CN117310771A - 一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，系统包括海底设备、警戒浮标单元、海底应答警报单元和岸基检测中心，海底应答警报单元监测自身当前的供电方式，当监测到不间断电源供电则持续发射包含报警指令的声脉冲信号，警戒浮标单元接收报警指令后发射高频次声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹，海底应答报警单元判断海底设备所处水深，当设备出水时采集GNSS数据并发送到岸基检测中心，岸基检测中心根据GNSS数据解算当前海底设备所在位置，与现有技术相比，本发明具有有效提升定位精度、降低海水不均匀性带来的测量误差、全面保障海底设备安全、全程跟踪定位海底设备位移轨迹等优点。

Description

一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其是涉及一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统。

背景技术

海底观测网是观测海洋的新型平台，为认识海洋提供了广阔时空尺度下多种海洋内部特征同步、实时、连续的观测手段，从根本上改变认识海洋的途径，标志着海洋开发和研究的新阶段。针对长期、广域、实时观测的科学和社会需求，海底观测网成为海洋研究和防灾预警的重要工具。海底观测网将供电系统和通信系统直接从陆地延伸部署到海底，解决了众多原位观测设备在海底长期运行面临的持续电能供给和海量数据传输两大难题，可实现从海底直接对特定海域的物理、化学、生物和地质等过程进行高分辨率的原位实时观测，远程监测海底风暴潮、火山喷发、地震、海啸、滑坡和赤潮等各种突发事件。

海底观测网由海底主基站、海底设备适配器、多种海底原位实验仪器、光电复合通信海缆、海底中继器和分支器等众多设备组成。其中，大规模海底广域观测网通常超过500km，具有多个海底主基站、海底设备适配器、海底中继器和分支器，且大多分布于近海海域。但近海海域商船活动繁忙，渔业捕捞作业频繁，且有的海域水动力强、地质稳定性弱，存在沉积物的冲刷和淤积。同时，陆架海域多为活动性沙波，而陆架残留砂平原区在强台风作用期间，海底表层会遭受扰动。故海底仪器设备时刻面临着渔船拖网、泊船抛锚、海底水文和地质情况复杂等相当严峻的外部条件，运行过程中面临极高的不确定风险。尤其近年来也多次发生海底实验设备被渔船拖网破坏的事件，造成了科学研究中断及经济损失。因此，实时动态掌握海底仪器设备的实际运行状态、精确部署位置及位移轨迹极其重要。

现有海底设备缺乏有效的安防手段，目前主要依靠海底电缆安全监测的经验，即通过AIS、雷达、视频、卡口抓拍等方式实现海面船舶实时态势感知，对船舶进入限行区域、逆行、滞留、关闭AIS系统、抛锚、拖网等行为进行实时预警，一定程度上保障了海底设备的运行安全。但是，仍然可能出现海底设备被渔船拖网或大型船只拖锚拖走的情况。因此迫切需要提出一种高定位精度，能够踪定位海底设备位移轨迹的海底设备位移监测系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的难以定位海底设备位置的缺陷而提供一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，海底设备位移监测系统包括海底设备、多个警戒浮标单元、海底应答警报单元、卫星和岸基检测中心，海底设备设有呈三角形排布的多个海面定位点，各个海面定位点均设有警戒浮漂单元，海底应答警报单元安装在海底设备中，海底设备包括连缆和不间断电源，岸基监测中心分别连接每个警戒浮标单元和海底应答警报单元，海底设备及海底应答警报单元在正常工作状态下由连缆供电，不间断电源作为储能单元，当海底设备被渔船拖网或泊船拖锚拖动时，海底设备及海底应答警报单元由不间断电源供电，卫星与岸基检测中心、各个警戒浮标单元和海底应答警报单元通信；

海底应答警报单元监测自身当前的供电方式，当监测到不间断电源供电则持续发射包含报警指令的声脉冲信号，警戒浮标单元接收并解析到报警指令后发射高频次声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹，海底应答报警单元判断海底设备所处水深，当设备出水时海底应答报警单元采集GNSS数据并发送到岸基检测中心，岸基检测中心根据GNSS数据解算当前海底设备所在位置。

