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专利名称：一种潜标自动寻标定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及船载潜标自动搜寻和定位技术，具体地说是一种结合GPS定位和水声测距于一体的潜标自动搜寻定位系统。
背景技术：
布放于观测水域的潜标，作为一种自含式、长期、连续、无人值守的观测系统，长期以来一直备受广大海洋科技工作者的青睐。由于系统布放于水下，而且往往集成了多台珍贵的测量仪器，因此能否可靠的回收便成为潜标系统布放时所需考虑的首要问题。潜标定位是保障潜标系统顺利回收的基本前提。很久以来，各国研究人员在水下目标的定位方面，作了大量的研究工作，并相继研究和开发了基于水声定位技术的长基线定位系统、短基线定位系统以及超基线定位系统等水下定位技术。尽管这些定位方法在海洋工作中发挥了重要作用，但系统至少需要布设三个或三个以上的水声换能器作为定位基线站，所需设备极其复杂、布设困难、耗资巨大，难以运用于资金投入有限的海洋调查中去。因此现阶段的潜标回收，基本上是依赖投放时的GPS定位，来确定潜标的具体方位的。如果不受外界干扰，潜标系统作为水下固定目标，不需要在回收时二次定位。然而，由于渔船拖网作业、海洋风暴等因素的影响，潜标的位置有可能发生很大的变化，给潜标的搜寻工作带来很大的困难，甚至直接导致回收失败、系统丢失，造成巨大的经济损失。如果回收时，能够在现有的仪器设备的基础上，增加一定的定位功能，为潜标系统重新定位，便可以保证潜标系统的可靠回收，以最小的投入，带来巨大的经济效益，为海洋调查的实施提供有效的技术保障。

发明内容
本发明的目的是提供一种结合GPS定位和水声测距于一体的船载潜标自动搜寻定位系统。
为了实现上述目的，本发明技术方案是由全球定位系统(GPS)接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元(以程序形式存储于计算机中)，以及集成于潜标系统水声释放器上的水声应答系统组成，全球定位系统(GPS)接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元组成甲板部分，所述GPS接收机和水声释放器甲板单元通过串口与计算机实现通讯连接，通过计算机内运行的综合信号接收处理程序(主程序)对所述外部设备进行控制和采样；甲板部分安装于搜寻船只上，水声释放器甲板单元上的换能器随搜寻船只沿三角形(或圆形)轨迹移动，并不断地指示潜标系统发送应答信号，从而在空间上形成了一个虚拟三角形(或圆形)换能器阵列；系统通过船载GPS接收机获得换能器的空间移动轨迹，并利用换能器接收到的潜标应答信号对潜标进行测距，利用GPS接收机采集到的定位数据以及水声释放器甲板单元采集到的潜标距离信息，经空间坐标变换和计算程序得出潜标系统的位置信息，并予以显示。
本发明具有如下优点1.本发明利用GPS定位原理，将GPS测得的定位信息，与水声测距技术相结合，实现潜标系统的空间定位。
2.本发明仅使用一台水声换能器作为定位基站，简化了系统的复杂性。换能器随搜寻船只沿三角形(或圆形)轨迹移动，并不断地指示潜标系统发送应答信号，从而在空间上形成了一个虚拟三角形(或圆形)换能器阵列。系统通过舰载GPS获得换能器的空间移动轨迹，并利用换能器接收到的潜标应答信号对潜标进行测距，由此计算潜标的空间位置。从而利用一个水声换能器实现了多个定位基站的功能。
3，本发明利用计算机技术将通常的潜标回收设备GPS、水声应答器、释放器甲板单元集成在一起，实现潜标系统的精确定位，系统操作简便、可靠、经济适用。
4.由于虚拟三角形(或圆形)换能器阵列组成了定位基站阵列，潜标定位的精度将大大提高。


图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明主程序流程图。
图3为本发明所述潜标定位计算程序流程图。
具体实施例方式
参见图1，本系统结构由安装于搜索船只上的全球定位系统(GPS)接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元(以程序形式存储于计算机中)，以及集成于潜标系统水声释放器上的水声应答系统组成，全球定位系统(GPS)接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元组成甲板部分，所述GPS接收机和水声释放器甲板单元通过串口与计算机实现通讯连接，通过计算机内运行的综合信号接收处理程序(主程序)对所述外部设备进行控制和采样；甲板部分安装于搜寻船只上，水声释放器甲板单元上的换能器随搜寻船只沿三角形(或圆形)轨迹移动，并不断地指示潜标系统发送应答信号，从而在空间上形成了一个虚拟三角形(或圆形)换能器阵列。系统通过舰载GPS接收机获得换能器的空间移动轨迹，并利用换能器接收到的潜标应答信号对潜标进行测距，利用GPS接收机采集到的定位数据以及水声释放器甲板单元采集到的潜标距离信息，经空间坐标变换和计算(以程序形式存储于计算机中)得出潜标系统的位置信息，并予以显示。
