是水声定位的基本测量信号,水声传播速度在水下定位系统工作中作为已知数据,因此,如果声速存在误差,将会导致水声距离测量出现误差,定位结果将出现系统误差,甚至导致系统不能定位。同时,海洋声速梯度的存在使得声线发生弯曲,如果不能准确的确定海水声速梯度,就不可能准确的确定声线。因此,海洋声速是实现高精度水下定位的关键问题。该研究中，通过海水声速模型区域海水声速表示成海水温度、盐度、压力的函数,建立区域的标准温度模型和插值全球海水表面的盐度得到区域的声速模型,并拟合了盐度的垂直梯度函数。Argo浮标数据的提取目前Argo数据以每年10万个文件的速度增长，通过Argo浮标信息的提取研究了全球海洋表面洋流的流向和流速问题。垂直声速梯度函数拟合利用Argo浮标数据,根据声速经验公式得到海水的实际垂直声速梯度,并对各种声速经验公式进行了比较。利用三次样条对声速梯度进行插值得到插值函数并分析了插值精度。