进一步地，警戒浮标单元包括避雷针、GNSS接收机、无线通讯模块、声学换能器、姿态测量传感器、浮标标体、自升降式温盐深剖面传感器、锚系、配重块和蓄电池，避雷针、GNSS接收机和无线通讯模块安装在浮标标体浮出水面的部分，姿态测量传感器和蓄电池安装在浮标标体内部，声学换能器和锚系安装在浮标标体沉入水面的部分，自升降式温盐深剖面传感器安装在锚系上，配重块安装在锚系一端。

进一步地，自升降式温盐深剖面传感器包括驱动模块、传感器模块和磁耦合无线携能通信模块，驱动模块沿锚系缆绳进行升降运动，传感器模块测量海水温盐剖面并记录测量结果，磁耦合无线携能通信模块安装在浮标标体内部，通过磁耦合方式和传感器进行充电和双向数据传输。

进一步地，警戒浮标单元设有全景相机，全景相机安装在浮标标体浮出水面的部分，实时记录海底设备周围环境的图像。

进一步地，警戒浮标单元包括太阳能发电设备和/或风力发电设备，太阳能发电设备和/或风力发电设备与蓄电池连接。

进一步地，海底应答警报单元包括声学应答器、微控制器、压力传感器、GNSS模块、无线通信模块，微控制器用于监测海底应答警报单元的供电方式，压力传感器用于计算海底应答警报单元的所处深度，声学应答器接收声学换能器发出的声脉冲，当海底应答警报单元出水时，GNSS模块接收GNSS数据，无线通信模块与岸基监测中心通信。

进一步地，声学应答器采用二进制声学命令系统代码结构进行编程，声学应答器包括启用程序、禁用程序、应答程序和警报程序，执行禁用程序后，声学应答器禁用应答程序。

进一步地，系统给定海底设备的声学应答器坐标初值，基于该海底设备所在海域温度、盐度和深度数据建立声速模型，利用声脉冲信号在声学应答器和声学换能器往返时间、GNSS接收机接收的GNSS数据、GNSS接收机相位中心与声学换能器测量中心之间的杆臂值、姿态传感器接收的警戒浮标姿态数据，计算得到声学换能器坐标；

依据声学换能器至声学应答器之间的水平距离确定权值，解算每个声学应答器的坐标，根据各个声学应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数，利用改正系数后的声速重新计算每个声学应答器的坐标，循环迭代计算每个声学应答器的坐标，直至各个声学应答器坐标参数收敛，最终得到海底设备在GNSS全球参考框架中的绝对坐标。

进一步地，海底应答警报单元包括出水警报模块，当海底设备处于出水状态时，出水警报模块与岸基监测中心通信，并广播设备警报信息与设备位置信息。

进一步地，岸基监测中心包括岸基GNSS基准站，岸基监测中心设有计算设备、监控设备、控制设备、响应设备和可视化设备，计算设备用于解算海底设备所在坐标，监控设备、控制设备和响应设备用于远程监测、控制警戒浮标单元的各项工作进程及运行状态，可视化设备用于显示海底设备的位移轨迹。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供了一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，通过呈三角几何位置关系布放的警戒浮标组成三阵元海面监测基阵网，采用卫星和声学联合定位的方式，实时动态解算得到海底设备在全球参考框架中的绝对坐标，对海底设备大幅度位移等异常情况及时报警，全程跟踪定位海底设备位移轨迹，为搜寻工作提供支持。

(2)本发明实现了重要海底设备全生命周期内的精确位置监测、预警及跟踪，覆盖其正常运行时期、被动位移时期、有线通信被切断时期、被打捞出水时期等，全面保障海底设备安全。

