一种水下目标精确定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种水下目标精确定位系统及方法，所述的系统包括母船、多串口计算机、台式计算机、超短基线定位系统、差分GPS、罗经、ROV系统、前视声纳像机、低照度黑白摄像机、姿态仪和温盐深剖面仪。本发明用一艘母船搭载超短基线定位系统的岸基收发器及ROV水面系统单元等和一个ROV潜器搭载超短基线定位系统的应答器和前视声纳像机等水下系统单元构成的水下目标精确定位系统，协同超短基线定位系统的岸基收发器与应答器间的声学定位和前视声纳的声学定位，克服了现有水下GPS定位系统仅能对水域中载有声学应答装置的目标进行定位的局限性，实现了对任意水域内的任意未知目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标的实时定位。

说明书

技术领域

本发明涉及水下GPS定位技术领域，具体涉及一种水下目标精确定位系统 及方法。

背景技术

目前，人们对占地球表面积70％以上的海洋的探索相较于对太空的探索并 没有取得长足的进展，主要原因之一就是“视野”狭窄。电磁波是一种辐射波， 因此可以在空气和真空中传播，他又是已知的传播速度最快的物质，因此是宇 宙中探测和传递信息的凭借；海洋中探测和传递信息的主要载体是声波，声波 是一种机械波，依靠介质进行传播，其在海洋中的传播能力非常强，可达上万 海里，其频率越低传播的距离越远，但分辨率也越低。

海水的运动是非常复杂的，包括海流、海浪、潮汐、内波、风暴潮流、海 水层间的层流和湍流等，当遇险船只从水面消失下沉的过程中，受各种因素的 综合作用，遇险船只相对水面遇险位置会存在很大的漂移，因此水下遇险目标 的精确定位对于成功搜救至关重要。现有的水下定位系统，大致可分为水声定 位系统、水下GPS和激光声遥感系统三大类：激光声遥感系统是在空中发射激 光，利用激光与自由水表面相互作用产生的声波作为水下声源，又在空中利用 传感器接收水下目标反射或散射的声信号，发射机和接收机均可装载在直升机 上，作为一种新的技术手段，成熟度和性能与其他两种相比还有一定的差距； 水声定位系统需要设置声基阵，依据基阵的基线长度分为：长基线定位系统、 短基线定位系统和超短基线定位系统，定位精度逐次降低，但系统构成和操作 亦逐次简化和便捷，可以确定被测目标相对于基阵的位置，是一种相对的定位； 水下GPS是GPS和水声定位系统相结合的联合定位系统，它是利用水声相对定 位技术将GPS水面高精度定位能力向水下延伸，使潜器在工作潜深就可以直接 获得自身的大地经纬度坐标，是一种绝对的定位。

现有的水下GPS主要有两种：一种是采用长基线海面浮标系统，可从海面、 沿岸陆地或飞机上对水下目标跟踪监视和动态定位，定位精度高，但是标定复 杂且仅能对某固定水域内的载有声学应答装置的水下目标进行定位；另一种是 采用布置超短基线岸基收发器和GPS的母船实现对水下目标的定位，该系统机 动灵活，但定位目标上也必须载有声学应答装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实时探 测并获得任意水域中未知物体在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标的水下目 标精确定位系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水下目标精确定位系统，包括母船、多串口计算机、台式计算机、超 短基线定位系统、差分GPS、罗经、ROV系统、前视声纳像机、低照度黑白摄 像机、姿态仪和温盐深剖面仪；所述ROV系统包括最大工作深度为300m的ROV 潜器、ROV控制单元、ROV供电单元、ROV手持控制单元、15寸高清TFT显 示器、视频叠加模块、光纤接线盒和绕有500米长光纤脐带缆的光纤脐带手动 绞车；所述ROV为水下遥控航行器；

所述ROV潜器包括四个水平推进器、一个垂直推进器、磁通门罗经、集成 固态角速度传感器、压力计、高度计，两只75瓦光强可调的LED照明灯和可 在±90°内旋转的俯仰云台；

所述ROV潜器上搭载前视声纳像机、低照度黑白摄像机和超短基线应答器；

所述超短基线定位系统包括超短基线岸基收发器和超短基线应答器，超短 基线岸基收发器安装于母船上，超短基线应答器安装于ROV潜器上；

所述差分GPS包括GPS基站、GPS流动站和GPS中继电台，GPS流动站 放置于母船上，GPS基站和GPS中继电台视测量情况放置于其他船上或陆地上；

所述多串口计算机、台式计算机、超短基线岸基收发器、GPS流动站、罗 经、姿态仪、ROV控制单元、ROV供电单元、ROV手持控制单元、15寸高清 TFT显示器、视频叠加模块、光纤接线盒和绕有500米长光纤脐带缆的光纤脐 带手动绞车均位于母船上；

所述温盐深剖面仪固定于不锈钢保护架的中间，为自容式工作模式，所述 不锈钢保护架在ROV潜器入水前投放于母船附近海域。

一种水下目标精确定位方法，通过超短基线定位系统、前视声纳像机和差 分GPS协同获得被测目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标，具体包括以 下步骤：

A、超短基线定位系统与位于母船上的罗经和差分GPS协同获得ROV潜器 上超短基线应答器在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标，该经纬度坐标的获取 方法，包括如下步骤：