如图2所示，所述处理程序具体流程为1)读入缺省系统通信设置；2)根据需要更改串口通信设置，并设定每航段的GPS以及水声释放器甲板单元的采样数；3)判断是否启动第一航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；4)采样计数器数清零；5)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组1(P1)，采样计数器加1；6)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤5)继续采样。如为是，则继续下一步骤；7)判断是否启动第二航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；8)采样计数器数清零；9)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组2(P2)，采样计数器加1；10)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤9)继续采样。如为是，则继续下一步骤；11)判断是否启动第三航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；12)采样计数器数清零；13)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组3(P3)，采样计数器加1；14)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤13)继续采样。如为是，则进入潜标定位计算程序。
其中位置信息数组P1、P2、P3的储存格式为·第一列为纬度；·第二列为经度；·第三列为船载水听器与潜标之间的距离R。
如图3所示，所述潜标定位计算程序具体流程为1)计算位置信息数组长度，并将其赋值给变量mea_size，作为循环长度；设循环变量n＝0；2)计算位置信息数组2和3的P2(n)和P3(n)点相对于P1(n)的方位角θ21(n)、θ31(n)；3)计算位置信息数组2和位置信息数组3的P2(n)和P3(n)点相对于P1(n)的距离L21(n)，L31(n)；4)将P1(n)作为空间坐标系的原点，根据下式计算P2(n)和P3(n)的空间坐标值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)根据潜标与空间已知点P1(n)、P2(n)、P3(n)的距离R1(n)、R2(n)、R3(n)计算潜标的空间坐标；6)将潜标的空间坐标转换成经纬度坐标；7)存入数组Lat、Lon，循环变量n＝n+1；8)判断循环结束条件，n＝mea_size？如为否，则返回步骤2)如为是，则继续下一步骤；9)分别求出Lat和Lon的平均值和方差；10)将Lat和Lon中大于平均值三倍方差以上的点作为奇异点予以剔除，得出数组Lat1和Lon1；11)分别求Lat1和Lon1的平均值，作为潜标的最终位置坐标Lat0和Lon0；12)显示潜标定位测量结果。
系统测量的计算原理系统的定位原理采用与GPS定位相类似的空间定位技术，即对于空间上位于非同一直线内的三个已知坐标点，当空间上任意一未知点到上述三点的距离已知时，则可以确定该未知点的空间坐标。
假设空间三个已知点分别为A、B、C，其坐标分别为(XA，YA，ZA)，(XB，YB，ZB)，(XC，YC，ZC)未知点到上述三点的距离分别为RA、RB、RC，则未知点应位于球心为A、B、C、半径分别为RA、RB、RC的三个圆球的交点处。寻标时，三个已知点即为水声释放器甲板单元声学换能器的布放点，由于均贴近海平面，可以设ZA＝ZB＝ZC＝0。设潜标坐标为(X，Y，Z)，则通过求解方程组
(X-XA)2+(Y-YA)2+Z2＝RA2方程组(1)(X-XB)2+(Y-YB)2+Z2＝RB2(X-XC)2+(Y-YC)2+Z2＝RC2可得两组解，因为潜标布放于水下，去掉Z＞0的解，即可求得潜标坐标(X，Y，Z)。
当回收潜标时，搜寻船只首先根据原有的布放位置纪录，到达潜标布放地点，实施测量时，搜索船只在搜索区域沿三角形(或圆形)轨迹行进，并以三角形轨迹的三个边(或圆形轨迹的三段弧线)为三个航段A、B、C，根据系统设定的每航段采样数n，分别同时记录从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))]，以及由水声释放器甲板单元采集到的潜标距离信息[RA(1)，RA(2)，......RA(n)]，[RB(1)，RB(2)，......RB(n)]，[RB(1)，RB(2)，......RB(n)]。然后根据方程组(1)及Z＞0的条件，求得潜标的坐标集合(X(1)，Y(1)，Z(1))，(X(2)，Y(2)，Z(2))，......(X(n)，Y(n)，Z(n))。求出该做标集合的平均值(Xm，Ym，Zm)以及标准方差δx，δy，δz，把坐标集合中与平均值相差超过3倍标准方差的坐标点当作奇异点，从坐标集合中剔除，在对剩余的点作平均后得出潜标坐标(X，Y，Z)。
权利要求
