海底大地基准多信标定位平台及联合标校方法

摘要

本发明涉及水下信标定位领域，尤其是一种海底大地基准多信标定位平台及联合标校方法。包括搭载平台，所述搭载平台的底部为圆柱形支撑盘，圆柱形支撑盘的中心固定有控制舱，圆柱形支撑盘的上表面沿其圆周方向均匀间隔设置四个浮球信标单元，圆柱形支撑盘的底部沿其圆周方向均匀间隔设置四个坐底底脚；所述浮球信标单元包括浮球固定舱、浮球和声学信标，浮球和声学信标设置在浮球固定舱内，声学信标设置在浮球固定舱的中心，声学信标的底部设有双重释放机构，声学信标的外侧设有数个沿圆周方向间隔设置的浮球，浮球固定在浮球支架上。其降低了水下声学信标释放回收失败的风险，并为多信标的联合标校提供平台条件，实现多个水下信标的联合标校。

说明书

技术领域

本发明涉及水下信标定位领域，尤其是一种海底大地基准多信标定位平台及联合标校方 法。

背景技术

上世纪80年代，美国Scripps海洋研究所提出海底大地控制网建设构想，因网络系统研 发和建设费用高、技术难度大，目前仅日本、韩国和美国等少数国家有能力开展海底控制网 的布设、施测和应用研究工作。日本和韩国布设海底控制网主要用于沿岸地震的监测，多布 设在地震断裂带附近水域。在布网方案方面，日本采用了陆地大地测量的布网原则，即首先 布设I等控制网点，在此基础上加密形成II等和III等控制网，但在如何适应海底环境、声 学测距特点和满足定位精度要求的网点选址、网络结构和形状设计等方面国际上少有文献； 在海底大地控制网的建设方面，世界各国多采用GNSS与声学定位技术相结合的海底大地基准 测量方法，其中日本采用了海面平台+GNSS+SBL+海底Beacon+海底电缆综合观测技术，韩国 采用了GNSS与水声定位(LBL+SBL)相结合的测量技术，美国的海底网络因只用于水下导航 和监测，海底控制网测量采用了GNSS定位技术，以上定位技术对于解决单个海底基准点的建 设是有效的，但对于区域海底基准网建设则显得费时费力，不利于海底大地基准网的长期运 行和维护。

基于声学信标的海底定位平台是海底大地基准网的重要组成部分之一。随着海洋科学研 究、海洋环境保护、海洋灾害预防应急、海洋权益维护等领域的快速发展，对海洋环境观测 和调查技术的要求越来越高。海底大地基准多信标定位平台具有长期连续、不受海况和天气 影响、无需利用GPS进行校准、服务时间长的技术优势。

20世纪末以来，世界各国纷纷开始进行海底网络的建设，例如美国的长期生态系统观测 计划LEO-15、日本的ARENA和DONET系统等。而海底大地基准定位平台的设计研制是一个 系统工程，研究适应于不同海域环境和作业条件的装备，提高装备应用的稳定性和可靠性并 形成高效的系统定位标校模式，是我国海底大地基准定位装备结构设计和用的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种海底大地基准多信标定位平台及联合标校方法，其降低了 水下声学信标释放回收失败的风险，并为多信标的联合标校提供平台条件，实现多个水下信 标的联合标校。

本发明的技术方案是：一种海底大地基准多信标定位平台，包括搭载平台，其中，所述 搭载平台的底部为圆柱形支撑盘，圆柱形支撑盘的中心固定有控制舱，圆柱形支撑盘的上表 面沿其圆周方向均匀间隔设置四个浮球信标单元，圆柱形支撑盘的底部沿其圆周方向均匀间 隔设置四个坐底底脚；

所述浮球信标单元包括浮球固定舱、浮球和声学信标，浮球和声学信标设置在浮球固定 舱内，声学信标设置在浮球固定舱的中心，声学信标的底部设有双重释放机构，声学信标的 外侧设有数个沿圆周方向间隔设置的浮球，浮球固定在浮球支架上，浮球支架与浮球固定舱 固定连接；

