CN1656390A - 基于gps的水下拖缆定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于GPS的水下拖缆定位系统，用于海洋地震勘测中，确定勘测船拖曳的水下水听器拖缆(A，B，C，D)的形状和位置。该系统包括在船后拖曳的多个表面装置。每个表面装置都具有GPS接收器，接收GPS射频信号并确定其位置。每个表面装置还具有一个声波发射器，将代表其位置的声信号和可选择的时间标记传入水中。声波接收设备，沿拖缆长度方向以一定间隔系连于一条或多条拖缆上，每个声波接收设备都包括一个接收来自表面装置的声波信息信号并通过该信号确定其位置的声波接收器。为增强来自远距离表面装置的信息信号，可以使用声波收发设备。

Description

基于GPS的水下拖缆定位系统
发明领域
本发明一般涉及于海上地震勘测，尤其涉及用于确定由地震勘测船身后水下牵引的水听器拖缆或海底拖缆的位置和形状的设备和方法。
在海上地震勘测中，通常用一条海船，例如一条水面船只，牵引一组水下缆绳，通常为拖缆。在每条拖缆上装备水听器阵列，用于接收海底地质层的地震反射，还装备多种传感器和控制器件，用于确定拖缆的形状和位置，并控制其深度。水面船只上还拖有一个震源，通常是气枪阵列，这些气枪以一定的间隔发射，向地质层中辐射震波能量。对于要求精确的勘测，必须精确地知晓拖缆和震源的形状和位置。传统的方法是，由沿拖缆配备有测深传感器，声学测距收发器(acousticranging transceiver)和磁罗盘以提供数据，通过这些数据可以在船上或对地震数据进行处理时计算出拖缆的相对形状。在拖缆的头端和尾端系连有头、尾浮标，作为可视标记。由水面船只和震源上的声学测距收发器与拖缆头端的收发器一起构成声学网络，用于使拖缆头端的位置依赖于船只和震源。尾端声学网络则由尾浮标和拖缆尾端上的声学测距收发器构成。在船只、震源和拖缆尾端的尾浮标上的GPS(全球定位系统)接收器用于帮助使拖缆的头端和尾端、震源以及船只的位置依赖于绝对大地位置(absolute geodetic position)。使用综合导航系统，通过对整个拖缆伸展开时的多个深度、距离和方位进行观测，对传感器的位置，以及由此对拖缆的形状进行估算。
虽然这些传统的拖缆定位系统运转良好，但是它们还存在一些不足之处。例如，声测距收发器要耗费很多能量才能传输具有足够能量的声波脉冲，以获得长距离的传输质量。这种能量需求将缩短电池供电设备中电池的使用寿命，并且也限制了对那些通过拖缆感应供电(inductively powered)的设备的使用。而且，如果声换能器是装在拖缆  中，而不是悬挂在拖缆上，则传输很难达到线上距离(即沿拖缆长度方向的距离)。并且，由于拖缆中的罗盘与拖缆中贯穿的金属加强构件和导体邻近，所以很容易受到不良影响。但是，当这些器件是悬挂在拖缆上，而不是装在拖缆中时，则在将拖缆卷上贮藏卷轴之前，要将这些器件取下来，再在使用拖缆时重新装上。这种取下和安装阻碍拖缆的取回和使用。此外，导航系统仅能从拖缆模型和大量观测结果中估算出传感器的位置。因为很多位置是通过一个或多个其它的估算位置所估算出的，所以沿拖缆的位置误差增大。在使用较长的拖缆时，这种位置误差传播的问题特别麻烦。
由于存在以上不足，所以需要一种拖缆定位系统，该系统能具有诸如耗能低、对拖缆的取回和使用造成的阻碍小、以及能对拖缆精确定位等优点。
GPS正广泛应用于导航中，并且该项技术还在持续发展。因为GPS卫星传输射频，而该频率不能穿透水，所以不能直接应用于水下系统。但对将GPS用于水下系统也已取得了一定进展。例如，1992年6月2日公开的美国专利No.5119341，“将GPS扩展到水下应用的方法(Method For Extending GPS To Underwater Applications)”中，描述了一种系统，该系统提出在信标上安装浮标，从而从GPS卫星信号动态确定其位置并将代表其位置的数据声学地广播给与水下运载工具。在另一系统中，如澳大利亚弗里曼特尔的Nautronix有限公司出售的NASNetTM系统，其中在勘测区域的海底设置站点网络。一旦处于适当位置，各个站点将与时间相关的类似GPS的信息声学地传输到一个或多个专门用于接收的用户处，这些用户可以几乎像GPS接收器处理GPS数据一样，使用接收到的信息。