(3)本发明联合坐标位置动态差分解算、杆臂矢量及姿态改正、声速分布模型补偿等技术方法，解算得到海底设备厘米级的定位精度，实现海底三维坐标精密传递，提升定位精度。

(4)本发明通过海底设备所在海域温度、盐度和深度数据建立声速模型，精准测量了海水声速的时域变化，降低了海水声速不均匀性引发的测量误差。

附图说明

图1为本发明的海底设备水下位移监测原理示意图；

图2为本发明的海底设备出水报警原理示意图；

图3为本发明的警戒浮标单元设计示意图；

图4为本发明的海底应答报警单元工作程序；

图5为本发明的海底设备位置解算程序图；

图6为本发明的警戒浮标上GNSS接收机与声学换能器之间杆臂矢量测量图。

图中标记说明：1、岸基检测中心，2、岸基GNSS基准站，3、卫星，4、GNSS接收机，5、警戒浮标，501、避雷针，502、全景相机，503、无线通讯模块，504、风力发电模块，505、太阳能充电板，506、姿态测量传感器，507、蓄电池组，508、磁耦合无线携能通信模块，509、自升降式温盐深剖面传感器，510、锚系，511、配重块，512、浮标标体，6、声学换能器，7、海底应答警报单元，8、海底设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明为一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，海底设备位移监测系统包括海底设备、多个警戒浮标单元、海底应答警报单元、卫星和岸基检测中心，海底设备设有呈三角形排布的多个海面定位点，各个海面定位点均设有警戒浮漂单元，海底应答警报单元安装在海底设备中，海底设备包括连缆和不间断电源，岸基监测中心分别连接每个警戒浮标单元和海底应答警报单元，海底设备及海底应答警报单元在正常工作状态下由连缆供电，不间断电源作为储能单元，当海底设备被渔船拖网或泊船拖锚拖动时，海底设备及海底应答警报单元由不间断电源供电，卫星与岸基检测中心、各个警戒浮标单元和海底应答警报单元通信；

海底应答警报单元监测自身当前的供电方式，当监测到不间断电源供电则持续发射包含报警指令的声脉冲信号，警戒浮标单元接收并解析到报警指令后发射高频次声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹，海底应答报警单元判断海底设备所处水深，当设备出水时海底应答报警单元采集GNSS数据并发送到岸基检测中心，岸基检测中心根据GNSS数据解算当前海底设备所在位置。

优选地，警戒浮标单元包括避雷针、GNSS接收机、无线通讯模块、声学换能器、姿态测量传感器、浮标标体、自升降式温盐深剖面传感器、锚系、配重块和蓄电池，避雷针、GNSS接收机和无线通讯模块安装在浮标标体浮出水面的部分，姿态测量传感器和蓄电池安装在浮标标体内部，声学换能器和锚系安装在浮标标体沉入水面的部分，自升降式温盐深剖面传感器安装在锚系上，配重块安装在锚系一端。

优选地，自升降式温盐深剖面传感器包括驱动模块、传感器模块和磁耦合无线携能通信模块，驱动模块沿锚系缆绳进行升降运动，传感器模块测量海水温盐剖面并记录测量结果，磁耦合无线携能通信模块安装在浮标标体内部，通过磁耦合方式和传感器进行充电和双向数据传输。

优选地，警戒浮标单元设有全景相机，全景相机安装在浮标标体浮出水面的部分，实时记录海底设备周围环境的图像，提供更多该海域的船只航行信息，便于寻找海底设备。

优选地，警戒浮标单元包括太阳能发电设备和/或风力发电设备，太阳能发电设备和/或风力发电设备与蓄电池连接，提升警戒浮标单元的使用期限。

优选地，海底应答警报单元包括声学应答器、微控制器、压力传感器、GNSS模块、无线通信模块，微控制器用于监测海底应答警报单元的供电方式，压力传感器用于计算海底应答警报单元的所处深度，声学应答器接收声学换能器发出的声脉冲，当海底应答警报单元出水时，GNSS模块接收GNSS数据，无线通信模块与岸基监测中心通信。

优选地，声学应答器采用二进制声学命令系统代码结构进行编程，声学应答器包括启用程序、禁用程序、应答程序和警报程序，执行禁用程序后，声学应答器禁用应答程序，减少声学应答器之间互相干扰的现象，降低系统的电量消耗。

