專利名稱:一種水下目標精確定位系統及方法
技術領域:
本發明涉及水下GPS定位技術領域,具體涉及一種水下目標精確定位系統及方法。
背景技術:
目前,人們對占地球表面積70%以上的海洋的探索相較于對太空的探索并沒有取得長足的進展,主要原因之一就是“視野”狹窄。電磁波是一種輻射波,因此可以在空氣和真空中傳播,他又是已知的傳播速度最快的物質,因此是宇宙中探測和傳遞信息的憑借 ’海洋中探測和傳遞信息的主要載體是聲波,聲波是一種機械波,依靠介質進行傳播,其在海洋中的傳播能力非常強,可達上萬海里,其頻率越低傳播的距離越遠,但分辨率也越低。海水的運動是非常復雜的,包括海流、海浪、潮汐、內波、風暴潮流、海水層間的層流和湍流等,當遇險船只從水面消失下沉的過程中,受各種因素的綜合作用,遇險船只相對水面遇險位置會存在很大的漂移,因此水下遇險目標的精確定位對于成功搜救至關重要。 現有的水下定位系統,大致可分為水聲定位系統、水下GPS和激光聲遙感系統三大類激光聲遙感系統是在空中發射激光,利用激光與自由水表面相互作用產生的聲波作為水下聲源,又在空中利用傳感器接收水下目標反射或散射的聲信號,發射機和接收機均可裝載在直升機上,作為一種新的技術手段,成熟度和性能與其他兩種相比還有一定的差距;水聲定位系統需要設置聲基陣,依據基陣的基線長度分為長基線定位系統、短基線定位系統和超短基線定位系統,定位精度逐次降低,但系統構成和操作亦逐次簡化和便捷,可以確定被測目標相對于基陣的位置,是一種相對的定位;水下GPS是GPS和水聲定位系統相結合的聯合定位系統,它是利用水聲相對定位技術將GPS水面高精度定位能力向水下延伸,使潛器在工作潛深就可以直接獲得自身的大地經緯度坐標,是一種絕對的定位。現有的水下GPS主要有兩種一種是采用長基線海面浮標系統,可從海面、沿岸陸地或飛機上對水下目標跟蹤監視和動態定位,定位精度高,但是標定復雜且僅能對某固定水域內的載有聲學應答裝置的水下目標進行定位;另一種是采用布置超短基線岸基收發器和GPS的母船實現對水下目標的定位,該系統機動靈活,但定位目標上也必須載有聲學應答裝置。
發明內容
為解決現有技術存在的上述問題,本發明的目的在于提供一種能夠實時探測并獲得任意水域中未知物體在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標的水下目標精確定位系統及方法。為了實現上述目的,本發明的技術方案如下—種水下目標精確定位系統,包括母船、多串口計算機、臺式計算機、超短基線定位系統、差分GPS、羅經、ROV系統、前視聲納像機、低照度黑白攝像機、姿態儀和溫鹽深剖面儀;所述ROV系統包括最大工作深度為300m的ROV潛器、ROV控制單元、ROV供電單元、ROV手持控制單元、15寸高清TFT顯示器、視頻疊加模塊、光纖接線盒和繞有500米長光纖臍帶纜的光纖臍帶手動絞車;所述ROV為水下遙控航行器;所述ROV潛器包括四個水平推進器、一個垂直推進器、磁通門羅經、集成固態角速度傳感器、壓力計、高度計,兩只75瓦光強可調的LED照明燈和可在士90°內旋轉的俯仰云臺;所述ROV潛器上搭載前視聲納像機、低照度黑白攝像機和超短基線應答器;所述超短基線定位系統包括超短基線岸基收發器和超短基線應答器,超短基線岸基收發器安裝于母船上,超短基線應答器安裝于ROV潛器上; 所述差分GPS包括GPS基站、GPS流動站和GPS中繼電臺,GPS流動站放置于母船上,GPS基站和GPS中繼電臺視測量情況放置于其他船上或陸地上;所述多串口計算機、臺式計算機、超短基線岸基收發器、GPS流動站、羅經、姿態儀、 ROV控制單元、ROV供電單元、ROV手持控制單元、15寸高清TFT顯示器、視頻疊加模塊、光纖接線盒和繞有500米長光纖臍帶纜的光纖臍帶手動絞車均位于母船上;所述溫鹽深剖面儀固定于不銹鋼保護架的中間,為自容式工作模式,所述不銹鋼保護架在ROV潛器入水前投放于母船附近海域。一種水下目標精確定位方法,通過超短基線定位系統、前視聲納像機和差分GPS 協同獲得被測目標在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,具體包括以下步驟A、超短基線定位系統與位于母船上的羅經和差分GPS協同獲得ROV潛器上超短基線應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,該經緯度坐標的獲取方法,包括如下步驟Al、安裝低照度黑白攝像機、前視聲納像機、超短基線定位系統、羅經和差分GPS ;All、將低照度黑白攝像機固定在位于ROV潛器前端中間位置處的俯仰云臺上,其輸出經導線送往ROV潛器上的分線盒,后經光纖臍帶纜依次送往位于母船上的視頻疊加模塊和光纖接線盒;A12、在ROV潛器前端中間俯仰云臺的下方安裝前視聲納像機,前視聲納像機的聲納頭與水平面之間保持一固定傾角,其輸出經導線送往ROV潛器上的分線盒,后經光纖臍帶纜依次送往母船上的視頻疊加模塊和光纖接線盒;A13、將超短基線應答器探頭朝上固定于ROV潛器上,且其尾端的8引腳連接器用電源塞插上,以啟動超短基線應答器內部電源;A14、用鉛塊和浮力塊配平,以保證ROV潛器各部分在水中的受力均衡,使重力等于浮力;A15、將超短基線岸基收發器固定于母船底面向下約Im處,超短基線岸基收發器的水平坐標系與母船底面平行,且與超短基線應答器協同調整其χ軸與母船船艏方向一致,若不一致則記錄偏角;A16、將差分GPS流動站放置于母船上易于接收信號的位置,天線盡可能短,并精確測量差分GPS流動站相較于超短基線岸基收發器水平面的坐標偏差;將差分GPS基站和差分GPS中繼電臺放在一處用導線連接通訊,或者將差分GPS基站和差分GPS中繼電臺分放于兩處利用無線通訊以增加GPS流動站與GPS基站的通訊距離;A17、將羅經放置在母船上的水平處,調整羅經的中軸線與船的中軸線平行,且羅經前端指向母船船艏方向;
A18、將姿態儀放置在母船上的水平處,調整姿態儀的俯仰方向與母船船艏方向一致;A2、輸出超短基線應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標;A21、將固定于不銹鋼保護架上的溫鹽深剖面儀通過軟件預先設定采樣間隔,測量前將其投放入海中,所獲取的聲速值自動存儲在其內部的非易失FLASH中,而后經軟件讀取,并輸入超短基線定位系統軟件用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;A22、將超短基線應答器的χ軸與母船船艏方向的偏角輸入超短基線定位系統軟件,用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;A23、將差分GPS流動站在超短基線岸基收發器水平坐標系投影處的二維坐標輸入超短基線定位系統軟件用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;B、根據被測目標在前視聲納像機中的成像、聲納與水平面的安裝傾角,及ROV潛器上的磁通門羅經和集成固態角速度傳感器的輸出結果,協同輸出被測目標在以ROV潛器上的超短基線應答器為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的坐標,該坐標的輸出方法,包括如下步驟Bi、從前視聲納像機采集的聲納圖像中獲取被測目標相對于前視聲納像機的聲納頭的斜距和方位角;B11、采用形態學開運算對聲納圖像進行去噪處理;B12、采用水平集法提取被測目標輪廓;B13、采用具有位置、尺度和旋轉不變性的不變矩對輪廓內的區域特征進行統計;B14、采用支撐向量機對被測目標進行識別,判斷被測目標是否為所關注被測目標若是,轉步驟B15,否則返回步驟Bll重新對獲取的新圖像進行處理;B15、在前視聲納像機采集的圖像上選定一被測目標像點,將鼠標指針置于該位置處,可直接獲得該被測目標像點相對于前視聲納像機聲納頭的斜距和方位角,即為被測目標相對于前視聲納像機聲納頭的斜距和方位角;B2、輸出被測目標在以ROV潛器上的超短基線應答器為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標;B21、根據被測目標相對于前視聲納像機聲納頭的斜距和方位角,輸出被測目標在前視聲納像機坐標系下的三維坐標;B22、根據前視聲納像機與水平面的安裝傾角、集成固態角速度傳感器的輸出結果,及前視聲納像機的聲納頭與超短基線應答器的相對位置,將被測目標在前視聲納像機坐標系下的三維坐標經旋轉平移變換為被測目標在以超短基線應答器為坐標原點的ROV 潛器坐標系下的三維坐標;B23、根據ROV潛器上的磁通門羅經的輸出結果,將被測目標在以超短基線應答器為坐標原點的ROV潛器坐標系下的三維坐標旋轉變換為被測目標在以超短基線應答器為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標;C、計算被測目標在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,可通過如下步驟求得Cl、計算被測目標相對于ROV潛器上超短基線應答器在WGS84橢球坐標系下經緯度坐標的變化量;若所述被測目標在以超短基線應答器為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標輸出為北向X、東向y、地心向Z,且超短基線應答器在WGS84橢球坐標系下經緯度坐標輸出分別為lonl、latl,地球半徑為R,則被測目標相對于超短基線應答器的經緯度偏差分別為
