[發明專利]一種水聲定位與授時浮標及水下定位方法

有效

• 申請號: 202010020037.6
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111142144B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 王勝利;鄭衍寧;周興華;胡亮亮
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01S19/47
• 分類號: G01S19/47;G01S19/33;G01S5/22;G01C21/16
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 肖峰

本發明公開了水聲定位與授時浮標及水下定位方法，涉及水聲定位領域。浮標包括多天線GNSS接收機、慣性測量單元、水聲定位設備、衛星通訊機、水聲通訊設備、電池和控制器；多天線GNSS接收機用于測量主天線的精確坐標和各天線相對于主天線的坐標增量值，得到浮標的地固坐標系坐標和浮標的姿態信息；慣性測量單元用于測量浮標的角速度和加速度信息，并根據一組浮標的起始位置、速度和姿態信息，附加誤差的連續計算出之后任意時刻的位置、速度和姿態；水聲定位設備用于向水下發射連續的聲學信號，水下載體接收聲學信號并測得相對于LBL設備的信號傳播時間；衛星通訊機用于從衛星獲取實時的精密改正信息；控制器用于接收數據、定位、發送結果和控制其他設備。

技術領域

本發明涉及水聲定位領域，具體涉及一種水聲定位與授時浮標及水下定位方法。

背景技術

位置信息和時間信息對于海洋科考、海底資源勘探、海工結構建設、海洋情報網建設等是必要的基礎信息，海洋領域定位、導航和授時的可用性、精度和經濟性決定了高層次海洋科學研究、高收益的海洋投資和高質量的海洋情報網的正常進行或建設。

對于海面以上一般載體的定位、導航與授時，通常可以使用GPS、北斗等GNSS技術來實現，并且其定位、導航與授時的精度、可用性和隱蔽性等均較佳。而水面以下的定位與授時一直缺少有效的解決方案。一種常用的水下定位方法是使用水聲測距來實現的水聲定位方法。該方法使用對聲波傳遞進行計時來測量某些空間實體間的距離，通過幾何或最小二乘等方法進行位置的解算。具體來說，水聲定位方法主要分為三種形式：在載體上安裝一臺接收/發射換能器，在空間中相隔較遠的幾個點安裝位置已知的發射/接收換能器，并測量發射換能器發射的信號到接收換能器的傳播時間，稱之為長基線(LBL)系統；在空間中某一已知點安裝一臺發射換能器，在載體上安裝多臺接收換能器并測量發射換能器發射的信號到他們各自的傳播時間，或該信號到主接收換能器的傳播時間以及在接收換能器之間的時間差，稱之為短基線(SBL)系統；在空間中某一已知點安裝一臺發射換能器，在載體上安裝多臺接收換能器并測量發射換能器發射的信號到主接收換能器的傳播時間和信號在接收換能器之間的相位差，稱之為超短基線(USBL)系統。

一般而言，由于水聲定位要求空間中存在位置已知的換能器，因此通常通過固定于海底的沉標或者使用GNSS方法進行定位的海面浮標或其他載體來搭載換能器。這兩種方法中，海底沉標雖然可以兼顧地殼形變監測等用途，但具有布放和校準困難、功耗受限、無法對載體精確授時等缺點。海面浮標則相反。

在常規的LBL海面浮標方法中，浮標上通常只搭載單天線的GNSS接收機和LBL水聲定位設備，并且GNSS定位算法使用的是精度較低的SPP(標準單點定位)算法。這一通用設計存在如下幾點問題：(1)浮標自身僅使用單個GNSS天線進行定位，而未考慮浮標的姿態(航向、橫滾角、俯仰角)，這導致在由GNSS天線位置推算浮標底部LBL的參考位置時無法考慮姿態的影響，這對于定位精度的進一步提高不利；(2)SPP定位算法的精度、可靠性等均較差，會限制水聲定位的精度和可靠性。

從前述內容可知，目前常用的基于海面浮標的水聲定位方式主要存在兩類問題：(1)浮標姿態信息的缺失引入了系統性的觀測誤差；(2)使用SPP算法限制了系統定位、授時精度和可靠性的進一步提高。

發明內容

本發明的目的是針對上述不足，提出了一種集成了多天線GNSS接收機、IMU和LBL設備的水聲定位用海面浮標，通過多天線GNSS與IMU組合，可以實現浮標位置、姿態和鐘差的同時估計。

本發明具體采用如下技術方案：

一種水聲定位與授時浮標，包括多天線GNSS接收機、慣性測量單元、水聲定位設備、衛星通訊機、水聲通訊設備、電池和控制器；

多天線GNSS接收機用于測量主天線的精確坐標和各天線相對于主天線的坐標增量值，得到浮標的地固坐標系坐標和浮標的姿態信息；