优选地，统给定海底设备的声学应答器坐标初值，基于该海底设备所在海域温度、盐度和深度数据建立声速模型，利用声脉冲信号在声学应答器和声学换能器往返时间、GNSS接收机接收的GNSS数据、GNSS接收机相位中心与声学换能器测量中心之间的杆臂值、姿态传感器接收的警戒浮标姿态数据，计算得到声学换能器坐标；

依据声学换能器至声学应答器之间的水平距离确定权值，解算每个声学应答器的坐标，根据各个声学应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数，利用改正系数后的声速重新计算每个声学应答器的坐标，循环迭代计算每个声学应答器的坐标，直至各个声学应答器坐标参数收敛，最终得到海底设备在GNSS全球参考框架中的绝对坐标。

优选地，海底应答警报单元包括出水警报模块，当海底设备处于出水状态时，出水警报模块与岸基监测中心通信，并广播设备警报信息与设备位置信息，有助于寻找海底设备。

优选地，岸基监测中心包括岸基GNSS基准站，岸基监测中心设有计算设备、监控设备、控制设备、响应设备和可视化设备，计算设备用于解算海底设备所在坐标，监控设备、控制设备和响应设备用于远程监测、控制警戒浮标单元的各项工作进程及运行状态，可视化设备用于显示海底设备的位移轨迹。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

由图1所示，本发明包括海底设备8、警戒浮标单元5、海底应答报警单元7、卫星3和岸基监测中心1。警戒浮标单元5布放到需要保护的海底设备8附近海域，三套警戒浮标单元5呈三角几何位置关系布放，组成三阵元海面监测基阵网。警戒浮标5搭载的GNSS接收机4能够采集卫星3测得的GNSS数据，通过与岸基GNSS基准站2组差或网络RTK的方法，动态差分解算其相位中心厘米级的坐标位置；警戒浮标单元5搭载的声学换能器6能够以可控的重复率发射“询问”声脉冲信号，并获取来自海底应答报警单元7的声学应答器的“回答”数据，采用互相关方法解析声脉冲信号，获得声学换能器6至声学应答器之间声脉冲往返传播的时间，精度可达到毫米级；GNSS接收机4相位中心与声学换能器6测量中心之间的坐标转换可通过测量杆臂矢量及旋转、俯仰和倾斜角等姿态数据补偿改正得到；警戒浮标单元5可通过无线通信模块503与岸基监测中心1进行双向通信；警戒浮标单元5安装有风力发电模块504和太阳能充电板505采用风能/太阳光能互补方式供电，并在蓄电池507中存储电能；海域的温盐剖面数据可通过自升降式温盐深剖面传感器509沿锚系510移动测量得到，通过磁耦合无线携能通信模块508发送至无线通信模块503；锚系510一端连接有配重块511，用于保证警戒浮标单元5位置稳定。

具体的海底设备水下位移监测流程如下：通过GNSS观测值、杆臂值、姿态数据、声脉冲传播时间、海域声速分布模型等数据实时动态解算得到声学应答器的位置坐标。并利用上述估计的声学应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数，最后，利用改正后的声速重新计算每个声学应答器的坐标。按此流程循环迭代，直至声学应答器坐标参数收敛。输出海底设备声学应答器位置和声速模型函数的系数，进而得到海底设备在全球参考框架中精确的绝对坐标。并在岸基监测中心服务器上储存数据、可视化界面上实时显示海底设备的位置或位移轨迹。

由图2所示，海底应答报警单元7包括声学应答器、微控制器、压力传感器、GNSS接收机、无线通信模块、不间断电源。海底应答报警单元7通过耐压机电封装及水密连接器集成到海底设备8中随设备一同布放，正常状况下海底设备8与海底应答报警单元7通过观测网水下光电复合缆与岸基监测中心1进行双向通信与供电；声学应答器可采用二进制声学命令系统(BACS)代码结构，并使用特定的命令集进行编程，其中包括应答器启用程序、禁用程序、应答程序和警报程序，使用启用程序和禁用程序控制应答器状态。当禁用程序执行时，应答器在被询问时不会回复，这确保了该海底应答报警单元7不会干扰附近的其他的海底应答报警单元7，并且不会浪费电池能量来回复用于其他系统的询问信号。

