TWI493212B - Water positioning method and system - Google Patents

Description

水中定位方法及系統

本發明係關於一種水中定位方法及系統，特別是一種可藉聲納及水面上已知座標，探得水中目標座標的水中定位方法及系統。

在測距及定位技術的領域中，以聲納(Sound Navigation And Ranging，SONAR)系統及全球定位系統(Global Positioning System，GPS)最為人所知。聲納系統發展的較早，主要是利用偵測被測物體所反射或其本身發出的聲波訊號來判定偵側點和被測物之間的距離和方位，同時也可利用電聲轉換和信息處理來達成通訊任務。GPS藉由所接收到的衛星訊號計算出偵測點所在的位置，早年僅僅用於測量、工程、學術研究等等專業領域，但拜資訊及交通建設快速發展之賜，目前已被大量應用於如汽車導航或觀光旅遊資訊的提供及交換等種種服務，其所帶來的便利與強大功能，已對人類的生活型態帶來不可忽視的影響。

由於聲納系統必需偵測到來自被測物的聲波訊號才能估算其方位及距離，若被側物移動出或不在偵測範圍之內，就無法再追踪該物體。此外，聲納系統僅能測出被測物與偵測點的相對位置，並無法如GPS般可以算出物體在三度空間中的絶對座標，這也是為何GPS的應用範圍遠較聲納系統為廣的原因。然而，由於GPS的衛星訊號屬於電磁波，在水中會急速的衰減，故其應用無法拓展到水面以下。對從事潛水等水中活動而言， 目前並沒有如在陸地或空中等一般方便、精準又好用的定位設備，來提昇活動的便利性及安全性。

為了解決上述問題，本發明提供一種水中定位方法，乃是在欲定位的水中目標上方水面提供數個定位浮標，並以GPS等座標定位裝置取得這些定位浮標各自的座標資料，同時用聲納定位方法取得各定位浮標與水中目標間相對的空間關係；以便用這些座標資料及相對的空間關係，計算出水中目標的座標資料。

定位浮標中有一個主控定位浮標，其他則為受控定位浮標。透過水面上的無線通訊，主控定位浮標可以取得所有受控定位浮標的座標資料及其與水中目標間相對的空間關係，據以計算水中目標的座標資料。

主控定位浮標也可以將所計算出的水中目標的座標資料以聲納通訊方法傳送至水中的一個座標顯示裝置，以於水面下監控水中目標位置。通常是由一潛水者配備此水中座標顯示裝置，以確實掌握自身所在位置，也可用來在水中追踪特定水中目標。

除了在水中顯示座標外，主控定位浮標也可將所計算出的水中目標座標資料以無線通訊方法傳送至遠端監控裝置，以利母船、港口或救援單位掌握水中目標的位置。

聲納定位方法可以是自水中目標發出一聲納定位訊號，藉該聲納定位訊號扺達該複數個定位浮標的時間差來得知該複數個定位浮標各自與該水中目標間相對的距離，也可以由每個定位浮標分別向水中目標發出聲納定位訊號。定位浮標的數目最好是三個以上，以便進行三角定位運 算來算出水中目標的座標資料。

為了可以持續追踪會移動的水中目標，定位浮標可以配備水中動力系統，以隨水中目標移動，並使定位浮標之間保持預設的相對距離。

每一個定位浮標上裝設有聲納訊號接收器，用來接收來自水中目標之該聲納定位訊號；微控制器，用來控制定位浮標，及計算定位浮標接收該聲納定位訊號的時間差資料；座標定位裝置，用來產生相對於定位浮標位置之座標訊號；以及無線訊號收發器，用來在定位浮標之間發送並接收無線訊號。

主控定位浮標的微控制器為主控處理控制單元，所有定位浮標所產生的座標訊號及時間差資料通過無線訊號收發器的傳遞而集中於主控處理控制單元，以供主控處理控制單元運算而得致水中目標的位置座標。

視聲納探測方法的不同，聲納訊號發射器可分別裝設在每一個該定位浮標之上，也可以配備在水中目標上。

水中座標顯示裝置包括聲納訊號接收器，用來接收該聲納通訊訊號；以及顯示器，用以根據聲納通訊訊號顯示水中目標的位置座標。水中動力系統是在主控處理控制單元及各浮標的微控制器控制下移動定位浮標，以追踪水中目標，並使定位浮標彼此間保持一預設相對距離，而呈現如正三角形的排列。