但是，在这两种“水下GPS”系统中，声波发射器是固定的，或能漂移并覆盖一个固定或改变量很小的海域距离。当在海洋中另一位置使用时，例如用于一次新的地震勘测，就必须在相应的位置设置另一个这样的网络。由于这个原因，所描述的这两种系统在对海上地震勘测的拖缆定位使用中，都存在不足之处。
发明内容
本发明克服了上述不足之处，且拖缆定位系统所满足的需求也具有本发明的特征。该定位系统至少包括两个表面装置随海船在水面上航行。每个表面装置上有一个GPS接收器，用于接收GPS射频信号并确定其位置。在每个表面装置上的声波发射器发射声波信息信号，代表该表面装置的位置。在船后拖曳的一个或多个水下拖缆上，设置有多个声波接收设备。每条拖缆从靠近船的头端到相对的尾端伸展开来。每个声波接收设备包括一个声波接收器，用于接收表面装置发射的声波信息信号并从所获声波信息信号确定其位置。
在另一种定位系统中，声波收发设备系在其中一条拖缆上。该声波收发设备包括一个声波接收器和一个声波发射器。声波接收器接收表面装置发射的声波信息信号并从所获声波信息信号确定其自身位置。声波收发设备中的声波发送器将代表其自身位置的声波信息信号传入水中。其中至少一部分声波接收设备中的声波接收器接收从声波收发设备传来的声波信息信号用于确定位置。例如，在沿着拖缆与表面装置相距很远的位置上，使用这些声波收发设备增强由表面装置发射的信息信号，或者用于改善定位的几何关系(positioning geometry)。
本发明中的定位拖缆的方法具有以下特点，在海船后拖有一组拖缆。离船较近的为拖缆头端，离得远的为尾端。以一定间隔分离地拖曳具有GPS接收器和声波发射器的表面装置。沿拖缆系连具有声波接收器的声波接收设备。由表面装置接收GPS信息信号，并将其转化成位置数据。各表面装置将代表其位置的声波信息信号传入水中。用声波接收设备接收声波信息信号并用于确定它们的位置。
因此，本发明提供的设备和方法将普遍应用于地表定位的GPS的准确度扩展，使其用于水下拖缆定位。
附图简述
参照下面的描述，附加的权利要求和附图，可以对本发明的这些和其它优点、特征和方面进行更好的了解。
图1是本发明实施例中用于海上地震勘测的一种拖缆配置的俯 视示意图；
图2是图1的局部侧视图；
图3是本发明实施例中，图1和图2中使用的表面装置的方框图；
图4是图3中表面装置所发射的最小单位数据的表示；
图5示出本发明实施例中，图1和图2中使用的声波接收设备的基本方框图；
图6是图5中声波接收器更详细的方框图；
图7是图5中声波接收器的功能模块框图；
图8是根据本发明中图1和图2中采用的拖缆定位方法的示意图；
图9是图8中方法所用本发明实施例的声波收发设备的方框图；以及
图10是使用图5中的声波接收器的拖缆控制设备的方框图。
发明详述
图1和图2的例子描述了本发明拖缆定位系统的实施例。在该例子中，由海船V拖曳一个水听器拖缆网络，图1中的A，B，C，D代表4条拖缆。当然，也可使用更少或更多的拖缆。在地震勘测中，使用的拖缆通常有数千米长。例如，每条拖缆长8千米，其中，最远的拖缆相隔700米远。在这里，示出了将拖缆分成最靠近船的头端部分H，中间部分M和尾端部分T。在本例子中，拖缆A是较外层的右舷拖缆；拖缆B是较里层的右舷拖缆；拖缆C是较里层的左舷拖缆；拖缆D是较外层的左舷拖缆。在图2中，为了表示清楚，仅示出了处于不同深度的右舷拖缆A，B。在典型的勘测中，每隔150米将深度控制设备(未示出)系于拖缆上，令拖缆能保持在恒定深度。船上还拖有包含有一排气枪的震源S。在扫雷缆(paravane cables)10端部的左、右舷扫雷器Pp、Ps帮助保持拖缆相互分离。虽然如图所示拖缆的头端直接与扫雷缆相连，但在实际应用中，更常见的是将拖缆连在另一条系在左右舷扫雷缆间的拖缆上。拖缆头端还与船电连接以接收能量，并通过电连接或光连接接收来自船上的命令信号，并将水听器和传感器数据传到船上。每条拖缆的尾端用浮在海面L上并系在拖缆尾端的浮标12做标记。