1.一种潜标自动寻标定位系统，包括安装于搜索船只上的全球定位系统接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元，以及集成于潜标系统水声释放器上的水声应答系统，其特征在于全球定位系统(GPS)接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元组成甲板部分，所述全球定位系统接收机和水声释放器甲板单元通过串口与计算机实现通讯连接，通过计算机内运行的综合信号接收处理程序对所述外部设备进行控制和采样；甲板部分安装于搜寻船只上，与水声释放器甲板单元连接的换能器随搜寻船只沿三角形或圆形轨迹移动，并不断地指示潜标系统发送应答信号，在空间上形成一个虚拟三角形或圆形换能器阵列；系统通过船载全球定位系统接收机获得换能器的空间移动轨迹，并利用换能器接收到的潜标应答信号对潜标进行测距，取全球定位系统接收机所采集的定位数据以及水声释放器甲板单元所采集的潜标距离信息，经空间坐标变换和计算程序得出潜标系统的位置信息，并予以显示。
2.按照权利要求1所述潜标自动寻标定位系统，其特征在于所述综合信号接收处理程序具体流程为1)读入缺省系统通信设置；2)根据需要更改串口通信设置，并设定每航段的GPS以及水声释放器甲板单元的采样数；3)判断是否启动第一航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；4)采样计数器数清零；5)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组1，即P1，采样计数器加1；6)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤5)继续采样。如为是，则继续下一步骤；7)判断是否启动第二航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；8)采样计数器数清零；9)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组2，即P2，采样计数器加1；10)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤9)继续采样。如为是，则继续下一步骤；11)判断是否启动第三航段采样？如为否，则等待；如为是，则继续下一步骤；12)采样计数器数清零；13)读入GPS和潜标距离信息，存入位置信息数组3，即P3，采样计数器加1；14)判断采样次数是否够？如为否，则返回步骤13)继续采样。如为是，则进入潜标定位计算程序。
3.按照权利要求2所述潜标自动寻标定位系统，其特征在于其中位置信息数组P1、P2、P3的储存格式为第一列为纬度；第二列为经度；第三列为船载水听器与潜标之间的距离R。
4.按照权利要求1所述潜标自动寻标定位系统，其特征在于所述计算程序具体流程为1)计算位置信息数组长度，并将其赋值给变量mea_size，作为循环长度；设循环变量n＝0；2)计算位置信息数组2和3的P2(n)和P3(n)点相对于P1(n)的方位角θ21(n)、θ31(n)；3)计算位置信息数组2和位置信息数组3的P2(n)和P3(n)点相对于P1(n)的距离L21(n)，L31(n)；4)将P1(n)作为空间坐标系的原点，根据下式计算P2(n)和P3(n)的空间坐标值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)根据潜标与空间已知点P1(n)、P2(n)、P3(n)的距离R1(n)、R2(n)、R3(n)计算潜标的空间坐标；6)将潜标的空间坐标转换成经纬度坐标；7)存入数组Lat、Lon，循环变量n＝n+1；8)判断循环结束条件，n＝mea_size？如为否，则返回步骤2)如为是，则继续下一步骤；9)分别求出Lat和Lon的平均值和方差；10)将Lat和Lon中大于平均值三倍方差以上的点作为奇异点予以剔除，得出数组Lat1和Lon1；11)分别求Lat1和Lon1的平均值，作为潜标的最终位置坐标Lat0和Lon0；12)显示潜标定位测量结果。
全文摘要
一种潜标自动搜寻定位系统。包括安装于搜寻船只上的、由全球定位系统接收机、水声释放器甲板单元、综合信号接收处理单元组成的甲板部分及集成于潜标系统水声释放器上的水声应答系统，与水声释放器甲板单元连接的换能器随搜寻船只沿三角形或圆形轨迹移动，指示潜标系统发送应答信号，在空间上形成虚拟三角形或圆形换能器阵列；系统通过船载全球定位系统接收机获得换能器的空间移动轨迹，并利用潜标应答信号对潜标进行测距，取全球定位系统接收机所采集的定位数据及水声释放器甲板单元所采集的潜标距离信息，经空间坐标变换和计算程序得出潜标系统的位置信息予以显示。本发明将GPS测得的定位信息与水声测距技术相结合，实现潜标系统的空间定位。
文档编号G01S5/30GK1786733SQ20041008287
公开日2006年6月14日 申请日期2004年12月7日 优先权日2004年12月7日
发明者兰志刚, 龚德俊, 李思忍, 刘育丰 申请人:中国科学院海洋研究所