所述双重释放机构包括连接板、释放单元和备用释放单元，连接板通过释放单元与声学 信标的底部连接，备用释放单元包括释放底座、释放长轴和电磁铁，电磁铁设置在控制舱的 底部，释放长轴设置在圆柱形支撑盘内，释放底座位于连接板的下方，释放底座的顶端与连 接板的底部固定连接，释放底座的下部设有轴孔，释放长轴的一端插入释放底座的轴孔内， 另一端靠近电磁铁，同时释放长轴的外侧设有长轴弹簧，长轴弹簧的一端与释放长轴连接， 另一端与圆柱形支撑盘连接，声学信标正常工作时，电磁铁断电。

本发明中，所述坐底底脚包括底脚弹簧、底脚支柱和底脚锥头，底脚锥头内设有孔，底 脚支柱的顶端与圆柱形支撑盘的底部固定连接，底脚支柱的底端在底脚锥头的孔内上下滑动， 底脚支柱与圆柱形支撑盘的底部之间通过底脚弹簧连接。

所述释放单元包括释放锁销、释放锁钩和释放柱销，释放锁销固定在声学信标的底部， 释放锁钩与连接板铰接，释放锁钩的顶部设有凹槽，释放锁钩通过其顶部的凹槽与释放锁销 固定连接，释放锁钩的下部设有倾斜的沟槽，释放柱销设置在沟槽内，连接板的下部设有竖 向槽，释放柱销设置在连接板下部的竖向槽内，且沿竖向槽上下运动。

本发明还包括一种水下多信标平台联合标校方法，包括以下步骤：

S1，确定水面标校单元的位置坐标；

S2，获得水下声学信标的深度位置数据z；

S3，获得每个水下声学信标的水平位置数据：

水下声学信标的位置坐标记为S_i(x,y,z),i＝1,2,3,4，该信标到第n个水面标校单元测点>n(X_n,Y_n,Z_n)之间的传播时延为t_n，则长基线定位解算公式为：

(x-X_n)²+(y-Y_n)²+(z-Z_n)²＝c²t_n²，n＝1,L,N

其中，c为海水中声传播速度,在水下信标深度z已知的情况下，求解水下信标位置坐标矢量 的矩阵表示式为：

AS＝V

其中：

若基阵A为非奇异可逆矩阵，可求解得到水下信标位置坐标矢量如下：

S＝A^-1V；

S4，数个水下声学信标位置的联合校准,包括以下步骤：

S4.1，获得各声学信标所组成的圆的圆心坐标

S4.2剔除声学信标位置的离群点并重新确定圆心坐标：

已知定位平台上两对称声学信标之间的距离为L，若：

则该点作为离群点不纳入后续计算，剔除离群点后的有效声学信标的坐标个数为M，则 重新计算圆心坐标

S4.3确定声学信标的方向，从而获得校准后的声学信标的位置：

以位置为圆心，在半径为L/2的圆上，取角度间隔为90°的四个新的S_i'组成新的阵>i'阵列组按顺时针方向进行旋转得到数个阵列组，按照最小距离原则寻找与每>i'距离最近的S_i并一一对应，其中i＝1,L,M。

在上述步骤S4.3中，将四个S_i'阵列组按顺时针方向进行旋转得到数个阵列组，计算每>i'和S_i的误差和D

则联合校准后的S_i'的位置即为

在上述步骤S1中，水面标校单元安装于水面船舶上，将水面校标单元的换能器硬连接 安装在测量船上，换能器上方加装GPS天线和高精度惯导设备，测量船绕着多信标定位平台 的布放区域缓慢环形运动，在绕圈过程中实时测量换能器到定位平台上声学信标的时延，同 时记录换能器的实时GPS位置信息和方位姿态信息，在测量船航路上均匀选取数个点作为测 点；选取数个测量点测量其在N个测点处的位置坐标记为A_n(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,L,N，其中水>n,Y_n)由船载GPS信号获得，垂直位置Z_N由换能器在船底的安装深度获得。