1‧‧‧水中定位系統

11‧‧‧聲納訊號發射裝置

11a、11b‧‧‧聲納訊號發射器

12‧‧‧定位浮標

12a‧‧‧主控定位浮標

12b‧‧‧受控定位浮標

121‧‧‧聲納訊號接收器

122‧‧‧微控制器

123‧‧‧座標定位裝置

124‧‧‧無線訊號收發器

125‧‧‧水中動力系統

126‧‧‧電力系統

2‧‧‧水中目標

3‧‧‧水中座標顯示裝置

31‧‧‧聲納訊號接收器

32‧‧‧顯示器

33‧‧‧聲納訊號發射器

34‧‧‧微控制器

35‧‧‧電池

4‧‧‧遠端監控裝置

5‧‧‧活動監管站

6‧‧‧岸上管制中心

第1圖為本發明之水中定位系統一實施例之示意圖。

第2a圖為本發明之水中定位系統的俯視示意圖。

第2a圖為本發明之水中定位系統的側視示意圖。

第3圖為本發明之水中定位系統使用另一種聲納探測型態的示意圖。

第4a圖為本發明之定位浮標一實施例的方塊示意圖。

第4b圖為本發明之水中座標顯示裝置一實施例的方塊示意圖。

請參閱第1圖，本發明所提供的水中定位方法，是在欲定位之水中目標2的上方水面提供數個定位浮標12，並以GPS取得每個定位浮標12各自的座標資料，再以聲納定位方法取得每個定位浮標12各自與水中目標2間相對的空間關係，最後利用上述座標資料及相對的空間關係，即可計算出水中目標2的座標資料。

請參閱第2a圖及第2b圖，定位浮標12的其中之一為主控定位浮標12a，而其他定位浮標12為受控定位浮標12b。透過水面上的無線通訊，主控定位浮標12a取得每一受控定位浮標12b的座標資料，以及受控定位浮標12b與水中目標2間相對的空間關係，例如距離或方位等，以計算出水中目標2的座標資料。主控定位浮標12a將所計算出的水中目標2的座標資料以聲納通訊方法傳送至水中座標顯示裝置3，以於水面下監控水中目標2的位置。水中座標顯示裝置3可以直接配備在水中目標2，或由欲監控水中目標2的其他水中活動者持有。水中目標2可為一潛水者、潛水裝置、其他水中人造物體或水中生物等。

請同時再參閱第1圖及第2a、2b圖，若欲於遠端掌握水中目標的位置，以利監控或救援等，主控定位浮標12a可將所計算出的水中目標 2的座標資料以無線通訊方法傳送至一個遠端監控裝置4，以於如船艇、直昇機等活動監管站5或岸上管制中心6等位於水面上的遠端處所監控水中目標2的位置。亦可先將座標資料傳到活動監管站5或其他具有長距通訊能力的中繼處所，再傳到位於中長距離以外的岸上管制中心6。

聲納定位方法是由聲納訊號發射裝置11發出一頻率約在18kHz的超音波聲納定位訊號，藉聲納定位訊號扺達各定位浮標12的時間差或其他可測物理量來得知每個定位浮標12與水中目標2間相對的距離或方位。聲納訊號發射裝置11基本上有二種型態，一種如第1圖所示，直接由配備於水中目標2的聲納發射器11b發出聲納定位訊號，由定位浮標12裝置的聲納訊號接收器121接收。另一種聲納探測型態則如第3圖所示，是自定位浮標12以聲納發射器11a分別向水中目標2發出聲納定位訊號，藉聲納定位訊號碰到水中目標2後折返各個定位浮標12的時間差或其他可測物理量來得知各定位浮標12與水中目標2間相對的距離或方位。