權利要求
1.一種水下目標精確定位系統,其特征在于包括母船(1)、多串口計算機(13)、臺式計算機(14)、超短基線定位系統、差分GPS(6)、羅經(5)、ROV系統、前視聲納像機(17)、低照度黑白攝像機(19)、姿態儀(4)和溫鹽深剖面儀(2);所述ROV系統包括最大工作深度為 300m的ROV潛器(15)、ROV控制單元(7)、ROV供電單元⑶、ROV手持控制單元(9)、15寸高清TFT顯示器、視頻疊加模塊(25)、光纖接線盒(26)和繞有500米長光纖臍帶纜(12)的光纖臍帶手動絞車(11);所述ROV為水下遙控航行器;所述ROV潛器(15)包括四個水平推進器、一個垂直推進器、磁通門羅經(21)、集成固態角速度傳感器(22)、壓力計(23)、高度計(24),兩只75瓦光強可調的LED照明燈和可在士90°內旋轉的俯仰云臺(18);所述ROV潛器(15)上搭載前視聲納像機(17)、低照度黑白攝像機(19)和超短基線應答器(16);所述超短基線定位系統包括超短基線岸基收發器(3)和超短基線應答器(16),超短基線岸基收發器(3)安裝于母船(1)上,超短基線應答器(16)安裝于ROV潛器(15)上;所述差分GPS(6)包括GPS基站、GPS流動站和GPS中繼電臺,GPS流動站放置于母船 (1)上,GPS基站和GPS中繼電臺視測量情況放置于其他船上或陸地上;所述多串口計算機(13)、臺式計算機(14)、超短基線岸基收發器(3)、GPS流動站、羅經(5)、姿態儀(4)、R0V控制單元(7)、R0V供電單元(8)、R0V手持控制單元(9)、15寸高清 TFT顯示器、視頻疊加模塊(25)、光纖接線盒(26)和繞有500米長光纖臍帶纜(12)的光纖臍帶手動絞車(11)均位于母船(1)上;所述溫鹽深剖面儀(2)固定于不銹鋼保護架的中間,為自容式工作模式,所述不銹鋼保護架在ROV潛器(15)入水前投放于母船(1)附近海域。
2.一種如權利要求1所述的水下目標精確定位方法,其特征在于通過超短基線定位系統、前視聲納像機(17)和差分GPS(6)協同獲得被測目標在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,具體包括以下步驟A、超短基線定位系統與位于母船(1)上的羅經(5)和差分GPS (6)協同獲得ROV潛器 (15)上超短基線應答器(16)在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,該經緯度坐標的獲取方法,包括如下步驟Al、安裝低照度黑白攝像機(19)、前視聲納像機(17)、超短基線定位系統、羅經(5)和差分 GPS (6);All、將低照度黑白攝像機(19)固定在位于ROV潛器(15)前端中間位置處的俯仰云臺 (18)上,其輸出經導線送往ROV潛器(15)上的分線盒,后經光纖臍帶纜(12)依次送往位于母船(1)上的視頻疊加模塊(25)和光纖接線盒(26);A12、在ROV潛器(15)前端中間俯仰云臺(18)的下方安裝前視聲納像機(17),前視聲納像機(17)的聲納頭與水平面之間保持一固定傾角,其輸出經導線送往ROV潛器(15)上的分線盒,后經光纖臍帶纜(12)依次送往母船(1)上的視頻疊加模塊(25)和光纖接線盒 (26);A13、將超短基線應答器(16)探頭朝上固定于ROV潛器(15)上,且其尾端的8引腳連接器用電源塞插上,以啟動超短基線應答器(16)內部電源;A14、用鉛塊和浮力塊配平,以保證ROV潛器(15)各部分在水中的受力均衡,使重力等于浮力;A15、將超短基線岸基收發器(3)固定于母船(1)底面向下約Im處,超短基線岸基收發器(3)的水平坐標系與母船(1)底面平行,且與超短基線應答器(16)協同調整其χ軸與母船(1)船艏方向一致,若不一致則記錄偏角;A16、將差分GPS(6)流動站放置于母船(1)上易于接收信號的位置,天線盡可能短,并精確測量差分GPS(6)流動站相較于超短基線岸基收發器(3)水平面的坐標偏差;將差分 GPS(6)基站和差分GPS(6)中繼電臺放在一處用導線連接通訊,或者將差分GPS(6)基站和差分GPS(6)中繼電臺分放于兩處利用無線通訊以增加GPS流動站與GPS基站的通訊距離; A17、將羅經(5)放置在母船(1)上的水平處,調整羅經(5)的中軸線與船的中軸線平行,且羅經(5)前端指向母船⑴船艏方向;A18、將姿態儀(4)放置在母船⑴上的水平處,調整姿態儀⑷的俯仰方向與母船⑴ 