具体的海底设备出水报警流程如下：当海底设备受外界影响后切换供电方式为不间断电源供电，通过微控制器监测海底应答报警单元的供电方式，若监测到不间断电源供电则立即编码控制声学应答器转换为主动应答模式，即以1次/min的频率持续发射由BACS编码结构编码报警指令的声脉冲信号，警戒浮标上声学换能器接收并解析到报警信息后同步启动发射高频次“询问”声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹。海底应答报警单元的出水报警模块激活并启动，微控制器将开始监测压力计输出的压力数据判断设备所处水深状态，若设备出水则管理GNSS模块开始采集GNSS数据，并通过与岸基基准站组差或网络RTK方式动态差分解算设备位置，进一步的，与岸基监测中心远程无线通信，并向附近海域船只或搜寻船只多频段广播设备报警及位置信息。

由图3所示，警戒浮标单元5包括浮标标体512和安装在浮标标体512上的避雷针501、全景相机502、GNSS接收机4、无线通信模块503、风力发电模块504、太阳能电池板505、姿态测量传感器506、铅酸蓄电池507、磁耦合无线携能通信模块508、声学换能器6、自升降式温盐深剖面传感器509(CTD)、锚系510和配重块511。避雷针501材质可选用不锈钢或者镀锌钢管，安装高度由浮标标体高度确定，以至有效的达到防雷害的目的，使浮标能够有效适应海气相互作用产生的恶劣天气。全景相机502通过支撑杆架设安装在浮标顶部，一方面能够提供警戒浮标周围视距范围内360度的视频信息，另一方面能够向下观察到浮标本体的图像信息，可为浮标本体可能存在的破损情况及警戒海域异常的船只拖网和抛锚行为进行实时监测。GNSS接收机4包括GPS定位模块和北斗定位模块，两种模块互补,可避免单一模块故障导致信标无法定位问题。同时，GNSS接收机具备功耗低、可靠的特点。可采用与岸基基准站组差或网络RTK的方法，动态差分解算GNSS接收机相位中心厘米级的坐标位置。无线通信模块503可采用短波、超短波、蜂窝移动通信或卫星等通信方式，将观测数据传输到岸站，由天线和通讯模块或一体化通讯设备组成。GNSS接收机4和无线通信模块503均安装在浮标标体512顶端的小平台上。考虑到长期无人值守警戒浮标的可靠性，本发明采用风能/太阳光能互补方式供电，太阳能电池板505、风力发电模块504与铅酸蓄电池507通过充放电控制器相连，一般选用大功率密度太阳能电池板，且需要做防水处理。姿态测量传感器506安装在浮标标体的中轴线上以实时确定浮标的旋转、俯仰和倾斜角等信息。浮标标体512为浮标提供浮力支撑，由高强度、耐腐蚀的材料制成，同时也作为仪器搭载平台，由塔架、标体、配重组成。磁耦合无线携能通信模块508安装在浮标标体内侧底部，可实现能量与数据的低损耗传输，能够为自升降式温盐深剖面传感器509(CTD)提供电能和双向的数据传输。可以接收自升降式CTD测量得到的剖面数据，进而通过浮标上的无线通讯模块503反馈至岸基监测中心1，也可以发送给自升降式CTD来自岸基监测中心1的指令，例如剖面测量频次。自升降式CTD可在驱动系统的牵引下沿着锚系缆绳实现升降运动，并在运动过程中完成对海水温盐剖面的测量。自升降式CTD会将测量结果记录在数据储存中，待仪器上升并靠近浮标底部时通过磁耦合无线携能通信模块508完成充电和双向的数据传输。声学换能器6能够以可控的重复率发射“询问”声脉冲信号，并获取来自一组海底应答器的“回答”数据，也能够接收并解析海底应答器主动发射的编码报警信息的声脉冲信号，同步启动高频次声脉冲信号“询问”。声脉冲信号均采用二进制声学命令系统(BACS)代码结构编码。采用互相关方法解析声脉冲信号，获得声学换能器至声学应答器之间声脉冲往返传播的时间。目前声学换能器的时间分辨率能达到微秒级，对应的测距分辨率为毫米级。连接有配重块511的锚系510可提供稳定的系泊力，使浮标能够在恶劣的海洋环境中长期系泊定位，由锚链、连接件、锚等组成，根据使用目的、深度和布放海区的不同，可使用系留缆、包塑钢丝绳等。组件均采用市售产品。