在上述步骤S2中，水下声学信标的深度z是根据安装在水下信标上的压力传感器获得的， 压力传感器选用电压型压力传感器，设定压力传感器输出电压范围为U_min～U_max(V)，其对应>sbar(10Bar＝1MPa)，若压力传感器输出电压为U_c(V)，则对应>

其中，ρ(kg/m³)为海水密度，g(N/kg)为重力加速度，深度z的单位为m；

水下信标测量得到的压力数据信息通过水声通信方式传输到水面标校单元。

本发明的有益效果：

(1)采用双重释放机构，当声学信标上的释放机构出现故障时，可以通过平台底座的备 份释放机构完成信标的释放，降低了水下声学信标释放回收失败的风险；

(2)在初始标校时，可利用多信标平台中各信标的相互位置关系，在单个水下信标定位 标校的基础上实现多个信标的联合标校，以进一步提高定位平台的标校精确度；

(3)搭载平台的底部安装有四个弹性的坐底底脚，底脚弹簧为坐底时底脚锥头与搭载平 台提供了缓冲，使搭载平台可适应多种坐底底质，实现定位平台的稳定坐底。

附图说明

图1是海底大地基准多信标定位平台的主视图；

图2是海底大地基准多信标定位平台的俯视图；

图3是双重释放机构的结构示意图；

图4是坐底底脚的结构示意图；

图5为水声通信信号的组成示意图；

图6为搭载平台上声学信标的位置排列示意图。

图中：1搭载平台；2声学信标；3浮球；4控制舱；5浮球支架；6浮球固定舱；7坐底 底脚；8底脚弹簧；9底脚支柱；10底脚锥头；11释放锁销；12释放锁钩；13释放柱销；14 释放底座；15释放长轴；16长轴弹簧；17电磁铁；18连接板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图4是本发明所述的海底大地基准多信标定位平台，包括搭载平台1，搭载平 台1的底部为圆柱形支撑盘，上部为微圆锥形结构，使搭载平台在满足使用要求的情况下体 积最小，并且其重心位于平台底部，提高其在布放以及水中下潜时的稳定性。圆柱形支撑盘 的中心固定有控制舱4，圆柱形支撑盘的上表面沿其圆周方向均匀间隔设置四个浮球信标单 元，圆柱形支撑盘的底部沿其圆周方向均匀间隔设置四个坐底底脚7。搭载平台的主体框架 由不锈钢管件以及不锈钢板焊接而成。

浮球信标单元包括浮球固定舱6、浮球3和声学信标2，浮球3和声学信标2设置在浮球 固定舱6内，声学信标2设置在浮球固定舱6的中心，声学信标2的底部设有双重释放机构。 双重释放机构实现了每个声学信标的单独释放，使其返回海面回收。声学信标2的外侧设有 数个沿圆周方向间隔设置的浮球3，浮球3固定在浮球支架5上，浮球支架5与浮球固定舱6 固定连接。声学信标2通过信标支架牢固地固定在搭载平台1上，防止声学信标在布放、水 中下潜、海底正常作业时产生位置扰动。本实施例中，搭载平台上布置有四个声学信标，四 个声学信标均匀安装在搭载平台上，其安装位置为直径2000mm的圆，任意两个声学信标之间 的间距偏差不超过0.5mm。四个水下信标联合校验与校准，为海底大地控制网提供准确、可 靠的定位信息。为了保证足够的上浮力以及垂直的上浮方向，每一个声学信标均配备四个浮 球，四个浮球的位置均匀分布，浮球支架由不锈钢管焊接而成，呈微锥形结构，浮球固定舱 6为浮球支架提供上浮的导向作用，使声学信标在上浮时不会与搭载平台的其他结构部件产 生干涉，实现安全可靠地回收。