請同時參閱第2a、2b及4a圖，水中定位系統1包括用來發射可自水中目標2向外傳送之聲納定位訊號的聲納訊號發射裝置11，用來顯示水中目標2之座標的水中座標顯示裝置3，以及定位浮標12(包括一個主控定位浮標12a及至少二個被控定位浮標12b)。定位浮標12包括聲納訊號接收器121、微控制器122、座標定位裝置123、無線訊號收發器124及水中動力系統125和電力系統126。聲納訊號接收器121接收由聲納訊號發射器11a或11b所發出的聲納定位訊號。座標定位裝置123為一GPS模組，用來產生相對於定位浮標12的位置之座標訊號，同時提供計算聲納定位訊號時間差時所需要的標準時鐘。無線訊號收發器124可為如RF收發器等無線通訊裝置，在各 定位浮標12之間發送並接收無線訊號。微控制器(Micro Controller Unit，MCU)122控制定位浮標12，也計算定位浮標12接收聲納定位訊號的時間差或其他可呈現相對位置的資料。其中，主控定位浮標12a的微控制器122為主控處理控制單元，除了負責主控定位浮標12a的一般操控外，也透過無線訊號收發器124間的無線通訊來控制所有定位浮標12產生座標訊號及時間差資料，並集中於主控定位浮標12a運算而求得水中目標2的位置座標。水中動力系統125在包括主控處理控制單元122a的微控制器122控制下提供移動動力予定位浮標12，以追踪水中目標2，並使定位浮標12彼此間保持一預設相對距離，而使三個定位浮標12呈如第2a圖所示的正三角形排列。為使定位浮標12可以長時間的運作，電力系統126除了電池之外，還可加裝太陽能板，以自海面上的陽光獲取電力。為了傳送水中目標座標至水中座標顯示裝置3，主控定位浮標12a還額外配備有聲納發射器11a，被控定位浮標12b則不一定要配備聲納發射器11a，除非是使用如第3圖的主動式聲納探測模式，或其他特殊需求時。

在一實施例中，水中目標2的座標資料，係以至少三個定位浮標12(包括主控定位浮標12a及被控定位浮標12b)各自與水中目標2間相對的距離，配合定位浮標12各自的座標資料，進行三角定位運算而得。以各定位浮標12的座標為球心座標，其與水中目標2之間的相對距離為半徑，各自形成的球面之交會點即為水中目標2的位置。由於各定位浮標12的座標可由各自的GPS取得，各定位浮標12與水中目標2之間的距離則可以聲納探測得知，故水中目標2的座標即可經由上述資訊運算求得。

水中目標2的位置座標可以被轉換為頻率約為40~60kHz的 聲納通訊訊號，並透過主控處理控制單元122a之聲納訊號發射器11a向水中座標顯示裝置3發射。如第4b圖所示，水中座標顯示裝置3包括聲納訊號接收器31，顯示器32，以及微控制器34，還有供應各元件電力的電池35等。自聲納訊號發射器11a發射的聲納通訊訊號被聲納訊號接收器31接收，透過微控制器34還原為座標資料，並顯示在顯示器32上，以讓潛水者(一般即為水中目標2)得知自己所在的方位及深度等資訊。水中座標顯示裝置3上更可以儲存如陸上GPS使用之地圖資料，或是某些特定標的的座標，以使潛水者能更精確的掌握潛水地點附近固定的建物、燈塔、港口等之方位、距離、座標等，大幅提昇潛水活動的安全性。若使用如第1圖直接自水中目標2發出聲納定位訊號的定位方式，則水中目標2的聲納訊號發射器11b可為一單獨配戴的裝置，亦可整合成內建於水中座標顯示裝置3的聲納訊號發射器33。

縱上所述，本發明的水中定位方法及裝置利用聲納所探得的水中相對位置資訊，與GPS所取得的水面上座標值結合運算，藉以求得水中目標的座標值，使潛水人員或水面上的監控或搜救人員能夠更精準的掌握水中目標的位置，大大提昇了水中活動的安全性及便利性。上述之具體實施例是用來詳細說明本發明之目的、特徵及功效，對於熟悉此類技藝之人仕而言，根據上述說明，可能對該具體實施例作部份變更及修改，其本質未脫離出本發明之精神範疇者，皆應包含在本案的申請專利範圍中，宜先陳明。

1‧‧‧水中定位系統

11‧‧‧聲納訊號發射裝置

12a‧‧‧主控定位浮標

12b‧‧‧受控定位浮標

2‧‧‧水中目標

3‧‧‧水中座標顯示裝置

Claims (15)

