基于gps 差分和超声波定位的组合式水下立体定位系统设计

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1、基于GPS差分和超声波定位的组合式水下立体定位系统设计常琬莹公安海警学院电子技术系浙江宁波315800【文章】本课题主要研究在分析GPS差分定位技术、水下超声波定位技术的基础上，采用水上海洋GPS浮标构建海面基准控制X，然后利用超声波定位方式，确定水下载体坐标位置的组合式立体导航定位方式。GPS水下立体定位导航系统，是在GPS相对定位原理确定水上GPS浮标坐标位置的基础上，再基于空间后方交会原理，利用超声波定位，确定水下用户位置的水面-水下立体定位方式。该系统既可克服传统GPS浮标定位模式在水声基阵设置和作业效率方面的弊端，同时又克服了INS惯性导航所引起的误差传递累积、造价高昂等

2、缺点。【关键词】GPS差分；超声波定位；空间后方交会1GPS水下立体定位导航系统的总体构成GPS水下立体定位导航系统，硬件系统上由差分GPS基准站、GPS浮标、水下载体收发设备构成，软件上还包含陆基或船舶数据处理控制中心、水上无线通讯模块和水下水声通讯模块，具体组成可见图1所示：GPS浮标利用GPS星座与差分GPS基准站构成海面测量基准控制X，利用水下水声定位的测量基线，空间后方交会即可确定水下载体的位置信息。同时，数据监控中心与水下数据通讯模块完成信息图1GPS水下立体定位导航系统总体构成012电子科技ElectronicsTechnology电子制作传递，实现水下导航的作用。2

3、定位原理概述GPS水上定位和超声波水下定位是水下用户定位的两个基本过程。2.1GPS水上定位原理介绍设置一个卫星测距信号正在传输中。测距信号的定时由卫星上的一个时钟操作完成，用一个记为有效的内部同步时钟与星座每颗卫星的GPS系统的其他时钟尺度同步。给用户接收机也设置一个时钟，并令该时钟与系统时间一致。嵌入在卫星测距信号中的定时信息，传递给接收机，使其能准确计算出信号何时离开卫星，据此可以计算出由卫星传至用户所需的时间t，这样卫星至用户的距离R便可以计算出来，即为R=t*光速。最终用户被定位于以该卫星为中心的球面上的一个地方。可以想象若同时对三颗卫星执行上面的测距过程，这样用户会被定

4、位在三个球面上，最终可以获得两个点。然而，这两个点中只有一个代表了用户的准确位置。通过分析可知，球面上的近地点被认为是用户的真实位置。用户接收机相对于坐标系原点的位置及方向用矢量u表示，用户到卫星的偏移矢量用r表示，卫星相对于坐标原点的位置用矢量s表示，s可由卫星广播的数据计算得到。Xu，Yu，Zu代表用户坐标，是未知数。Xs，Ys，Zs是卫星坐标，是已知的。其中，卫星到用户的偏移矢量可由卫星相对于原点的位置与用户相对于原点的位置求得。即，r=s－u(1)矢量r的大小为:‖r‖=‖s－u‖(2)接收机时间与系统时间的偏差用Tu表示，卫星时间与系统时间的偏差用δT表示，c代表为光速，

5、ΔT代表传播时间。据此，可计算用户至卫星的几何距离r，即r=cΔT(3)由于误差的存在，可计算出伪距ρ，即ρ=r+c(Tu－δT)(4)根据上述内容计算，可得到如下方程组：ρi=(Xi－Xu)+(Yi－Yu)+(Zi－Zu)+CTu;i=1，2，3，4(5)其中，Xu，Yu，Zu，Tu均为未知量。将已知数值带入公式计算，水面GPS浮标的位置就可以被计算出来。2.2水下定位原理介绍超声波是指振动频率高于20kHz的声波，基于声波能够在水下传播这一原理，超声波常被用来作为水下定位的方法之一。超声波由于其方向性和反射性较强以及功率较大的特点，得到了社会各个行业和领域的一致认可和普遍应用，

6、尤其是在声纳、超声波鱼群探测仪等方面的研究更加广泛。本文介绍的是超声波应用于水下定位技术，将GPS浮标的位置通过超声波技术传送给水下用户，最终用户的确切位置可通过GPS定位原理计算得到。3误差分析3.1GPS误差对精度影响误差对测量的精度存在很大的影响，在分析之前我们首先要作出一定假设，将由于各种因素导致的误差统一归于卫星的伪距之中。用户等效距离误差(UERE)就是伪距值的真实精度，对于给定的一颗卫星而言，每一个与此卫星相关联的误差与UERE都息息相关，也就是说UERE是所有误差所产生的影响的总和。位置/时间的精度由伪距误差因子与几何因子的几何乘积来确定。在上述假设的基础上，可以将

7、伪距误差因子视为卫星的UERE。几何因子就是影响GPS定位精度的卫星或用户的几何布局的几何精度，表示几何布局对误差精度影响的大小。几何因子越大则影响越大，反之则较小。3.2水下定位误差的分析由实际探测可知，当水面浮标与水下用户接收机的距离为L，，信号发射与接收的时间间隔为t，声速为v时有:L=vt(6)对式(6)两边同时进行微分计算，得dL=tdv+vdt，(7)由上式可以看出，定位精度与时间和声速密切相关。在此将v看作常量，则式（7）可写作dL=vdt=v／f(8)