CN114966754B - 大坝深水环境一体化精准定位装置与方法 - Google Patents

大坝深水环境一体化精准定位装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大坝深水环境一体化精准定位装置和方法。定位装置包括：相互垂直的横向支撑部件和纵向支撑部件，横向支撑部件上设置有GPS天线、RTK电台天线、传感器箱；传感器箱内置GPS定位模块、差分信号处理模块和目标独立坐标计算模块；纵向支撑部件下部设置有浮体，浮体内部设置姿态仪；浮体下部设置水声换能器阵列，用于获取水下目标的相对坐标；目标独立坐标计算模块用于根据GPS定位模块解析的第一全球坐标、差分信号处理模块获取的坐标修正数据、姿态变化参数、GPS天线与水声换能器阵列的相对位置、水下目标的相对坐标来计算水下目标的地方独立坐标。该装置能够在大坝环境下精确定位水下目标的位置。

Description

大坝深水环境一体化精准定位装置与方法
技术领域
本发明属于水下目标定位技术领域，具体涉及一种在大坝深水环境下实现精准定位的装置与方法。
背景技术
目前大坝深水环境的定位主要依靠超短基线和GPS定位设备完成。超短基线主要应用于海洋环境，通常将超短基线定位阵列搭载在测量船上，通过收发声学信号来测量水下目标的位置；而在大坝环境下船舶的使用受限。如果将超短基线定位阵列安装在岸边，除去水体内常见干扰外，大坝两岸水工建筑、坝体离水下潜器或目标物距离较近，会出现声学多次反射，干扰信号更多，很难精准的定位水下潜器或目标物，严重影响定位精度。同时，传统超短基线内置的GPS定位设备精度以米为单位，且误差较大，导致定位精度低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种大坝深水环境一体化精准定位装置，该装置能够在大坝环境下精确定位水下目标的位置。
技术方案：本发明一方面公开了一种大坝深水环境一体化精准定位装置，包括：
横向支撑部件和纵向支撑部件，所述横向支撑部件与纵向支撑部件相互垂直构成T型结构，所述横向支撑部件上设置有GPS天线、RTK电台天线、传感器箱；所述传感器箱内置GPS定位模块、差分信号处理模块和目标独立坐标计算模块；所述GPS定位模块与GPS天线和目标独立坐标计算模块连接，所述差分信号处理模块与RTK电台天线和目标独立坐标计算模块连接；所述GPS定位模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到第一全球坐标；所述差分信号处理模块用于从RTK电台天线接收的差分信号中解析得到坐标修正数据；
所述纵向支撑部件下部设置有浮体，所述浮体内部设置姿态仪，所述姿态仪用于获取姿态变化参数；所述姿态仪与目标独立坐标计算模块连接；
所述浮体下部设置水声换能器阵列，所述水声换能器阵列与目标独立坐标计算模块连接；所述水声换能器阵列用于获取水下目标的相对坐标；
所述目标独立坐标计算模块用于根据第一全球坐标、坐标修正数据、姿态变化参数、GPS天线与水声换能器阵列的相对位置、水下目标的相对坐标来计算水下目标的地方独立坐标。
进一步地，还包括锚系系统，所述锚系系统包括沉块和拉绳，所述沉块设置于海底，所述拉绳的两端分别连接沉块和浮体。
进一步地，所述GPS天线为双天线设计，分别用于接收包含定位信息的信号和方向基准信息的信号；所述GPS定位模块从定位信息中解析得到第一全球坐标，从方向基准信息中解析得到方向基准值；
所述目标独立坐标计算模块根据所述方向基准值从水下目标的地方独立坐标中获取水下目标的实际方向值。
进一步地，所述水声换能器阵列为三角位置关系换能器阵列，所述阵列中的阵元间距为15-25cm。
进一步地，所述水声换能器阵列中阵元的信号频率为65-75kHz。
进一步地，所述传感器箱中还包括时间同步模块，所述时间同步模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到基准时间；所述姿态仪、水声换能器阵列根据所述基准时间校正本地时间。
进一步地，所述RTK电台天线接收的差分信号由RTK基站发射，所述RTK基站设置于大坝上的控制点处；所述RTK基站根据第二全球坐标和所述控制点的地方独立坐标计算坐标修正数据，并将所述坐标修正数据发出；所述第二全球坐标为所述控制点处GPS定位设备获取的坐标值。
进一步地，所述横向支撑部件上还设置有无线发射装置，用于将水下目标的地方独立坐标发射至远程控制端。
进一步地，所述浮体为无人船。
另一方面，本发明还公开了根据上述大坝深水环境一体化精准定位装置的定位方法，包括步骤：
根据横向支撑部件长度、纵向支撑部件长度、GPS天线安装位置和水声换能器阵列坐标系原点获取GPS天线与水声换能器阵列的相对位置；
将所述定位装置放置于水体中，使所述浮体一部分位于水面下，一部分位于水面上；