为帮助定位拖缆，船上还拖有表面装置14，该表面装置可与扫雷缆相连，此扫雷器拖缆可位于扫雷器的内侧，或位于扫雷器的外侧并通过辅助扫雷器16将其进一步隔离。尾浮标12也可含有表面装置。还有一种替代方式，可在表面装置中装备遥控、自主的表面装置，例如水上摩托艇。如图3所示的表面装置可沿海底拖曳，或随船沿海面航行。但该装置有浮力，从而能浮在海面上。在吃水线L之上的GPS天线18接收从GPS卫星22或地面GPS差分站发出的射频信号20。虽然术语“表面装置”用于广泛指代接收GPS信号并发射声波信息信号的装置，但是该术语并不限于那些只在海面上拖曳的装置。“表面装置”指其功能是用于接收射频GPS信号的装置。因此，一个并入扫雷器的在海面以下工作的这种装置，但具有伸出海面的GPS大线，在本说明书的词汇中也认为是表面装置。传统的GPS接收器24利用该信号确定其位置(严格地说，是其天线的相位中心的位置)。处理器26从GPS接收器收集位置信息和其他的GPS数据，以及从姿态传感器27，例如俯仰传感器或滚动传感器，收集姿态信息。该处理器，优选具有一个微处理器，如Motorola MC68HC 11，利用GPS数据、姿态数据、和声换能器30与GPS天线相对位置信息的现有技术来计算换能器的绝对位置，该位置即认为是表面装置的位置。该处理器优选还构造一个信息，通过换能器发射到水中，优选地，如图4所示，该信息是简化的信息，其中至少包含表示换能器位置的坐标。
图4例子所示信息中仅包括表示表面装置(更具体地说，其换能器)在海面上的x-y坐标平面的坐标的2个15位字，以及一个可选择的时间标记，其可能包括如GPS时间标记或一个序号。x-y坐标的原点可任意选择，例如在地震勘测区的一个固定点或在移动的勘测船上一个点的位置。基于GPS时间从卫星接收的时间标记，在某些情况下是可选的，接着将会解释这一点。如上所述，这种简化的信息是优选的信息，但其中也可以包括其他数据或识别标记。在某些定位系统中，时间标记并不是必需的，而且可以消除。所述序号在每个探测周期都会增加，从而可作为GPS时间标记的一个替代形式。该序号指出了该信息数据所属的探测周期，从而不会与之后接收到的信息相混淆。3位字长足够表示GPS的时间标记或序号。在优选形式中，将信息发送到声波发射器28，产生一个伪随机码扩频信号，在音频波段内，例如2kHz-20kHz，对该信号进行调制。每个表面装置优选有独特的伪随机码，从而能与其它表面装置区分开。例如，长4095码片的Gold码，其每个载频可支持5个完全不相关的通道(channel)，在载频大约为5kHz操作时，适用于12千米的距离。当载频大约为10kHz时，适用于3千米的距离。x-y位置的信息字长优选使用15位，因为15位可以有足够的空间分辨率，而且15是4095码长的整因子。在第二个例子中，一个长1023码片Gold码，每个载频可支持5个完全不相关的信道，在载频约为5kHz时，适用于12千米的距离。当载频约为10kHz时，适用于3干米的距离。对于x-y位置优选15位的信息码字长，因为15位字可以有足够的空间分辨率。优选33位的信息字长，因为33是1023码长的整因子。对于长1023每秒码片，代码每秒重复一次。在33位每秒时，则信息在一秒钟内完成。3位的时间标记序列号，每8秒重复一次，当音速为c＝1500米/秒时，在12千米内能准确测定距离。扩频声波信息信号29由声换能器传入水中，该换能器可以是陶瓷球体或陶瓷圆柱体从而可获得全向波束图(omni-directional beam pattern)。时钟32向处理器和声波发射器提供时钟信号。时钟可以与GPS接收器内部时钟同步。可连续发射声信号，从而接收器可以保持锁定状态。当声信号的发射被例如来自震源的干扰打断，一旦信噪比低于阈值，接收器中的锁相环就会漂移(coast)且当信噪比增长到可接受的程度时继续追踪(tracking)。同样，发射器可以在脉冲模式下工作，在这种模式下，声波信息信号以规律的间隔通过或阻隔。连续发射的声信号使声波接收器能经常更新位置，从而使得可以用同处一地的拖缆控制设备对拖缆自主控制。而且，在与船上的舰船导航系统失去联系时，本发明中的定位系统可以继续对拖缆控制或保持拖缆拉平，因为该系统并不需要舰船导航系统输送控制命令，从而可以自主控制拖缆。并不是所有的应用中都需要带有遥测数据的信息。没有遥测数据，表面装置发射入水中的编码信号也可以如上所述地被接收器接收并追踪。接收器中所测到的码延迟表示伪距离(从表面装置至接收器间的传输时间)。在船上可通过伪距离来获得位置信息。
在本例子中，表面装置通过系连在金属环34上的牵引导杆或牵引绳束缚在一个拖曳点(tow point)。在船上的舰船导航系统和处理器之间优选经一硬连线的光或电导体，通过防水连接器38设置通信链路36。表面装置也优选通过一个包含硬连线通信链路的电缆从船上获得电源。整流器40对输入能源进行转换调节，将其转换成表面装置中的电子设备需要的电压。当然，也可以用电池组或其他能量源为表面装置提供能量，并且与船之间设置无线电通信链路，从而去除硬接线连接。通过通信链路可从船上对表面装置进行监控。
