CN110673167A - 一种水下航行器定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下航行器勘探技术领域，具体涉及一种水下航行器定位系统及方法，系统包括：一船基数据控制中心，用于发送定位请求信号；一有缆遥控水下航行器，所述有缆遥控水下航行器上设有一水下收发机，所述水下收发机与所述船基数据控制中心无线通信连接；GPS智能浮标，设置于所述有缆遥控水下航行器一预设范围内，与所述水下收发机无线通信连接；一岸基差分GPS基准站，用于发送一差分信号；所述船基数据控制中心、所述GPS智能浮标及所述岸基差分GPS基准站通过一通讯传输卫星无线通信连接。本发明系统采用所述方法，确保有缆遥控水下航行器在光线昏暗的海底下实现准确定位。

Description

一种水下航行器定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水下航行器勘探技术领域，尤其涉及一种水下航行器定位系统及方法。

背景技术

在大洋勘探过程中，如何在昏暗的深海中实现有缆遥控水下航行器准确定位，确保勘探作业安全运行，一直是研究的热点和前沿。水下声学定位技术是指利用水声设备确定水下载体或者水下设备的方位、距离的技术。其技术原理为利用时延定位或相位定位，两种方法都是利用待定目标节点和已知接收节点间的时延关系或者相位关系建立定位方程组，求解方程组获取源目标节点位置的估计值。

为提高有缆遥控水下航行器定位精度，确保海底勘探安全运行，亟需对水声定位理论、方法与工具进行研究。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种水下航行器定位系统及方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种水下航行器定位系统，其特征在于，包括：

一船基数据控制中心，用于发送定位请求信号；

一有缆遥控水下航行器，所述有缆遥控水下航行器上设有一水下收发机，所述水下收发机与所述船基数据控制中心无线通信连接；

一GPS智能浮标，设置于所述有缆遥控水下航行器一预设范围内，与所述水下收发机无线通信连接；

岸基差分GPS基准站，用于发送一差分信号；

所述船基数据控制中心、所述GPS智能浮标及所述岸基差分GPS基准站通过一通讯传输卫星无线通信连接。

优选的，所述船基数据控制中心向所述水下收发机发送所述定位请求信号，所述水下收发机接收到所述定位请求信号后发出一定位信号。

优选的，所述GPS智能浮标接收所述水下收发机的所述定位信号，对所述定位信号延迟时间进行计算得到一延迟时间数据。

优选的，所述GPS智能浮标提供姿态校准数据、GPS定位数据，并将所述姿态校准数据、所述GPS定位数据与所述延迟时间数据进行调制，并经过所述通讯传输卫星传回所述船基数据控制中心。

优选的，所述船基数据控制中心将所述岸基差分GPS基准站发出的所述差分信号与所述GPS智能浮标调制后的所述延迟时间数据、所述姿态校准数据、所述GPS定位数据融合后计算出所述有缆遥控水下航行器的位置，并将结果实时动态地显示出来。

一种水下航行器定位方法，包括：

步骤S1,所述船基数据控制中心发送所述定位请求信号激活所述有缆遥控水下航行器的所述水下收发机；

步骤S2，所述水下收发机发出节点坐标位置(x,y)到所述GPS智能浮标，所述GPS智能浮标再将所述GPS智能浮标节点坐标位置以及所述水下收发机坐标位置通过所述通讯传输卫星传回所述船基数据控制中心；

步骤S3，所述船基数据控制中心建立方程组，通过对所述方程组中各个等式进行泰勒级数展开，不断进行迭代求解，当满足停止迭代条件后，得到所述有缆遥控水下航行器原始节点位置的估计值；

步骤S4，所述船基数据控制中心接收所述岸基差分GPS基准站发出的所述差分信号并与得到的所述估计值结合计算出所述有缆遥控水下航行器的实时位置。

优选的，所述步骤S3中所述方程组为：

其中，(x_k,y_k)k＝1,2,…,M表示所述GPS智能浮标第k个节点所在的位置，其中M≥3，(x₀,y₀)表示所述水下收发机节点的位置，r_k表示所述GPS智能浮标第k个接收节点与所述船基数据控制中心节点之间的距离。

优选的，所述步骤S3中所述泰勒级数展开包括：

步骤S31,首先对所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值S₀＝(x_s,y_s)，然后对每一个方程式在S₀处进行泰勒级数展开，得到残差：

η＝h_t-G_tδ (2)

其中η表示残差，h_t表示海水深度，G_t表示系数矩阵，δ＝(△x,△y)^T表示对所述水下收发机节点坐标位位置估计的误差，其加权最小二乘解为：

矩阵W取为：W＝Q^-1，Q表示到达时差定位方法估计值的协方差矩阵；

步骤S32,在下一步迭代中，将所述所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值(x+△x,y+△y)，继续上面计算过程，直到△x，△y充分小。