获取目标独立坐标计算模块计算得到的水下目标的地方独立坐标。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开大坝深水环境一体化精准定位装置具有如下优点：1、采用一体化框架机构，每个硬连接的尺寸确定，无需偏移量测量，便于快速计算；2、通过增大阵元间距和提高换能器频率，提高了定位精度；3、对GPS全球坐标进行修正得到地方独立坐标，并融合姿态变化参数，能够实时得到水下目标的地方坐标系坐标，无需转换。
附图说明
图1为实施例中大坝深水环境一体化精准定位装置组成示意图；
图2为传感器箱内部模块的连接示意图；
图3为采用无人船方式的定位装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
本发明公开了一种大坝深水环境一体化精准定位装置，如图1所示，包括：
横向支撑部件1和纵向支撑部件2，所述横向支撑部件与纵向支撑部件相互垂直构成T型结构，所述横向支撑部件上设置有GPS天线3、RTK电台天线4、传感器箱5；所述传感器箱内置GPS定位模块5-1、差分信号处理模块5-2和目标独立坐标计算模块5-3。如图2所示，GPS定位模块与GPS天线和目标独立坐标计算模块连接，差分信号处理模块与RTK电台天线和目标独立坐标计算模块连接；GPS定位模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到第一全球坐标；差分信号处理模块用于从RTK电台天线接收的差分信号中解析得到坐标修正数据；RTK电台天线接收的差分信号由RTK基站发射，RTK基站设置于大坝上的控制点处，该控制点的位置可以由设置于该位置点处的GPS定位设备获取，定义为第二全球坐标，且该控制点的地方独立坐标为已知；RTK基站根据第二全球坐标和所述控制点的地方独立坐标计算坐标修正数据，并将所述坐标修正数据采用差分信号发出。
纵向支撑部件下部设置有浮体6，所述浮体内部设置姿态仪7，所述姿态仪用于获取水体流动或者风等引起的姿态变化参数；所述姿态仪与目标独立坐标计算模块连接；浮体下部设置水声换能器阵列8，水声换能器阵列与目标独立坐标计算模块连接；所述水声换能器阵列用于获取水下目标的相对坐标；
横向支撑部件和纵向支撑部件可以采用中空设计，需要电连接的部件之间的线路通过中空部分布线。
目标独立坐标计算模块用于根据第一全球坐标、坐标修正数据、姿态变化参数、GPS天线与水声换能器阵列的相对位置、水下目标的相对坐标来计算水下目标的地方独立坐标。首先，根据坐标修正数据对第一全球坐标进行修正，得到位于定位装置顶端的GPS天线的地方独立坐标；根据GPS天线的地方独立坐标、GPS天线与水声换能器阵列的相对位置、水下目标的相对坐标计算得到水下目标的初始地方独立坐标，最后根据姿态变化参数对水下目标的初始地方独立坐标进行校正；具体步骤参考文献：王德刚,韩富江,来向华,苟诤慷,傅晓明.超短基线定位原理及校正方法研究[J].海洋科学,2011,35(02):77-81。
为了确保浮体6在一定范围内运动，保持和水下目标的相对位置关系，该装置还包括锚系系统9，所述锚系系统包括沉块9-1和拉绳9-2，所述沉块设置于海底，所述拉绳的两端分别连接沉块和浮体。
本实施例中，GPS天线为双天线设计，分别用于接收包含定位信息的信号和方向基准信息的信号；所述GPS定位模块从定位信息中解析得到第一全球坐标，从方向基准信息中解析得到方向基准值；目标独立坐标计算模块根据所述方向基准值从水下目标的地方独立坐标中获取水下目标的实际方向值；具体地，本实施例中以北为基准。
本实施例中，水声换能器阵列为三角位置关系换能器阵列，所述阵列中的阵元间距为15-25cm，其阵元的信号频率为65-75kHz。传统的超短基线换能器阵列中阵元距离为厘米级，换能器频率为30-60kHz。本实施例通过增加阵元间距，在兼顾换能器小巧便于安装使用的情况下，确保基线更长，测量精度更高。此外，本实施例采用更高的信号频率，确保波长更短，距离分辨率更高，定位更精准。
此外，传感器箱中还包括时间同步模块，所述时间同步模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到基准时间；所述姿态仪、水声换能器阵列根据所述基准时间校正本地时间。
所述横向支撑部件上还设置有无线发射装置，用于将水下目标的地方独立坐标发射至远程控制端，从而能够及时获取到水下目标的位置。
本实施例中公开的定位装置，各部件可以采用可拆卸设计，方便运输和安装。在使用时，首先根据横向支撑部件长度、纵向支撑部件长度、GPS天线安装位置和水声换能器阵列坐标系原点获取GPS天线与水声换能器阵列的相对位置；
将所述定位装置放置于水体中，使所述浮体一部分位于水面下，一部分位于水面上；
获取目标独立坐标计算模块计算得到的水下目标的地方独立坐标。
本实施例中的浮体也可以采用为无人船，水声换能器阵列设置于无人船的下部。此时无需锚系系统，通过控制无人船的位置来限制定位装置的运动范围。