如图1和2所示，由表面装置发射入水中的声波信息信号由沿拖缆长度系连其上的声波接收设备42所接收。声波接收设备优选装在拖缆内部，或者连接在两条连续的拖缆节段之间并与其共线。在典型情况下，声波接收设备可以装在每组水听器接收器的中心，并处在例如拖缆调平或导向装置的拖缆控制器的位置。依靠表面装置中的声波发射器的发射距离和拖缆的长度，所有或部分声波接收设备将接收到所有表面装置的声波信息信号。然而，也可能声波接收设备仅接收到来自其附近的表面装置的声波信息信号，而接收不到远距离装置的信号。
图5所示为声波接收设备的方框图。来自表面装置的输入声信号29由每个声波接收设备中的声换能器44接收。该声换能器可以是一个陶瓷球体，一个PVDF(聚偏二氟乙烯)带，或其他结构，但是，因为它不进行发射，所以比表面装置中的声换能器小得多。换能器的输出用于声波接收器46。声波接收器解码扩频声波信息信号，以确定发射表面装置的身份，并使用包含在信息中的位置数据和可选的时间标记确定其自身位置。这样，声波接收器与表面装置上的射频GPS接收器执行类似的功能。将位置信息传送给与表面装置上的处理器类似的处理器48。而且，就像表面装置一样，声波接收设备也包括时钟50。整流器52经由拖缆从船上电阻性地或电感性地接收能量，或者从电池组接受能量，并将该能量转换成电子器件所需的工作电压。通信链路54设置在声波接收设备与拖缆上方的船只及其通信系统之间。来自舰船导航系统的命令和控制信息可以通过通信链路传送到声波接收设备。还可以传送时钟同步信号从而使不同接收设备中的时钟定期地同步，优选依赖于GPS时间，从而避免产生时钟漂移问题。使接收设备中的时钟与发射器时钟同步，则可通过较少的观测值对给定位置进行计算。这对长且几何关系复杂的距离尤其重要。来自声波接收设备的状态和位置信息可传送到船上。声波接收设备可以是独立的整体，也可以是还具有其他功能的设备的一部分。例如，声波接收设备可以作为拖缆调平或拖缆导向设备(例如吊舱)的一部分，或是与该种设备处于同一位置。
图6所示为接收设备的详图。换能器44将输入信号(inboundsignal)转换成电信号，在前置放大器66中放大，在带通去假频滤波器(anti-aliasing filter)68中进行滤波，并由模-数(A/D)转换器70采样并转换成数字样本。将该数字样本导入一个或多个接收器通道72。在优选情况下，使用11频带或FDMA(频分多址)通道。在每个频道，可使用5个码或CDMA(码分多址)信道。优选地，系统中总共有55个FDMA/CDMA通道可使用。将代表声波信息信号的数字样本的频率降低到基带转换器中的基带频率。基带样本与由相关器78中的编码发生器76产生的通道的伪随机码相关，以抽取出数字通道信号。在数据解调器80中将调制声信息的遥测数据(信息数据)提取出来，并传送到处理器48。伪距离数据，即在那个通道的发射表面装置的距离，在码跟踪环路滤波器82中提取出来并传送到处理器。码跟踪环路滤波器也可以通过NCO(数控振荡器)84不断地调节码相位。码延迟是从源发射器(表面装置的换能器)发出的声波信息信号传输至接收器的换能器的时间的测量。载波跟踪环路滤波器86对基带转换器所用的局部频带(local band)进行调节，从而在声信号载频中解决(account for)多普勒频移。由载波跟踪环路滤波器控制的载波NCO 88对应用于基带转换器的局部频带进行有效调节。载波环路滤波器还输出伪距离变化率到处理器中，该变化率是在声波传输时间内对源发射器和接收器间的相对速度的测量，可以用于补偿在位置计算中由于源发射器和接收器间的相对移动造成的影响。通过通信接口90，从通信链路54将命令和同步信号传送到处理器。将时钟50及其产生的信号用于处理器和接收器上的电子设备，使接收器能精确运转。计算出的位置数据、原始伪距离数据、以及其他数据也可以通过通信链路传输到船上。
图7表示声波接收器工作过程的功能方框图。每个接收器都可以获得和追踪N个声信号。优选地，每个接收器可接收12路信号，每个都处于单独的FDMA/CDMA通道。每个通道的信号通过解调，抽取出其中的遥测数据或其他的信息和数据。代码和载波追踪环路滤波器对伪距离和伪距离变化率进行测量。处理器利用存储在存储器中的信息数据，伪距离和伪距离变化率对接收器换能器的位置进行计算。为消除源发射器和接收器之间的同步不定性，通过通信链路传输一个时钟同步信号用于更新接收器时钟，并且使信号发生器和其他的接收器模块时钟再次同步。如果该同步信号中断或丢失，通过接收3个或更多的距离和遥测数据以及解决接收器的时钟偏移，可以在有限的一段时间内解决同步不定性。
