水下GPS精确锁定海洋目标

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来源：刘恕 作者：科技日报
如果你开车不认路，有车载GPS帮你引路；翱翔在无垠蓝天，GPS就是飞机驾驶员的“眼睛”；行驶在茫茫大海里，GPS指引你回家的路。
　　全球卫星定位系统（简称GPS）现在对于人们来说，是再熟悉不过了。汽车、飞机、航船，只要是与定位和导航有关的，GPS上天入地，无处不在。但是，再强大的东西也有它所不能抵及的地方。由于无线电波无法穿透水下，对于广大的海洋水下空间，卫星定位技术却不能直接使用。
　　然而，“十五”国家863计划项目“差分GPS水下立体定位系统研制”的成功，开发出了我国第一套水下高精度导航和定位系统，填补了我国在此领域的空白，这一成果可望实现全球陆地、空间和海洋的一体化无缝导航。
　　GPS技术和声纳技术的完美结合
　　20世纪70年代，GPS卫星定位系统的开发为地球装上了“千里眼”，它使整个地球表面以及地球的大部分外部空间实现了全天候定位、导航，广泛应用在交通运输、地形测图、精准农业、防灾减灾等诸多领域。
　　一旦拥有GPS，浩瀚天际任你游。但令人遗憾的是，多年来水下却成了GPS的“盲区”。由于无线电波无法穿透水，特别是海水，所有卫星定位导航技术在海洋水体内部“失灵”。因此，卫星定位系统不能直接满足江河、湖泊、海洋等水下导航和定位的需求。
　　“尽管无线电波不能够在海水中传播，但是，声音信号在海水中确有很好的传播特性。通过水声信号在水中的传播，可以实现水下定位、导航、探测等。”项目组副组长、中国测绘科学研究院副院长程鹏飞说，将GPS技术和声纳技术结合起来，开发适用于广大的海洋内部空间的导航、定位系统，可以实现全球陆地、空间和海洋的一体化无缝导航。
　　自15世纪意大利艺术家、科学家达芬奇利用声管听到水中的声音以来，声纳技术发展至今已有500多年的历史。“早期的声纳接收机功能比较简单，只是把应用于雷达和无线电通讯信号处理技术移植到声纳系统中，因此并没有发挥其应有的作用。”程鹏飞说，近年来，随着微电子技术、信号处理技术的发展，声纳技术有了长足进展。
　　但是，把GPS技术和声纳技术结合起来，这在国内还是头一回。“国外有几个国家有这方面的研究，但实行技术封锁，我们没有资料可以参考和借鉴。”
　　为攻克这样一个全新而又极其重要的交叉学科领域，2002年中国测绘科学研究院与中国船舶重工集团公司第七一五研究所共同承担了“差分GPS水下立体定位系统”的研制开发。
　　中国测绘科学研究院的优势在大地测量，而中国船舶重工集团公司第七一五研究所的优势是水声工程，强强联合，集成创新为项目的成功研制奠定了基础。
　　2004年，水下GPS系统经在浙江省千岛湖进行的试验表明，对于水深45米左右的水域，系统的水下定位精度为5厘米，测深精度为30厘米，水下授时精度为0.2毫秒，且测量误差不随时间累积。
　　这是继美国、德国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS系统。该系统的成功研制，打破了发达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。正因为这个项目的开创意义，被两院院士评为“2004年全国十大科技进展新闻”。
　　质量控制是系统开发关键
　　水下GPS系统是GPS系统和水下声学系统的集成，主要由差分GPS基准站、水下收发机、GPS浮标和船基控制中心等四部分组成。
　　“该系统可以将水面浮标看成是GPS卫星，水声信号看成是GPS无线电信号，水下目标看成GPS接收机，水下目标在水中可以任意移动，系统实现动态定位。同时，系统各部分采用无线连接。水中通过水声信号，水面采用无线电信号，所以该系统称为水下GPS系统。”
　　程鹏飞介绍说，当水上用户需要跟踪水下目标时，就从数据控制中心的监控界面向水下导航收发机（安装在水下目标上）发送定位请求信号，水下导航收发机激活后向GPS浮标发射定位信号，GPS浮标将水声定位信号、浮标姿态校准数据、GPS信号等信息进行调制后发送到数据控制中心。数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息融合处理后计算出水下目标的位置，并动态显示水下目标在大地测量坐标系中的位置。
