專利名稱：一種潛標(biāo)自動(dòng)尋標(biāo)定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船載潛標(biāo)自動(dòng)搜尋和定位技術(shù)，具體地說(shuō)是一種結(jié)合GPS定位和水聲測(cè)距于一體的潛標(biāo)自動(dòng)搜尋定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
布放于觀測(cè)水域的潛標(biāo)，作為一種自含式、長(zhǎng)期、連續(xù)、無(wú)人值守的觀測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來(lái)一直備受廣大海洋科技工作者的青睞。由于系統(tǒng)布放于水下，而且往往集成了多臺(tái)珍貴的測(cè)量?jī)x器，因此能否可靠的回收便成為潛標(biāo)系統(tǒng)布放時(shí)所需考慮的首要問(wèn)題。潛標(biāo)定位是保障潛標(biāo)系統(tǒng)順利回收的基本前提。很久以來(lái)，各國(guó)研究人員在水下目標(biāo)的定位方面，作了大量的研究工作，并相繼研究和開(kāi)發(fā)了基于水聲定位技術(shù)的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)以及超基線定位系統(tǒng)等水下定位技術(shù)。盡管這些定位方法在海洋工作中發(fā)揮了重要作用，但系統(tǒng)至少需要布設(shè)三個(gè)或三個(gè)以上的水聲換能器作為定位基線站，所需設(shè)備極其復(fù)雜、布設(shè)困難、耗資巨大，難以運(yùn)用于資金投入有限的海洋調(diào)查中去。因此現(xiàn)階段的潛標(biāo)回收，基本上是依賴投放時(shí)的GPS定位，來(lái)確定潛標(biāo)的具體方位的。如果不受外界干擾，潛標(biāo)系統(tǒng)作為水下固定目標(biāo)，不需要在回收時(shí)二次定位。然而，由于漁船拖網(wǎng)作業(yè)、海洋風(fēng)暴等因素的影響，潛標(biāo)的位置有可能發(fā)生很大的變化，給潛標(biāo)的搜尋工作帶來(lái)很大的困難，甚至直接導(dǎo)致回收失敗、系統(tǒng)丟失，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果回收時(shí)，能夠在現(xiàn)有的儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加一定的定位功能，為潛標(biāo)系統(tǒng)重新定位，便可以保證潛標(biāo)系統(tǒng)的可靠回收，以最小的投入，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為海洋調(diào)查的實(shí)施提供有效的技術(shù)保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)合GPS定位和水聲測(cè)距于一體的船載潛標(biāo)自動(dòng)搜尋定位系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是由全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元(以程序形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中)，以及集成于潛標(biāo)系統(tǒng)水聲釋放器上的水聲應(yīng)答系統(tǒng)組成，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元組成甲板部分，所述GPS接收機(jī)和水聲釋放器甲板單元通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行的綜合信號(hào)接收處理程序(主程序)對(duì)所述外部設(shè)備進(jìn)行控制和采樣；甲板部分安裝于搜尋船只上，水聲釋放器甲板單元上的換能器隨搜尋船只沿三角形(或圓形)軌跡移動(dòng)，并不斷地指示潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從而在空間上形成了一個(gè)虛擬三角形(或圓形)換能器陣列；系統(tǒng)通過(guò)船載GPS接收機(jī)獲得換能器的空間移動(dòng)軌跡，并利用換能器接收到的潛標(biāo)應(yīng)答信號(hào)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，利用GPS接收機(jī)采集到的定位數(shù)據(jù)以及水聲釋放器甲板單元采集到的潛標(biāo)距離信息，經(jīng)空間坐標(biāo)變換和計(jì)算程序得出潛標(biāo)系統(tǒng)的位置信息，并予以顯示。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明利用GPS定位原理，將GPS測(cè)得的定位信息，與水聲測(cè)距技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)的空間定位。
2.本發(fā)明僅使用一臺(tái)水聲換能器作為定位基站，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性。換能器隨搜尋船只沿三角形(或圓形)軌跡移動(dòng)，并不斷地指示潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從而在空間上形成了一個(gè)虛擬三角形(或圓形)換能器陣列。系統(tǒng)通過(guò)艦載GPS獲得換能器的空間移動(dòng)軌跡，并利用換能器接收到的潛標(biāo)應(yīng)答信號(hào)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，由此計(jì)算潛標(biāo)的空間位置。從而利用一個(gè)水聲換能器實(shí)現(xiàn)了多個(gè)定位基站的功能。