在一种优选的定位系统中，采用了码片速率为455Hz的长4095码片的Gold码。这样即产生一个9秒的代码周期。每一秒中发送一个信息块。所有的表面装置，包括船上的控制器，都与GPS时间同步。具有声波发射器的表面装置使每个声波代码周期的开始与GPS 1 PPS信号(每隔9秒)同步。在通信链路缺少时钟同步信息信号的情况下，接受器依靠它们的本地时钟保持同步。在第二种优选定位系统中，采用一个码片速率为1023Hz的长1023码片的Gold码。这样即产生一个一秒码周期(one-second code period)。每一秒发送一个信息块。所有的表面装置，包括船上的控制器，都与GPS时间同步。具有声波发射器的表面装置使每个声波代码周期的开始与GPS 1PPS信号和时间标记或序号(每隔8秒)同步。
信息块每隔1秒重发，并随之在信息块开始传输时，对与发射器位置对应的新位置每秒进行更新。每条信息包含一个信息序号(1-9或0-7，取决于采用的优选型式)，该序号表示在GPS时间中代码周期所占据的秒。接收器通过采用信息序号，能解决由码长造成的距离模糊。对于脉冲的发射模式，每个发射器能保持源自GPS 1 PPS输出的1秒的计数器，其中滚动间隔(rollover interval)是其周期性发射间隔的2至4倍。在倾斜距离计算中，采用接收器测得的深度，及标定的或发射器测得的深度进行计算所有的二维x-y位置(x-坐标，y-坐标)。
系统设计为能在多种操作模式中运行。在第一种模式中，发射器和接收器连续运行，并通过通信链路接收器周期性地再次同步。在每个声波代码周期的开始，通过通信链路传输时钟同步信息信号，使接收器时钟与GPS时间同步。接收器连续追踪发射器的编码信号。发射器的信息序号和x-y位置都包含在每个发射器的信息块中。接收器对该信息在接收时进行解码并存储在局部存储器中。在接收同步信号上，可以对接收器进行任何必要的时钟调整，从而对同步信号的接收时间校正其时钟(对通信滞后的调整)并开始位置更新。接收器同时对每个发射器的代码相位进行测量，并且从它的局部存储器中检索最新解码位置。通常，在公共代码相位测量时间和每个接收信号的最后信息块的起始时间之间，存在着不同时间偏差。对每个发射器而言，接收器测量和储存这些时间偏差用于位置计算。为确定每个伪距离，接收器要乘以一个分数值，该分数值通过代码周期中代码相位与发射器间的相互关系确定。利用声波在水中的传播速度、所测得的伪距离、以及所接收到的并被调节到代码相位测量时间的发射器位置，接收器对其自身位置进行计算。因为消除了接收器的时钟偏差，所以进行未知的、自主的双距离观测是可能的。
在另一个操作模式中，发射器和接收器连续运行，但是不采用时钟同步信号。这种模式需要使用第三个伪距离来解决接收器的时钟偏差。这种模式是在失去通信链路时，前述模式的备用模式。
在第三个操作模式中，发射器在占空比为50％或小于此值且周期性时钟同步的情况下进行发射。接收器也不是连续运行。船上的初始时钟同步信号通过通信链路传输到所有的发射器和接收器中。在接收同步信号的基础上，每个发射器发射个短的编码信号，其中包括该独一的发射器ID和由其GPS接收器所确定的它当前的x-y位置。在接收时钟同步信号的基础上，每个接收器启动一个计时器，并开始接收编码信号。当接收到信号时，将位置解码同时储存计时器值。信号接收时间表示此发射器的伪距离。利用声波在水中的传播速度、所测得的伪距离、以及所接收到的发射器位置，接收器对其自身位置进行计算。因为消除了接收器的时钟偏差，所以进行未知的、自主的双距离观测是可能的。
在另一个模式中，发射器在占空比为50％或小于此值时运行，但是接收器连续运行。但是在通信链路上没有时钟同步信号传输。在基于GPS时间的周期性间隔，每个发射器同时发射一个具有独一的发射器ID的编码信号以及包含其当前x-y位置和GPS时间的信息块。每一接收器时钟具有来自GPS时间的未知偏差。接收器连续地接收编码信号。当接收到来自发射器的信号时，对发射器的位置和信号发射时间解码。在信号接收和发射时间之间的差表示此发射器的伪距离，但其中还包括接收器的时钟偏差。利用声波在水中的传播速度、至少三个所测到的伪距离、所接收到的发射器位置、以及所接收到信号发射时间，接收器解出其位置和时钟偏差。为了确保正交性，每个发射器在1023位形式下采用其全部的一秒Gold码(one-second Gold code)。这样能够，例如，对于一个5秒的更新周期，保持发射器的占空比在20％以下。