其有益效果在于：根据水声传播原理，采用本发明的定位方法，通过船基数据控制中心、GPS智能浮标、水下收发机及岸基差分GPS基准站，确保有缆遥控水下航行器在光线昏暗的海底下实现准确定位，保证深海勘探作业的顺利进行。

附图说明

图1为本发明提供的一种水下航行器定位系统原理图；

图2为本发明提供的一种水下航行器定位方法步骤流程图；

图3为本发明提供步骤S3的具体实施例流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图1为本发明提供的一种水下航行器定位系统原理图，包括：有缆遥控水下航行器1，水下收发机2，GPS智能浮标3，通讯传输卫星4，船基数据控制中心5以及岸基差分GPS基准站6。

一船基数据控制中心5，用于发送定位请求信号；

一有缆遥控水下航行器1，有缆遥控水下航行器1上设有一水下收发机2，水下收发机2与船基数据控制中心5无线通信连接；

GPS智能浮标3，设置于有缆遥控水下航行器1一预设范围内，与水下收发机2无线通信连接；

岸基差分GPS基准站，用于发送一差分信号；

所述船基数据控制中心5、所述GPS智能浮标3及所述岸基差分GPS基准站6通过一通讯传输卫星4无线通信连接。

进一步地，船基数据控制中心5向水下收发机2发送定位请求信号，水下收发机2接收到定位请求信号后发出一定位信号。

进一步地，GPS智能浮标3接收水下收发机2的定位信号，对定位信号延迟时间进行计算得到一延迟时间数据。

进一步地，GPS智能浮标3提供姿态校准数据、GPS定位数据，并将姿态校准数据、GPS定位数据与延迟时间数据进行调制，并经过通讯传输卫星4传回船基数据控制中心5。

进一步地，船基数据控制中心5将岸基差分GPS基准站6发出的差分信号与GPS智能浮标3调制后的延迟时间数据、姿态校准数据、GPS定位数据融合后计算出有缆遥控水下航行器2的位置，并将结果实时动态地显示出来。

具体的，首先，船基数据控制中心5向安装在有缆遥控水下航行器ROV1上水下收发机2发送定位信号，激活水下收发机2；GPS智能浮标3接收到水下收发机2的定位信号后，对其延迟时间进行精确计算，并将结果数据连同GPS智能浮标3姿态校准数据、GPS定位数据等信息进行调制后经通讯传输卫星4传回船基数据控制中心5，数据控制中心5将岸基差分GPS基准站6差分信号与以上信息融合后计算出有缆遥控水下航行器1的位置，同时将结果实时动态地显示出来。

参照图2为本发明提供的一种水下航行器定位方法步骤流程图；包括：

步骤S1,所述船基数据控制中心发送所述定位请求信号激活所述有缆遥控水下航行器的所述水下收发机；

步骤S2，所述水下收发机发出节点坐标位置(x,y)到所述GPS智能浮标，所述GPS智能浮标再将所述GPS智能浮标节点坐标位置以及所述水下收发机坐标位置通过所述通讯传输卫星传回所述船基数据控制中心；

步骤S3，所述船基数据控制中心建立方程组，通过对所述方程组中各个等式进行泰勒级数展开，不断进行迭代求解，当满足停止迭代条件后，得到所述有缆遥控水下航行器原始节点位置的估计值；

步骤S4，所述船基数据控制中心接收所述岸基差分GPS基准站发出的所述差分信号并与得到的所述估计值结合计算出所述有缆遥控水下航行器的实时位置。

进一步地，步骤S3中所述方程组为：

其中，(x_k,y_k)k＝1,2,…,M表示所述GPS智能浮标第k个节点所在的位置，其中M≥3，(x₀,y₀)表示所述水下收发机节点的位置，r_k表示所述GPS智能浮标第k个接收节点与所述船基数据控制中心节点之间的距离。

进一步地，根据水声信道的多径特点，在单个接收节点处得到多条路径信号与直达路径信号的时延差信息，当接单个收节点处的观测值与多径路径正确匹配的时候，将位置估计的初值缩小到一个预定的范围内，再使用泰勒级数展开的方法进行目标节点位置估计。

参照图3为本发明提供步骤S3中泰勒级数展开的具体实施例流程图，包括：

步骤S31,首先对所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值S₀＝(x_s,y_s)，然后对每一个方程式在S₀处进行泰勒级数展开，得到残差：

η＝h_t-G_tδ (2)