1. 一種水中定位方法，包括下列步驟：於欲定位之一水中目標的上方水面提供複數個定位浮標，並取得該複數個定位浮標各自的座標資料；以一聲納定位方法取得該複數個定位浮標各自與該水中目標間相對的空間關係，並且該聲納定位方法係自該水中目標之聲納訊號發射器發出一聲納定位訊號，藉該聲納定位訊號抵達該複數個定位浮標的時間差來得知該複數個定位浮標各自與該水中目標間相對的距離，或是該聲納定位方法係自該複數個定位浮標之聲納訊號發射器分別向該水中目標發出一聲納定位訊號，藉該聲納定位訊號折返該複數個定位浮標的時間差來得知該複數個定位浮標各自與該水中目標間相對的距離；以及以該座標資料及該相對的空間關係，計算出該水中目標的座標資料。
2. 如請求項1所述的水中定位方法，其中該複數個定位浮標之一為一主控定位浮標，而其他該複數個定位浮標為受控定位浮標，且透過水面上的無線通訊，該主控定位浮標取得每一該受控定位浮標的座標資料及該受控定位浮標與該水中目標間相對的空間關係，以計算出該水中目標的座標資料。
3. 如請求項2所述的水中定位方法，其中該主控定位浮標將所計算出的該水中目標的座標資料以一聲納通訊方法傳送至一水中座標顯示裝置，以於水面下監控該水中目標位置。
4. 如請求項3所述的水中定位方法，其中該水中座標顯示裝置係配備於該水中目標。
5. 如請求項4所述的水中定位方法，其中該水中目標為一潛水者。
6. 如請求項3所述的水中定位方法，其中該主控定位浮標將所計算出的該水中目標的座標資料以一無線通訊方法傳送至一遠端監控裝置，以於位於水面上的一遠端處所監控該水中目標位置。
7. 如請求項1所述的水中定位方法，其中該複數個定位浮標的數目為至少三個，且該水中目標的座標資料，係以該複數個定位浮標各自與該水中目標間相對的距離，配合該複數個定位浮標各自的座標資料，進行三角定位運算而得。
8. 如請求項1所述的水中定位方法，其中該複數個定位浮標配備有水中動力系統，以追踪該水中目標，並使該定位浮標彼此間保持一預設相對距離。
9. 一種水中定位系統，用來定位一水中目標，該水中定位系統包括：一聲納訊號發射裝置，用來發射可自該水中目標向外傳送之聲納定位訊號；至少三個定位浮標，位於水面上，每一個該定位浮標上裝設有一聲納訊號接收器，用來接收來自該水中目標之該聲納定位訊號、一微控制器，用來控制該定位浮標，及計算該定位浮標接收該聲納定位訊號的一時間差資料、一座標定位裝置，用來產生相對於該定位浮標位置之一座標訊號，以及一無線訊號收發器，用來在該定位浮標之間發送並接收無線訊號；其中該複數個定位浮標其中之一的該微控制器為一主控處理控制單元，而所有該定位浮標所產生的該座標訊號及該時間差資料通過該無線訊號收發器的傳遞而集中於該主控處理控制單元，以供該主控處理控制單元運算而得知該水中目標的位置座標。
10. 如請求項9所述之水中定位系統，其中該聲納訊號發射裝置為配備在該水中目標之一聲納訊號發射器。
11. 如請求項9所述之水中定位系統，其中該聲納訊號發射裝置為複數個聲納訊號發射器，分別裝設在每一個該定位浮標之上。
12. 如請求項9所述之水中定位系統，其中裝設該主控處理控制單元之該定位浮標更裝設有一聲納訊號發射器，且該水中目標的位置座標被轉換為一聲納通訊訊號，並透過該聲納訊號發射器向一水中座標顯示裝置發射，其中該水中座標顯示裝置包括一聲納訊號接收器，用來接收該聲納通訊訊號；以及一顯示器，用以根據該聲納通訊訊號顯示該水中目標的位置座標。
13. 如請求項9所述之水中定位系統，其中每一該定位浮標更包括一水中動力系統，用以在包括該主控處理控制單元的該微控制器控制下提供移動該定位浮標之動力，以追踪該水中目標，並使該定位浮標彼此間保持一預設相對距離。
14. 如請求項9所述之水中定位系統，其中該座標定位裝置為一GPS模組。
15. 如請求項9所述之水中定位系統，更包括一遠端監控裝置，其中該水中目標之該位置座標透過該定位浮標之該無線訊號收發器傳送至該遠端監控裝置，以於該遠端監控裝置監控該水中目標之位置。