Claims (7)

1.一种大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，包括：
横向支撑部件和纵向支撑部件，所述横向支撑部件与纵向支撑部件相互垂直，所述横向支撑部件上设置有GPS天线、RTK电台天线、传感器箱；所述传感器箱内置GPS定位模块、差分信号处理模块和目标独立坐标计算模块；所述GPS定位模块与GPS天线和目标独立坐标计算模块连接，所述差分信号处理模块与RTK电台天线和目标独立坐标计算模块连接；所述GPS定位模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到第一全球坐标；所述差分信号处理模块用于从RTK电台天线接收的差分信号中解析得到坐标修正数据；
所述纵向支撑部件下部设置有浮体，所述浮体内部设置姿态仪，所述姿态仪用于获取姿态变化参数；所述姿态仪与目标独立坐标计算模块连接；
所述浮体下部设置水声换能器阵列，所述水声换能器阵列与目标独立坐标计算模块连接；所述水声换能器阵列用于获取水下目标的相对坐标；
所述水声换能器阵列为三角位置关系换能器阵列，所述阵列中的阵元间距为15-25cm，阵元的信号频率为65-75kHz；
所述GPS天线为双天线设计，分别用于接收包含定位信息的信号和方向基准信息的信号；所述GPS定位模块从定位信息中解析得到第一全球坐标，从方向基准信息中解析得到方向基准值；
所述目标独立坐标计算模块用于根据第一全球坐标、坐标修正数据、姿态变化参数、GPS天线与水声换能器阵列的相对位置、水下目标的相对坐标来计算水下目标的地方独立坐标，并根据所述方向基准值从水下目标的地方独立坐标中获取水下目标的实际方向值。
2.根据权利要求1所述的大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，还包括锚系系统，所述锚系系统包括沉块和拉绳，所述沉块设置于海底，所述拉绳的两端分别连接沉块和浮体。
3.根据权利要求1所述的大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，所述传感器箱中还包括时间同步模块，所述时间同步模块用于从GPS天线接收的信号中解析得到基准时间；所述姿态仪、水声换能器阵列根据所述基准时间校正本地时间。
4.根据权利要求1所述的大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，所述RTK电台天线接收的差分信号由RTK基站发射，所述RTK基站设置于大坝上的控制点处；所述RTK基站根据第二全球坐标和所述控制点的地方独立坐标计算坐标修正数据，并将所述坐标修正数据发出；所述第二全球坐标为所述控制点处GPS定位设备获取的坐标值。
5.根据权利要求1所述的大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，所述横向支撑部件上还设置有无线发射装置，用于将水下目标的地方独立坐标发射至远程控制端。
6.根据权利要求1所述的大坝深水环境一体化精准定位装置，其特征在于，所述浮体为无人船。
7.根据权利要求1-6中任一项大坝深水环境一体化精准定位装置的定位方法，其特征在于，包括步骤：
根据横向支撑部件长度、纵向支撑部件长度、GPS天线安装位置和水声换能器阵列坐标系原点获取GPS天线与水声换能器阵列的相对位置；
将所述定位装置放置于水体中，使所述浮体一部分位于水面下，一部分位于水面上；
获取目标独立坐标计算模块计算得到的水下目标的地方独立坐标。
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