3，本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將通常的潛標(biāo)回收設(shè)備GPS、水聲應(yīng)答器、釋放器甲板單元集成在一起，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)的精確定位，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、可靠、經(jīng)濟(jì)適用。
4.由于虛擬三角形(或圓形)換能器陣列組成了定位基站陣列，潛標(biāo)定位的精度將大大提高。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明主程序流程圖。
圖3為本發(fā)明所述潛標(biāo)定位計(jì)算程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由安裝于搜索船只上的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元(以程序形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中)，以及集成于潛標(biāo)系統(tǒng)水聲釋放器上的水聲應(yīng)答系統(tǒng)組成，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元組成甲板部分，所述GPS接收機(jī)和水聲釋放器甲板單元通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行的綜合信號(hào)接收處理程序(主程序)對(duì)所述外部設(shè)備進(jìn)行控制和采樣；甲板部分安裝于搜尋船只上，水聲釋放器甲板單元上的換能器隨搜尋船只沿三角形(或圓形)軌跡移動(dòng)，并不斷地指示潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從而在空間上形成了一個(gè)虛擬三角形(或圓形)換能器陣列。系統(tǒng)通過(guò)艦載GPS接收機(jī)獲得換能器的空間移動(dòng)軌跡，并利用換能器接收到的潛標(biāo)應(yīng)答信號(hào)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，利用GPS接收機(jī)采集到的定位數(shù)據(jù)以及水聲釋放器甲板單元采集到的潛標(biāo)距離信息，經(jīng)空間坐標(biāo)變換和計(jì)算(以程序形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中)得出潛標(biāo)系統(tǒng)的位置信息，并予以顯示。
如圖2所示，所述處理程序具體流程為1)讀入缺省系統(tǒng)通信設(shè)置；2)根據(jù)需要更改串口通信設(shè)置，并設(shè)定每航段的GPS以及水聲釋放器甲板單元的采樣數(shù)；3)判斷是否啟動(dòng)第一航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；4)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；5)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組1(P1)，采樣計(jì)數(shù)器加1；6)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟5)繼續(xù)采樣。如為是，則繼續(xù)下一步驟；7)判斷是否啟動(dòng)第二航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；8)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；9)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組2(P2)，采樣計(jì)數(shù)器加1；10)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟9)繼續(xù)采樣。如為是，則繼續(xù)下一步驟；11)判斷是否啟動(dòng)第三航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；12)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；13)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組3(P3)，采樣計(jì)數(shù)器加1；14)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟13)繼續(xù)采樣。如為是，則進(jìn)入潛標(biāo)定位計(jì)算程序。
其中位置信息數(shù)組P1、P2、P3的儲(chǔ)存格式為·第一列為緯度；·第二列為經(jīng)度；·第三列為船載水聽(tīng)器與潛標(biāo)之間的距離R。
如圖3所示，所述潛標(biāo)定位計(jì)算程序具體流程為1)計(jì)算位置信息數(shù)組長(zhǎng)度，并將其賦值給變量mea_size，作為循環(huán)長(zhǎng)度；設(shè)循環(huán)變量n＝0；2)計(jì)算位置信息數(shù)組2和3的P2(n)和P3(n)點(diǎn)相對(duì)于P1(n)的方位角θ21(n)、θ31(n)；3)計(jì)算位置信息數(shù)組2和位置信息數(shù)組3的P2(n)和P3(n)點(diǎn)相對(duì)于P1(n)的距離L21(n)，L31(n)；4)將P1(n)作為空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)下式計(jì)算P2(n)和P3(n)的空間坐標(biāo)值X2(n)＝L21(n)*Sin(θ21(n))；Y2(n)＝L21(n)*Cos(θ21(n))；X3(n)＝L31(n)*Sin(θ31(n))；Y3(n)＝L31(n)*Cos(θ31(n))；5)根據(jù)潛標(biāo)與空間已知點(diǎn)P1(n)、P2(n)、P3(n)的距離R1(n)、R2(n)、R3(n)計(jì)算潛標(biāo)的空間坐標(biāo)；6)將潛標(biāo)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)；7)存入數(shù)組Lat、Lon，循環(huán)變量n＝n+1；8)判斷循環(huán)結(jié)束條件，n＝mea_size？如為否，則返回步驟2)如為是，則繼續(xù)下一步驟；9)分別求出Lat和Lon的平均值和方差；10)將Lat和Lon中大于平均值三倍方差以上的點(diǎn)作為奇異點(diǎn)予以剔除，得出數(shù)組Lat1和Lon1；11)分別求Lat1和Lon1的平均值，作為潛標(biāo)的最終位置坐標(biāo)Lat0和Lon0；12)顯示潛標(biāo)定位測(cè)量結(jié)果。