船艏方向一致;A2、輸出超短基線應答器(16)在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標; A21、將固定于不銹鋼保護架上的溫鹽深剖面儀(2)通過軟件預先設定采樣間隔,測量前將其投放入海中,所獲取的聲速值自動存儲在其內部的非易失FLASH中,而后經軟件讀取,并輸入超短基線定位系統軟件用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;A22、將超短基線應答器(16)的χ軸與母船(1)船艏方向的偏角輸入超短基線定位系統軟件,用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;A23、將差分GPS(6)流動站在超短基線岸基收發器(3)水平坐標系投影處的二維坐標輸入超短基線定位系統軟件用以修正超短基線定位系統應答器在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標值;B、根據被測目標在前視聲納像機(17)中的成像、聲納與水平面的安裝傾角,及ROV潛器(15)上的磁通門羅經(21)和集成固態角速度傳感器(22)的輸出結果,協同輸出被測目標在以ROV潛器(15)上的超短基線應答器(16)為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的坐標,該坐標的輸出方法,包括如下步驟Bi、從前視聲納像機(17)采集的聲納圖像中獲取被測目標相對于前視聲納像機(17) 的聲納頭的斜距和方位角;B11、采用形態學開運算對聲納圖像進行去噪處理; B12、采用水平集法提取被測目標輪廓;B13、采用具有位置、尺度和旋轉不變性的不變矩對輪廓內的區域特征進行統計; B14、采用支撐向量機對被測目標進行識別,判斷被測目標是否為所關注被測目標若是,轉步驟B15,否則返回步驟Bll重新對獲取的新圖像進行處理;B15、在前視聲納像機(17)采集的圖像上選定一被測目標像點,將鼠標指針置于該位置處,可直接獲得該被測目標像點相對于前視聲納像機(17)聲納頭的斜距和方位角,即為被測目標相對于前視聲納像機(17)聲納頭的斜距和方位角;B2、輸出被測目標在以ROV潛器(15)上的超短基線應答器(16)為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標;B21、根據被測目標相對于前視聲納像機(17)聲納頭的斜距和方位角,輸出被測目標在前視聲納像機(17)坐標系下的三維坐標;B22、根據前視聲納像機(17)與水平面的安裝傾角、集成固態角速度傳感器(22)的輸出結果,及前視聲納像機(17)的聲納頭與超短基線應答器(16)的相對位置,將被測目標在前視聲納像機(17)坐標系下的三維坐標經旋轉平移變換為被測目標在以超短基線應答器 (16)為坐標原點的ROV潛器(15)坐標系下的三維坐標;B23、根據ROV潛器(15)上的磁通門羅經(21)的輸出結果,將被測目標在以超短基線應答器(16)為坐標原點的ROV潛器(15)坐標系下的三維坐標旋轉變換為被測目標在以超短基線應答器(16)為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標; C、計算被測目標在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標,可通過如下步驟求得 Cl、計算被測目標相對于ROV潛器(15)上超短基線應答器(16)在WGS84橢球坐標系下經緯度坐標的變化量;若所述被測目標在以超短基線應答器(16)為坐標原點的北東地站心地平直角坐標系下的三維坐標輸出為北向χ、東向y、地心向z,且超短基線應答器(16)在WGS84橢球坐標系下經緯度坐標輸出分別為lonl、latl,地球半徑為R,則被測目標相對于超短基線應答器 (16)的經緯度偏差分別為
全文摘要
本發明公開了一種水下目標精確定位系統及方法,所述的系統包括母船、多串口計算機、臺式計算機、超短基線定位系統、差分GPS、羅經、ROV系統、前視聲納像機、低照度黑白攝像機、姿態儀和溫鹽深剖面儀。本發明用一艘母船搭載超短基線定位系統的岸基收發器及ROV水面系統單元等和一個ROV潛器搭載超短基線定位系統的應答器和前視聲納像機等水下系統單元構成的水下目標精確定位系統,協同超短基線定位系統的岸基收發器與應答器間的聲學定位和前視聲納的聲學定位,克服了現有水下GPS定位系統僅能對水域中載有聲學應答裝置的目標進行定位的局限性,實現了對任意水域內的任意未知目標在WGS84橢球坐標系下的經緯度坐標的實時定位。
文檔編號G01S15/06GK102495420SQ20111041608
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者李瑛 , 艾莉莉, 許文海 申請人:大連海事大學