如图4所示，双重释放机构包括连接板18、释放单元和备用释放单元，释放单元包括释 放锁销11、释放锁钩12和释放柱销13，释放锁销11固定在声学信标2的底部，释放锁钩12通过转轴与连接板18铰接，释放锁钩12的顶部设有凹槽，释放锁钩12通过其顶部的凹 槽与释放锁销11固定连接，释放锁钩12的下部设有倾斜的沟槽，释放柱销13设置在沟槽内；同时连接板18的下部设有竖向槽，释放柱销13设置在连接板18下部的竖向槽内，且可以沿竖向槽上下运动。当释放柱销13沿着连接板的竖向槽上下运动的同时，会带动释放锁钩12沿转轴转动，此时释放锁钩12顶部的凹槽离开释放锁销11，从而实现了声学信标2的释放。

备用释放单元包括释放底座14、释放长轴15和电磁铁17，电磁铁17设置在控制舱4的 底部，释放长轴15设置在圆柱形支撑盘内。释放底座14位于连接板18的下方，释放底座14呈T型，释放底座14的顶端与连接板18的底部固定连接，释放底座14的下部设有轴孔， 释放长轴15的一端插入释放底座14的轴孔内，另一端靠近电磁铁17，同时释放长轴15的 外侧设有长轴弹簧16，长轴弹簧16的一端与释放长轴15连接，另一端与圆柱形支撑盘连接， 释放长轴15在长轴弹簧16的弹力作用下，其一端贯穿释放底座的轴孔，同时长轴弹簧16起 到了使释放长轴15复位的作用。声学信标2正常工作时，电磁铁17断电，释放长轴15在释 放弹簧16的弹力作用下贯穿在释放底座14的轴孔中，使释放底座14被固定在搭载平台上。 当声学需上浮回收而释放单元不能正常动作时，需由备用释放单元完成声学信标的上浮回收。由甲板发出控制信号使电磁铁17通电，释放长轴15在电磁铁的吸力作用下向平台的中心移动，释放长轴15的一端离开释放底座14的轴孔，此时释放长轴15与释放底座14脱离，在 四个浮球提供的浮力作用下，声学信标实现上浮回收。

回收声学信标时，通过双重释放机构进行释放动作：一方面，由于声学信标具有声学释 放功能，当信标接收到甲板释放信号后，释放柱销13移动，因此释放锁钩12可以自由转动， 释放锁钩12与释放锁销11分离，在四个浮球提供的浮力作用下，声学信标可以上浮到水面 实现回收维护；另一方面，当释放单元不能正常工作时，启用备用释放单元，电磁铁17触发， 释放长轴15移动并脱离释放底座14，将释放底座14释放，从而实现声学信标的备份释放。

如图3所示，坐底底脚7包括底脚弹簧8、底脚支柱9和底脚锥头10，底脚锥头10内设有孔，底脚支柱9的顶端与圆柱形支撑盘的底部固定连接，底脚支柱9的底端设置在底脚锥头10的孔内，且可以在孔内上下滑动，底脚支柱9与圆柱形支撑盘的底部之间通过底脚弹簧8连接。底脚锥头10可沿底脚支柱9上下移动，底脚弹簧8为坐底时底脚锥头与搭载平台提供了缓冲，使搭载平台可适应多种坐底底质，实现稳定地坐底。

本发明还包括一种多信标定位平台联合标校方法，根据长基线、超短基线定位原理，在 系统标校时可将四个信标作为四个接收阵，通过与水面船舶的定位基准源联合计算，得到高 精度的海底定位结果。该方法包括以下步骤：

第一步，确定水面标校单元的位置坐标。

水面标校单元安装于水面船舶上，将水面校标单元的换能器硬连接安装在测量船上，换 能器上方加装GPS天线和高精度惯导设备，测量船绕着目标缓慢环形运动，在绕圈过程中实 时测量换能器到定位平台上声学信标的时延，同时记录换能器的实时GPS位置信息和方位姿 态信息。在测量船航路上均匀选取多个点作为测量点，每一个测点的测量信息可认定为一个 定位基元。

选取多个测量点测量其在N个测点处的位置坐标记为A_n(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,L,N，其中水>n,Y_n)由船载GPS信号获得，垂直位置Z_N由换能器在船底的安装深度获得。