系統(tǒng)測(cè)量的計(jì)算原理系統(tǒng)的定位原理采用與GPS定位相類似的空間定位技術(shù)，即對(duì)于空間上位于非同一直線內(nèi)的三個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)空間上任意一未知點(diǎn)到上述三點(diǎn)的距離已知時(shí)，則可以確定該未知點(diǎn)的空間坐標(biāo)。
假設(shè)空間三個(gè)已知點(diǎn)分別為A、B、C，其坐標(biāo)分別為(XA，YA，ZA)，(XB，YB，ZB)，(XC，YC，ZC)未知點(diǎn)到上述三點(diǎn)的距離分別為RA、RB、RC，則未知點(diǎn)應(yīng)位于球心為A、B、C、半徑分別為RA、RB、RC的三個(gè)圓球的交點(diǎn)處。尋標(biāo)時(shí)，三個(gè)已知點(diǎn)即為水聲釋放器甲板單元聲學(xué)換能器的布放點(diǎn)，由于均貼近海平面，可以設(shè)ZA＝ZB＝ZC＝0。設(shè)潛標(biāo)坐標(biāo)為(X，Y，Z)，則通過(guò)求解方程組
(X-XA)2+(Y-YA)2+Z2＝RA2方程組(1)(X-XB)2+(Y-YB)2+Z2＝RB2(X-XC)2+(Y-YC)2+Z2＝RC2可得兩組解，因?yàn)闈摌?biāo)布放于水下，去掉Z＞0的解，即可求得潛標(biāo)坐標(biāo)(X，Y，Z)。
當(dāng)回收潛標(biāo)時(shí)，搜尋船只首先根據(jù)原有的布放位置紀(jì)錄，到達(dá)潛標(biāo)布放地點(diǎn)，實(shí)施測(cè)量時(shí)，搜索船只在搜索區(qū)域沿三角形(或圓形)軌跡行進(jìn)，并以三角形軌跡的三個(gè)邊(或圓形軌跡的三段弧線)為三個(gè)航段A、B、C，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的每航段采樣數(shù)n，分別同時(shí)記錄從GPS采集到的位置信息[(XA(1)，YA(1))，(XA(2)，YA(2))，......(XA(n)，YA(n))]，[(XB(1)，YB(1))，(XB(2)，YB(2))，......(XB(n)，YB(n))]，[(XC(1)，YC(1))，(XC(2)，YC(2))，......(XC(n)，YC(n))]，以及由水聲釋放器甲板單元采集到的潛標(biāo)距離信息[RA(1)，RA(2)，......RA(n)]，[RB(1)，RB(2)，......RB(n)]，[RB(1)，RB(2)，......RB(n)]。然后根據(jù)方程組(1)及Z＞0的條件，求得潛標(biāo)的坐標(biāo)集合(X(1)，Y(1)，Z(1))，(X(2)，Y(2)，Z(2))，......(X(n)，Y(n)，Z(n))。求出該做標(biāo)集合的平均值(Xm，Ym，Zm)以及標(biāo)準(zhǔn)方差δx，δy，δz，把坐標(biāo)集合中與平均值相差超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)方差的坐標(biāo)點(diǎn)當(dāng)作奇異點(diǎn)，從坐標(biāo)集合中剔除，在對(duì)剩余的點(diǎn)作平均后得出潛標(biāo)坐標(biāo)(X，Y，Z)。
權(quán)利要求
1.一種潛標(biāo)自動(dòng)尋標(biāo)定位系統(tǒng)，包括安裝于搜索船只上的全球定位系統(tǒng)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元，以及集成于潛標(biāo)系統(tǒng)水聲釋放器上的水聲應(yīng)答系統(tǒng)，其特征在于全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元組成甲板部分，所述全球定位系統(tǒng)接收機(jī)和水聲釋放器甲板單元通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行的綜合信號(hào)接收處理程序?qū)λ鐾獠吭O(shè)備進(jìn)行控制和采樣；甲板部分安裝于搜尋船只上，與水聲釋放器甲板單元連接的換能器隨搜尋船只沿三角形或圓形軌跡移動(dòng)，并不斷地指示潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，在空間上形成一個(gè)虛擬三角形或圓形換能器陣列；系統(tǒng)通過(guò)船載全球定位系統(tǒng)接收機(jī)獲得換能器的空間移動(dòng)軌跡，并利用換能器接收到的潛標(biāo)應(yīng)答信號(hào)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，取全球定位系統(tǒng)接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)以及水聲釋放器甲板單元所采集的潛標(biāo)距離信息，經(jīng)空間坐標(biāo)變換和計(jì)算程序得出潛標(biāo)系統(tǒng)的位置信息，并予以顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述潛標(biāo)自動(dòng)尋標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于所述綜合信號(hào)接收處理程序具體流程為1)讀入缺省系統(tǒng)通信設(shè)置；2)根據(jù)需要更改串口通信設(shè)置，并設(shè)定每航段的GPS以及水聲釋放器甲板單元的采樣數(shù)；3)判斷是否啟動(dòng)第一航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；4)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；5)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組1，即P1，采樣計(jì)數(shù)器加1；6)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟5)繼續(xù)采樣。