其中η表示残差，h_t表示海水深度，G_t表示系数矩阵，δ＝(△x,△y)^T表示对所述水下收发机节点坐标位位置估计的误差，其加权最小二乘解为：

矩阵W取为：W＝Q^-1，Q表示到达时差定位方法估计值的协方差矩阵；

步骤S32,在下一步迭代中，将所述所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值(x+△x,y+△y)，继续上面计算过程，直到△x，△y充分小。

具体的，假设源目标节点的发送信号在各节点为直线传播，并且求解出发送信号到各个节点之间的传播距离与发送信号到参考节点之间的传播距离差，那么源目标节点应该位于以各个节点为焦点的一组双曲线交点上；泰勒级数基于源目标的初始位置的迭代递归算法，在初始值选取较好的情况下，使用泰勒级数算法收敛速度较快，定位精度较高。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水下航行器定位系统，其特征在于，包括：

一船基数据控制中心，用于发送定位请求信号；

一有缆遥控水下航行器，所述有缆遥控水下航行器上设有一水下收发机，所述水下收发机与所述船基数据控制中心无线通信连接；

一GPS智能浮标，设置于所述有缆遥控水下航行器一预设范围内，与所述水下收发机无线通信连接；

岸基差分GPS基准站，用于发送一差分信号；

所述船基数据控制中心、所述GPS智能浮标及所述岸基差分GPS基准站通过一通讯传输卫星无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种水下航行器定位系统，其特征在于，所述船基数据控制中心向所述水下收发机发送所述定位请求信号，所述水下收发机接收到所述定位请求信号后发出一定位信号。

3.根据权利要求1所述的一种水下航行器定位系统，其特征在于，所述GPS智能浮标接收所述水下收发机的所述定位信号，对所述定位信号延迟时间进行计算得到一延迟时间数据。

4.根据权利要求3所述的一种水下航行器定位系统，其特征在于，所述GPS智能浮标提供姿态校准数据、GPS定位数据，并将所述姿态校准数据、所述GPS定位数据与所述延迟时间数据进行调制，并经过所述通讯传输卫星传回所述船基数据控制中心。

5.根据权利要求4所述的一种水下航行器定位系统，其特征在于，所述船基数据控制中心将所述岸基差分GPS基准站发出的所述差分信号与所述GPS智能浮标调制后的所述延迟时间数据、所述姿态校准数据、所述GPS定位数据融合后计算出所述有缆遥控水下航行器的位置，并将结果实时动态地显示出来。

6.一种水下航行器定位方法，应用于权利要求1-5任意一项所述的水下航行器定位系统，其特征在于，包括：

步骤S1,所述船基数据控制中心发送所述定位请求信号激活所述有缆遥控水下航行器的所述水下收发机；

步骤S2，所述水下收发机发出节点坐标位置(x,y)到所述GPS智能浮标，所述GPS智能浮标再将所述GPS智能浮标节点坐标位置以及所述水下收发机坐标位置通过所述通讯传输卫星传回所述船基数据控制中心；

步骤S3，所述船基数据控制中心建立方程组，通过对所述方程组中各个等式进行泰勒级数展开，不断进行迭代求解，当满足停止迭代条件后，得到所述有缆遥控水下航行器原始节点位置的估计值；

步骤S4，所述船基数据控制中心接收所述岸基差分GPS基准站发出的所述差分信号并与得到的所述估计值结合计算出所述有缆遥控水下航行器的实时位置。

7.根据权利要求6所述的一种水下航行器定位方法，其特征在于，所述步骤S3中所述方程组为：

其中，(x_k,y_k)k＝1,2,…,M表示所述GPS智能浮标第k个节点所在的位置，其中M≥3，(x₀,y₀)表示所述水下收发机节点的位置，r_k表示所述GPS智能浮标第k个接收节点与所述船基数据控制中心节点之间的距离。

8.根据权利要求6所述的一种水下航行器定位方法，其特征在于，所述步骤S3中所述泰勒级数展开包括：

步骤S31,首先对所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值S₀＝(x_s,y_s)，然后对每一个方程式在S₀处进行泰勒级数展开，得到残差：

η＝h_t-G_tδ (2)

其中η表示残差，h_t表示海水深度，G_t表示系数矩阵，δ＝(△x,△y)^T表示对所述水下收发机节点坐标位位置估计的误差，其加权最小二乘解为：

矩阵W取为：W＝Q^-1，Q表示到达时差定位方法估计值的协方差矩阵；

步骤S32,在下一步迭代中，将所述所述水下收发机节点坐标位置(x,y)赋初值(x+△x,y+△y)，继续上面计算过程，直到△x，△y充分小。