由图4所示，海底设备正常工作期间由海底观测网缆系供电，不间断电源作为储能单元，当海底设备被渔船拖网或泊船拖锚拖动时，通常该设备已失去连缆供电，此时海底应答报警单元由不间断电源供电。本发明通过微控制器监测海底应答报警单元的供电方式，若监测到不间断电源供电则立即编码控制声学应答器转换为主动应答模式，即1次/min持续发射由BACS编码结构编码报警指令的声脉冲信号，警戒浮标上声学换能器接收并解析到报警信息后随机同步启动发射高频次“询问”声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹。海底应答报警单元的出水报警模块激活并启动。若监测到观测网缆系供电，声学应答器将继续保持当前信号应答模式；出水报警模块启动后，微控制器将开始监测压力计输出的压力数据判断设备所处水深状态，若设备出水则管理GNSS模块开始采集GNSS数据，并通过与岸基基准站组差或网络RTK方式动态差分解算设备位置，进一步的，与岸基监测中心远程无线通信，并向附近海域船只或搜寻船只多频段广播设备报警及位置信息。若设备未出水，微控制器继续监测压力数据判断设备所处水深状态。

由图5所示，三套警戒浮标在警戒海域呈三角几何位置关系布放组成三阵元海面基阵网，在海面上使用GNSS接收机采集GNSS数据，通过与岸基基准站组差或网络RTK的方法，动态差分解算警戒浮标上GNSS接收机相位中心厘米级的坐标位置；测量GNSS接收机相位中心与声学换能器测量中心之间的杆臂值、警戒浮标的旋转、俯仰和倾斜角等姿态数据，补偿改正声学换能器测量中心厘米级的动态坐标位置；测定声学换能器测量中心至海底应答器之间的精确传输时间，通过三阵元距离交汇获得海底设备声学应答器的初始位置；基于温盐深剖面实测数据建立声速分布模型；联合GNSS观测值、杆臂值、姿态数据、声脉冲传播时间、海域声速分布模型等数据实时动态解算得到声学应答器的坐标。利用上述估计的声学应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数；最后，利用改正后的声速重新计算每个声学应答器的坐标。按此流程循环迭代，直至声学应答器坐标参数收敛。输出海底设备声学应答器位置和声速模型函数的系数，进而得到海底设备在GNSS全球参考框架中的绝对坐标。

由图6所示，由于GNSS接收机与声学换能器安装位置不同，声学换能器测量中心与GNSS接收机相位中心并不重合，两者之间存在杆臂值，杆臂值是定位精度的主要影响因素之一，杆臂是指由声学换能器测量中心指向GNSS接收机相位中心的向量，杆臂值以该向量投影在声学换能器坐标系下的三个分量来表示。进一步的，可利用光学和激光设备以毫米级的精度测定GNSS接收机与声学换能器之间的相对位置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述海底设备位移监测系统包括海底设备、多个警戒浮标单元、海底应答警报单元、卫星和岸基检测中心，所述海底设备设有呈三角形排布的多个海面定位点，各个海面定位点均设有警戒浮漂单元，所述海底应答警报单元安装在海底设备中，所述海底设备包括连缆和不间断电源，所述岸基监测中心分别连接每个警戒浮标单元和海底应答警报单元，所述海底设备及海底应答警报单元在正常工作状态下由连缆供电，所述不间断电源作为储能单元，当海底设备被渔船拖网或泊船拖锚拖动时，所述海底设备及海底应答警报单元由不间断电源供电，所述卫星与岸基检测中心、各个警戒浮标单元和海底应答警报单元通信；