如為是，則繼續(xù)下一步驟；7)判斷是否啟動(dòng)第二航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；8)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；9)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組2，即P2，采樣計(jì)數(shù)器加1；10)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟9)繼續(xù)采樣。如為是，則繼續(xù)下一步驟；11)判斷是否啟動(dòng)第三航段采樣？如為否，則等待；如為是，則繼續(xù)下一步驟；12)采樣計(jì)數(shù)器數(shù)清零；13)讀入GPS和潛標(biāo)距離信息，存入位置信息數(shù)組3，即P3，采樣計(jì)數(shù)器加1；14)判斷采樣次數(shù)是否夠？如為否，則返回步驟13)繼續(xù)采樣。如為是，則進(jìn)入潛標(biāo)定位計(jì)算程序。
3.按照權(quán)利要求2所述潛標(biāo)自動(dòng)尋標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于其中位置信息數(shù)組P1、P2、P3的儲(chǔ)存格式為第一列為緯度；第二列為經(jīng)度；第三列為船載水聽(tīng)器與潛標(biāo)之間的距離R。
4.按照權(quán)利要求1所述潛標(biāo)自動(dòng)尋標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于所述計(jì)算程序具體流程為1)計(jì)算位置信息數(shù)組長(zhǎng)度，并將其賦值給變量mea_size，作為循環(huán)長(zhǎng)度；設(shè)循環(huán)變量n＝0；2)計(jì)算位置信息數(shù)組2和3的P2(n)和P3(n)點(diǎn)相對(duì)于P1(n)的方位角θ21(n)、θ31(n)；3)計(jì)算位置信息數(shù)組2和位置信息數(shù)組3的P2(n)和P3(n)點(diǎn)相對(duì)于P1(n)的距離L21(n)，L31(n)；4)將P1(n)作為空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)下式計(jì)算P2(n)和P3(n)的空間坐標(biāo)值X2(n)＝L21(n)*Sin(θ21(n))；Y2(n)＝L21(n)*Cos(θ21(n))；X3(n)＝L31(n)*Sin(θ31(n))；Y3(n)＝L31(n)*Cos(θ31(n))；5)根據(jù)潛標(biāo)與空間已知點(diǎn)P1(n)、P2(n)、P3(n)的距離R1(n)、R2(n)、R3(n)計(jì)算潛標(biāo)的空間坐標(biāo)；6)將潛標(biāo)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)；7)存入數(shù)組Lat、Lon，循環(huán)變量n＝n+1；8)判斷循環(huán)結(jié)束條件，n＝mea_size？如為否，則返回步驟2)如為是，則繼續(xù)下一步驟；9)分別求出Lat和Lon的平均值和方差；10)將Lat和Lon中大于平均值三倍方差以上的點(diǎn)作為奇異點(diǎn)予以剔除，得出數(shù)組Lat1和Lon1；11)分別求Lat1和Lon1的平均值，作為潛標(biāo)的最終位置坐標(biāo)Lat0和Lon0；12)顯示潛標(biāo)定位測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
一種潛標(biāo)自動(dòng)搜尋定位系統(tǒng)。包括安裝于搜尋船只上的、由全球定位系統(tǒng)接收機(jī)、水聲釋放器甲板單元、綜合信號(hào)接收處理單元組成的甲板部分及集成于潛標(biāo)系統(tǒng)水聲釋放器上的水聲應(yīng)答系統(tǒng)，與水聲釋放器甲板單元連接的換能器隨搜尋船只沿三角形或圓形軌跡移動(dòng)，指示潛標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，在空間上形成虛擬三角形或圓形換能器陣列；系統(tǒng)通過(guò)船載全球定位系統(tǒng)接收機(jī)獲得換能器的空間移動(dòng)軌跡，并利用潛標(biāo)應(yīng)答信號(hào)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，取全球定位系統(tǒng)接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)及水聲釋放器甲板單元所采集的潛標(biāo)距離信息，經(jīng)空間坐標(biāo)變換和計(jì)算程序得出潛標(biāo)系統(tǒng)的位置信息予以顯示。本發(fā)明將GPS測(cè)得的定位信息與水聲測(cè)距技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)的空間定位。
文檔編號(hào)G01S5/30GK1786733SQ20041008287
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者蘭志剛, 龔德俊, 李思忍, 劉育豐 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院海洋研究所