第二步，获得水下声学信标的深度位置数据。

水下声学信标的深度z是根据安装在水下信标上的压力传感器获得的，压力传感器选用 电压型压力传感器。设定压力传感器输出电压范围为U_min～U_max(V)，其对应的深度测量量程>sbar(10Bar＝1MPa)，若压力传感器输出电压为U_c(V)，则对应的深度值计算公>

其中，ρ(kg/m³)为海水密度，g(N/kg)为重力加速度，深度z的单位为m。

水下信标测量得到的压力数据信息通过水声通信方式传输到水面标校单元。水下信标与 水面标校单元之间的水声通信采用RZ-OFSK数字通信方式，共有16个公共通信信道，则每个 信道的脉冲信号可以代表4bits信息。图5为水声通信信号的组成示意图，水声通信信号由 唤醒脉冲信号和水声通信脉冲串信号组成，水声通信脉冲串最多有15个脉冲信号，即每次最 多可以传送60bits信息量。每个脉冲信号的脉宽为5ms，脉冲之间的间隔为100ms，总信号 长度小于1.6s。

第三步，获得每个水下声学信标的水平位置数据。

水下声学信标的位置坐标记为S_i(x,y,z),i＝1,2,3,4，该信标到第n个水面标校单元测点>n(X_n,Y_n,Z_n)之间的传播时延为t_n，则长基线定位解算公式为：

(x-X_n)²+(y-Y_n)²+(z-Z_n)²＝c²t_n²，n＝1,L,N>

其中，c为海水中声传播速度。在水下信标深度z已知的情况下，三个球面交汇，即只要已 知水下信标到三个测点的传播时延，就可唯一确定水下信标位置(x,y)。如果已知水下信标到 多于三个以上测点的传播时延，即出现冗余阵元，则冗余阵元的信息可用于实现多解平均以 提高定位精度。

在水下信标深度z已知的情况下，对上述方程式进行化简，可以得到求解水下信标位置 坐标矢量的矩阵表示式为：

AS＝V (2)

其中：

若基阵A为非奇异可逆矩阵，可求解得到水下信标位置坐标矢量如下：

S＝A^-1V>

第四步，多个水下声学信标位置的联合校准。

根据平台的总体布置方案，各信标S_i(x,y,z),i＝1,2,3,4在海底的相互位置如图6所示，可>

1，获得各声学信标所组成的圆的圆心坐标

2，剔除声学信标位置的离群点并重新确定圆心坐标：

如图6所示，根据定位平台的设计，两个声学信标之间的距离为L，若：

则该声学信标的位置被认为计算误差过大，该点作为离群点不纳入后续计算。剔除离群 点后的有效声学信标的坐标个数为M，则重新计算圆心坐标

3，确定声学信标的方向，从而获得校准后的声学信标的位置：

以位置为圆心，在半径为L/2的圆上，取角度间隔为90°的四个新的S_i'组成新的阵>i'距离最近的S_i并一一对应，其中i＝1,L,M

将四个S_i'阵列组按顺时针方向进行旋转，计算每一对S_i'和S_i的误差和D

则联合校准后的S_i'的位置即为

该方法的工作原理是：水面校标单元通过向水下声学信标发送水声遥控命令，实现对水 下信标的远程控制；通过同步接收方式或声学询问应答方式，实现对水下声学信标的精确测 距。同步接收方式下，水下声学信标及水面校标单元的时钟是同步的，水面校标单元已知水 下声学信标的信号发射时刻和发射信号形式，通过同步接收声学信标的信号进行处理，估计 得到收发之间的时延。在声学询问应答方式下，水面校标单元首先向水下信标发射询问信号， 声学信标接收到信号后延时一定时间回复应答信号，在信号体制事先约定的前提下，水面校 标单元接收声学信标的回复信号进行处理得到收发之间的时延。水面校标单元将处理得到的 收发之间的时延信息和当前发射换能器的位置信息(利用刚性连接的GPS天线测量得到)， 利用本方法中的校准步骤，完成水下声学信标的位置标校。