为了计算精确水中位置，必须考虑发射器的运动。在接收器位置计算中，有几种重新获得发射器大致位置的方法可以使用。对每个伪距离的测量，为了消除在信息接收延迟间隔中(伪距离测量和先前信息块起始之间的时间)发射器运动的影响，在信息块中接收到的发射器位置必须在时间上提前反映出来，该时间与在伪距离测量时处理的代码码片传输相对应。这里有三种方法：
1)接收器对信息块进行连续解码，并对发射器速率维持滤过估算。接收器利用接收到的发射器位置来更新滤波器，并利用估算速率在时间上提前反映发射器的位置，提前的时间与伪距离测量和之前代码周期起始之间的时间间隔(一个代码周期加上与所测代码相位相等的时间)相等。
2)接收器对信息块进行连续解码，并保持在最后发射器位置的入口缓冲器(one-entry buffer)处于解码状态。在伪距离测量时，接收器对下一个可用信息块进行解码，以获得较新的发射器位置，并测量信息延迟间隔。然后，基于信息延迟间隔，在当前和先前的发射器位置之间插值，以估算出被测伪距离传输时间内的发射器位置。
3)将发射器速率加入表面装置的信息块中。接收器利用接收到的发射器位置和速率，在时间上提前反映发射器的位置，提前时间与信息延迟间隔相等。
通过采用与一个或多个表面装置间的距离以确定位置，可以将时钟漂移和因其引起的位置估算上的伴随误差消除或者最小化。可以考虑声波接收设备的四个未知位置变量为：a)x-坐标；b)y-坐标；c)z-坐标；和d)时间(接收器时间模糊，或者时间偏差)。为分解这四个变量，需要四个独立的距离(从四个单独的表面装置)。分解该时间变量等同于消除声波接收设备中时钟的时钟漂移。如果高度(深度)受控制，即，z坐标已知或假定，则仅需要三个表面装置。通过通信链路对声波接收设备中时钟的周期性同步也能去除一个距离。因此，如果由时钟同步信号对时钟同步或由时间标记修正，且深度已控制，则仅需要两个距离(两个表面装置)。如果深度未控制，只要时钟是周期性同步，则需要三个表面装置。因此，通过估计过度或者周期性时钟同步能够去除时钟漂移。
在一些例子中，如图8所示，特别是在拖缆中间部分M的附近，很难达到对声波接收设备精确地位置估算。因为将漂浮物系在拖缆中间部分不是常规做法，表面装置通常在拖缆的头端和尾端附近。由于信号衰减和声波距离的限制，以及较差的几何结构，在长距离时，用其它声学信息信号补充或者完全替换由表面装置发射的声波信号是必要的。得到这种效果的一个方法是在拖缆上系连声波收发设备56，例如，在拖缆的长度位置的25％和75％处。此声波收发设备与声波接收设备42类似，但是具有如图9所示的方框图中的发射声波信息信号58的附加性能。此声波收发设备具有一个与声波接收设备中相同的接收通道。不同之处仅仅在于优选使用一个较大的声波换能器60，来延伸声波发射的距离。声波发射器62与换能器耦合，以产生发射到水中的声波脉冲。最好如图8所示，拖缆头端的表面装置发射出声波信息信号，被位于25％长度处的位置64的声波收发设备接收。声波接收器对接收到的信息信号29解码，并确定其位置。声学发射一个包含声波收发设备位置信息的声信号，并被位于拖缆中间部分M的声波接收设备42接收。因此，声波收发设备中的发射器执行与表面装置中的声波发射器同样的功能。这样，可以将位置方位传输到拖缆中间位置。
通过在最外层的拖缆A，D的25％和75％位置处设置声波收发设备，如图8所示，可以获得有利的几何关系。通过接收由头端的表面装置发射的声波信息信号并对其进行处理，可以确定位于25％位置处的声波收发设备的位置。然后，那些装置可发射代表其位置的声波信息信号，其中可选地包括时间标记，该信号由位于中间部分M的最首端的声波接收设备42所接收，并用于确定它们的位置。同样，位于尾端的表面装置，例如位于尾浮标12中，通过插入处于75％的声波接收设备，可以用于确定中间部分最尾端的声波接收设备42的位置。利用像这样的增大配置，可以对整条拖缆精确定位。