所述海底应答警报单元监测自身当前的供电方式，当监测到不间断电源供电则持续发射包含报警指令的声脉冲信号，所述警戒浮标单元接收并解析到报警指令后发射高频次声脉冲信号以获取海底设备的动态定位信息，监测跟踪其运动轨迹，所述海底应答报警单元判断海底设备所处水深，当设备出水时海底应答报警单元采集GNSS数据并发送到岸基检测中心，所述岸基检测中心根据GNSS数据解算当前海底设备所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述警戒浮标单元包括浮标标体和安装在浮标标体上的避雷针、GNSS接收机、无线通讯模块、声学换能器、姿态测量传感器、自升降式温盐深剖面传感器、锚系、配重块和蓄电池，所述避雷针、GNSS接收机和无线通讯模块安装在浮标标体浮出水面的部分，所述姿态测量传感器和蓄电池安装在浮标标体内部，所述声学换能器和锚系安装在浮标标体沉入水面的部分，所述自升降式温盐深剖面传感器安装在锚系上，所述配重块安装在锚系一端。

3.根据权利要求2所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述自升降式温盐深剖面传感器包括驱动模块、传感器模块和磁耦合无线携能通信模块，所述驱动模块沿锚系缆绳进行升降运动，所述传感器模块测量海水温盐剖面并记录测量结果，所述磁耦合无线携能通信模块安装在浮标标体内部，通过磁耦合方式和传感器进行充电和双向数据传输。

4.根据权利要求2所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述警戒浮标单元设有全景相机，所述全景相机安装在浮标标体浮出水面的部分，实时记录海底设备周围环境的图像。

5.根据权利要求2所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述警戒浮标单元包括太阳能发电设备和/或风力发电设备，所述太阳能发电设备和/或风力发电设备与蓄电池连接。

6.根据权利要求2所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述海底应答警报单元包括声学应答器、微控制器、压力传感器、GNSS模块、无线通信模块，所述微控制器用于监测海底应答警报单元的供电方式，所述压力传感器用于计算海底应答警报单元的所处深度，所述声学应答器接收声学换能器发出的声脉冲，当海底应答警报单元出水时，所述GNSS模块接收GNSS数据，所述无线通信模块与岸基监测中心通信。

7.根据权利要求6所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述声学应答器采用二进制声学命令系统代码结构进行编程，所述声学应答器包括启用程序、禁用程序、应答程序和警报程序，执行所述禁用程序后，所述声学应答器禁用应答程序。

8.根据权利要求6所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述系统给定海底设备的声学应答器坐标初值，基于该海底设备所在海域温度、盐度和深度数据建立声速模型，利用声脉冲信号在声学应答器和声学换能器往返时间、GNSS接收机接收的GNSS数据、GNSS接收机相位中心与声学换能器测量中心之间的杆臂值、姿态传感器接收的警戒浮标姿态数据，计算得到声学换能器坐标；

依据声学换能器至声学应答器之间的水平距离确定权值，解算每个声学应答器的坐标，根据各个声学应答器坐标，采用二次多项式精化声速模型，依据等权模型解算二次多项式的声速改正系数，利用改正系数后的声速重新计算每个声学应答器的坐标，循环迭代计算每个声学应答器的坐标，直至各个声学应答器坐标参数收敛，最终得到海底设备在GNSS全球参考框架中的绝对坐标。

9.根据权利要求6所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述海底应答警报单元包括出水警报模块，当所述海底设备处于出水状态时，所述出水警报模块与岸基监测中心通信，并广播设备警报信息与设备位置信息。

10.根据权利要求1所述的一种基于卫星和声学联合定位的海底设备位移监测系统，其特征在于，所述岸基监测中心包括岸基GNSS基准站，所述岸基监测中心设有计算设备、监控设备、控制设备、响应设备和可视化设备，所述计算设备用于解算海底设备所在坐标，所述监控设备、控制设备和响应设备用于远程监测、控制警戒浮标单元的各项工作进程及运行状态，所述可视化设备用于显示海底设备的位移轨迹。