　　同样道理，当水下目标需要导航时，水下用户通过用户接口激活安装在水下目标上的水下导航收发机，向GPS浮标发射定位信号，同时向数据控制中心发射导航请求信号。数据控制中心将信息融合处理后计算出水下目标的位置，经调制后发射到水下导航收发机。
　　该系统不仅可以从水上（海面、沿岸陆地或飞机上）对水下目标跟踪监视和动态定位，还实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和施工放样等功能。
　　水下GPS系统是一项综合大地测量、水声工程、无线电、海洋设备与机械工程和海洋物理等多学科复杂的系统工程。系统研制过程的质量控制是成功开发系统的关键。
　　为此，项目组以系统工程为指导，形成水下GPS系统的技术指标体系，并在此基础上，建立了系统研制全部过程的量化质量控制体系。在研制过程中，项目组始终关注着关键技术的研制开发、子系统接口与集成、系统联调与集成的质量，从而保证了水下GPS系统的研制开发按照事先设计的总体方案顺利进行，并突破了多项技术难关。如自主研制加工的信号处理板、控制板累积48块，进行关键技术测试与局部试验30多项，在研制过程中几乎没有出现较大工作量的返工，特别是系统集成与联调工作基本一次到位，湖上试验也一次获得初步成功。
　　“差分方法”居世界领先
　　物体的定位包括空间和时间精度，系统时钟同步技术成为进行系统设计的关键。
　　GPS浮标是水下定位系统的核心部分。浮标本身要有精确的定位，因为它是水下目标定位的“参照物”。但是，与陆地标志不同，水面浮标随时漂移，如何实现高精度的动态定位是项目组面临的难题。
　　“国外水下GPS系统采用的是高精度时间基准，又称原子钟。但我们认为，原子钟不仅体积大、造价高，而且难以消除误差累积。”程鹏飞说，项目组采用“差分方法”巧妙地解决了这个难题。
　　系统的水面浮标一般有4个。水下目标发射定位信号，水面各个浮标接收同一水下信号的时间不同。“利用这一现象，就像求解方程式一样，求解出浮标的时间基准。”程鹏飞说，该项目由此被称为“差分GPS水下立体定位系统”。
　　专家认为，我国自主研制开发的水下GPS高精度定位导航系统，没有国外水下GPS系统必需的高精度原子钟，也能达到较好的精度。因此，不论在测量精度、水下自动化程度，还是在应用范围等方面都优于国外的水下GPS系统，研究成果达到国际领先水平。
　　据介绍，在解决100米浅海的单目标精密定位关键技术问题的基础上，“十一五”期间项目组继续开展深入研究，正在积极攻关浅海多目标精密水下跟踪和定位以及2000米水深的精密水下定位关键技术问题。
　　“多个目标的深水精密定位技术一旦突破，水下GPS系统在海洋监测、水下工程、国家安全等方面发挥的作用将会更大。”程鹏飞如是表示。
　　■项目备忘
　　水下GPS系统的四部分构成：
　　差分GPS基准站提供GPS差分信号，实现GPS浮标精密定位。GPS工作模式根据不同应用需求可以适当调整。对于精密水下工程测量需要设立GPS差分基准站，通过GPS－RTK工作模式提供实时高精度的空间坐标基准。对于水下跟踪、导航应用，可以不要GPS差分基准站，通过浮标GPS的单点定位提供的空间坐标即可以实现水下米级定位。
　　GPS浮标是水下定位系统的核心部分，主要功能包括浮标空间坐标测量、姿态测量、超短基线改正、水声信号检测、水声延时测量、无线电数据传输系统。GPS浮标检测到水声定位信号后，对水声定位信号进行延时测量，得到水声信号到达浮标的时间。同时通过超短基线测量装置测量当前水听器的偏移校正参数。另外通过数字罗盘实时测量浮标在水面的姿态数据。
　　水下收发机主要功能实现水声定位信号的产生、接收船基控制中心计算结果、接口控制等。船基中心通过通讯换能器发送启动命令，水下收发机接收命令后启动定位信号发生器产生周期性定位信号。启动系统进行定位工作。同时水下收发机还可以采集水下压力数据、水下温度数据，并通过宽带水声通讯将数据发送到船基控制中心。
　　船基控制中心主要功能接收各枚浮标的数据、记录数据、处理数据、求解水下收发机的空间位置、监视浮标的工作状态、建设水下收发机的工作状态、与水下收发机进行数据传输和通讯等。主要设备包括多通道浮标接收机、水下通讯接收机、通讯换能器、处理工作站等。

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