该声波接收设备的一种专门用途就是与系连在拖缆上的拖缆控制设备相联合，并通过至少两个控制面对拖缆调平和导向，该面通常称作翼。声波接收设备与拖缆控制设备紧挨着配置，甚至可以将其容纳在拖缆控制设备中，通过两者的联合使用，可以给该控制设备提供自主控制拖缆而不需持续依赖于船上控制器的能力。如图10所示，处理器92通过声波接收设备99通过从不同通道接收到的信息而获得的声波信息数据、伪距离和伪距离变化率数据对x-y位置和位置变化率信息(x，dx/dt，y，dy/dt)进行计算，其中，声波接收设备99与每个控制设备100相联或容纳在每个控制设备100之中。位置和位置变化率信息与测深传感器93所测的深度信息一起，用于控制拖缆的深度和侧向偏移。船上的控制器可以通过通信接口90，从通信链路54向这些设备传送控制命令，使这些设备保持与船或表面装置之一之间的相对位置。或者，该设备也可以指令依勘测位置采取预定的航迹。该设备接收通过通信链路传输的一个或一系列命令，这些命令代表所需的相对于船或探测位置的深度和侧向偏移量。实际的侧向位置则由处理器计算。误差检测器94从预期位置中减去实际计算出的位置，得到一个误差向量。翼控制器95使用该误差向量计算需要的翼位置，翼控制器的功能和误差检测器一样，但是更适用于翼控制算法，但在硬件实施上两者可以替换。(控制算法可以与用于自动驾驶仪中控制航空器的算法类似。)翼控制器的输出通过位置、位置变化率和深度误差，以及例如由取向传感器(如滚动传感器)96测量的拖缆控制设备的取向获得，并传输到翼位置控制器97。翼101的实际位置由翼位置传感器98测量。根据实际翼位置和翼控制器的输出，翼位置控制器将命令信号传送给翼马达，将翼移到相应位置。所有的翼控制器可以有多种执行方式，例如，深度和侧向位置可以用两个独立的PID环路分别控制，或再与状态变量方程或模糊逻辑控制联合控制。
对于一个纵向轴与拖缆轴线一致的同线拖缆控制设备，可以对设备绕轴的滚动进行控制。通过对翼定位可以在与拖缆轴线垂直的任何方向施加一个力。可以用步进电机或伺服电机结合翼位置测量值及翼位置控制器一起，对翼的位置进行控制。或者，绕拖缆的滚动也可以用一个分离的马达控制。另一个例子中，可用一个具有三个或四个翼的设备，控制拖缆上的力。
这样，即使设备与船上系统失去联系，拖缆控制仍旧存在。如果设备中有备用电池，即使与船上系统所有的光、电连接都被阻断，也可以继续保持对拖缆进行控制。
因此，本发明提供了可将GPS用于对在地震勘测中，拖曳于勘测船后的水下拖缆定位的设备和方法。
虽然本申请中只对优选的设备和方法做了详细说明，但一些其他方案也是可能的。例如，所举例的表面装置和声波收发设备的特定几何关系只是作为一个示例，显然还可以采用其他的配置。另外，信息中也可以包含大于或小于15位的其他的数据或位置信息。测深传感器可以与安在拖缆上的接收设备处于同一位置，以获得第三部件的位置。除拖缆和海底拖缆外，系统也可以用于其他设备的定位。所以，根据以上这些例证，本发明的权利要求不应该只局限于对优选方案的描述。

Claims (26)

1.一种用于拖曳于船后一条或多条水下拖缆的定位系统，其中包括：
至少两个随船在水面移动的表面装置，每个表面装置包括：
一个GPS接收器，用于接收射频GPS信号并确定表面装置的位置；以及
一个声波发射器，用于将表示该表面装置位置的声波信号传入水中；
多个声波接收设备，沿拖曳于船后一条或多条水下拖缆布置，每条拖缆从靠近船的头端延伸到相对的尾端，每个声波接收设备包括：
一个声波接收器，用于接收由所述多个表面装置所发射的声波信息信号并通过该声波信息信号确定该声波接收设备的位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，还包括：
系在其中所述一条拖缆上的一个声波收发设备，其中包括：
一个声波接收器，用于接收由所述多个表面装置所发射的声波信息信号并通过该声波信息信号确定其位置；以及
一个声波发射器，用于将代表其位置的声波信息信号发射入水中，以及
其中至少一部分所述声波接收设备中的所述声波接收器接收来自所述声波收发设备的声波信息信号用于定位。
3.根据权利要求1所述的定位系统，包括4个表面装置，其中两个所述表面装置在船的相对两侧并靠近所述拖缆的头端拖曳，另外两个所述表面装置靠近所述拖缆的尾端并隔开拖曳。
4.根据权利要求2所述的定位系统，具有多条拖曳于船后的拖缆，其中被拖曳的所述表面装置分别靠近该拖缆的头端和尾端，并且包含多个设置于最外层拖缆的头端和中部、尾端和中部之间的声波收发设备。
5.根据权利要求1所述的定位系统，还包括一个位于所述船和所述声波接收设备之间的通信链路，通过该通信链路，将位置信息从该声波接收设备传输到该船上。
6.根据权利要求1所述的定位系统，还包括一个位于所述船、所述表面装置以及所述声波接收设备之间的双路通信链路。
7.根据权利要求1所述的定位系统，至少包括三个表面装置，并且其中每个声波接收器接收来自三个表面装置的声波信息信号。
8.根据权利要求1所述的定位系统，其中所述声波信息信号中包括时间标记。
9.根据权利要求8所述的定位系统，其中所述时间标记是一个序号。
10.根据权利要求1所述的定位系统，还包括一个位于所述船和所述声波接收设备之间的通信链路，通过该通信链路，将时钟同步信号传送给该声波接收设备。
11.根据权利要求1所述的定位系统，其中所述表面装置中的所述GPS接收器通过所述射频GPS信号重获GPS时间，并且其中所述表面装置还包括一个与GPS时间同步的时钟，该时钟确定所述声波信息信号的发射时间。
12.根据权利要求1所述的定位系统，还包括一个与所述声波接收设备相关的拖缆控制设备，该拖缆控制设备通过由所述声波接收设备确定的位置来控制所述拖缆。
13.根据权利要求1所述的定位系统，其中至少所述表面装置之一容纳在从扫雷器、尾浮标、遥控自动水面运载工具的组之中选用的海洋勘测仪器中。
14.在海洋地震勘测中，对水面船只后拖曳的水下拖缆定位的一种方法，包括：
将声波接收设备间隔地设置在一条或多条拖缆上；
将拖缆在水面船只之后的水下拖曳；
将具有GPS接收器和声波发射器的多个表面装置拖曳于水面船只之后；
在该表面装置中接收GPS信号；
从每个该表面装置发射代表该表面装置位置的声波信息信号；
在该声波接收设备中接收该声波信息信号，以确定该声波接收设备的位置。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将时钟同步信号发送到所述声波接收设备。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过在所述表面装置中接收到的所述GPS信号重获GPS时间，从而使所述声波信息信号的发射与GPS时间同步。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将具有声波接收器和声波发射器的声波收发设备系连在一条或多条所述拖缆的多个位置上；
接收该声波收发设备中的所述表面装置发射的所述声波信息信号；
从每个该声波收发设备发射代表该声波收发设备位置的声波信息信号；并且
在该声波接收设备中接收由该声波收发设备发射的该声波信息信号，以确定该声波接收设备的位置。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
向所述声波接收设备和所述声波收发设备发送一个时钟同步信号。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过由所述声波接收设备所确定的位置控制所述水下拖缆的位置。
20.一种用于拖曳或拖拉于船后的一条或多条水下拖缆的定位系统，该定位系统包括：
至少两个表面装置随船沿水面运动，每个表面装置包括：
一个GPS接收器，用于接收射频GPS信号；以及
一个声波发射器，将用于区分该特定表面元件的编码信号发射入水中；
多个声波接收设备，沿一条或多条拖曳于船后的水下拖缆设置在水下，每条拖缆从靠近该船的头端延伸到相对的尾端，每个声波接收设备包括：
一个声波接收器，用于接收由该多个表面装置发射的该编码信号，并且确定该编码信号的码延迟，从而可以确定该声波接收设备的位置。
21.根据权利要求20所述的定位系统，还包括：
一个船上的导航系统；
一个位于该导航系统和所述声波接收设备之间的通信链路，
其中该声波接收设备将可表示该编码信号的码延迟的伪距离数据传送给该导航系统，以确定该声波接收设备的位置。
22.根据权利要求21所述的定位系统，其中所述导航系统通过所述通信链路将时钟同步信号传送到所述声波接收设备。
23.根据权利要求21所述的定位系统，还包括一个与每个声波接收设备相关并贴近的拖缆控制设备，且其中所述导航系统通过所述通信链路将命令信号传送到该拖缆控制设备，以控制所述拖缆的位置。
24.根据权利要求20所述的定位系统，其中每个表面装置中的所述声波发射器将可表示该表面装置位置的遥测数据与所述编码信号一起，发射给所述声波接收设备。
25.根据权利要求20所述的定位系统，其中所述表面装置中的所述GPS接收器从在该表面装置中接收的射频GPS信号重获GPS时间，以使所述编码信号的发射与GPS时间同步。
26.根据权利要求20所述的定位系统，其中至少所述表面装置之一容纳在从扫雷器、尾浮标、遥控自动水面运载工具的组中选出的海洋勘测仪器之中。
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