A1、安装低照度黑白摄像机、前视声纳像机、超短基线定位系统、罗经和 差分GPS；

A11、将低照度黑白摄像机固定在位于ROV潜器前端中间位置处的俯仰云 台上，其输出经导线送往ROV潜器上的分线盒，后经光纤脐带缆依次送往位于 母船上的视频叠加模块和光纤接线盒；

A12、在ROV潜器前端中间俯仰云台的下方安装前视声纳像机，前视声纳 像机的声纳头与水平面之间保持一固定倾角，其输出经导线送往ROV潜器上的 分线盒，后经光纤脐带缆依次送往母船上的视频叠加模块和光纤接线盒；

A13、将超短基线应答器探头朝上固定于ROV潜器上，且其尾端的8引脚 连接器用电源塞插上，以启动超短基线应答器内部电源；

A14、用铅块和浮力块配平，以保证ROV潜器各部分在水中的受力均衡， 使重力等于浮力；

A15、将超短基线岸基收发器固定于母船底面向下约1m处，超短基线岸基 收发器的水平坐标系与母船底面平行，且与超短基线应答器协同调整其x轴与 母船船艏方向一致，若不一致则记录偏角；

A16、将差分GPS流动站放置于母船上易于接收信号的位置，天线尽可能 短，并精确测量差分GPS流动站相较于超短基线岸基收发器水平面的坐标偏差； 将差分GPS基站和差分GPS中继电台放在一处用导线连接通讯，或者将差分 GPS基站和差分GPS中继电台分放于两处利用无线通讯以增加GPS流动站与 GPS基站的通讯距离；

A17、将罗经放置在母船上的水平处，调整罗经的中轴线与船的中轴线平行， 且罗经前端指向母船船艏方向；

A18、将姿态仪放置在母船上的水平处，调整姿态仪的俯仰方向与母船船艏 方向一致；

A2、输出超短基线应答器在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标；

A21、将固定于不锈钢保护架上的温盐深剖面仪通过软件预先设定采样间 隔，测量前将其投放入海中，所获取的声速值自动存储在其内部的非易失FLASH 中，而后经软件读取，并输入超短基线定位系统软件用以修正超短基线定位系 统应答器在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标值；

A22、将超短基线应答器的x轴与母船船艏方向的偏角输入超短基线定位系 统软件，用以修正超短基线定位系统应答器在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐 标值；

A23、将差分GPS流动站在超短基线岸基收发器水平坐标系投影处的二维 坐标输入超短基线定位系统软件用以修正超短基线定位系统应答器在WGS84 椭球坐标系下的经纬度坐标值；

B、根据被测目标在前视声纳像机中的成像、声纳与水平面的安装倾角，及 ROV潜器上的磁通门罗经和集成固态角速度传感器的输出结果，协同输出被测 目标在以ROV潜器上的超短基线应答器为坐标原点的北东地站心地平直角坐标 系下的坐标，该坐标的输出方法，包括如下步骤：

B1、从前视声纳像机采集的声纳图像中获取被测目标相对于前视声纳像机 的声纳头的斜距和方位角；

B11、采用形态学开运算对声纳图像进行去噪处理；

B12、采用水平集法提取被测目标轮廓；

B13、采用具有位置、尺度和旋转不变性的不变矩对轮廓内的区域特征进行 统计；

B14、采用支撑向量机对被测目标进行识别，判断被测目标是否为所关注被 测目标：若是，转步骤B15，否则返回步骤B11重新对获取的新图像进行处理；

B15、在前视声纳像机采集的图像上选定一被测目标像点，将鼠标指针置于 该位置处，可直接获得该被测目标像点相对于前视声纳像机声纳头的斜距和方 位角，即为被测目标相对于前视声纳像机声纳头的斜距和方位角；

B2、输出被测目标在以ROV潜器上的超短基线应答器为坐标原点的北东地 站心地平直角坐标系下的三维坐标；

B21、根据被测目标相对于前视声纳像机声纳头的斜距和方位角，输出被测 目标在前视声纳像机坐标系下的三维坐标；

B22、根据前视声纳像机与水平面的安装倾角、集成固态角速度传感器的输 出结果，及前视声纳像机的声纳头与超短基线应答器的相对位置，将被测目标 在前视声纳像机坐标系下的三维坐标经旋转平移变换为被测目标在以超短基线 应答器为坐标原点的ROV潜器坐标系下的三维坐标；

B23、根据ROV潜器上的磁通门罗经的输出结果，将被测目标在以超短基 线应答器为坐标原点的ROV潜器坐标系下的三维坐标旋转变换为被测目标在以 超短基线应答器为坐标原点的北东地站心地平直角坐标系下的三维坐标；

C、计算被测目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标，可通过如下步骤 求得：

C1、计算被测目标相对于ROV潜器上超短基线应答器在WGS84椭球坐标 系下经纬度坐标的变化量；

若所述被测目标在以超短基线应答器为坐标原点的北东地站心地平直角坐 标系下的三维坐标输出为北向x、东向y、地心向z，且超短基线应答器在WGS84 椭球坐标系下经纬度坐标输出分别为lon1、lat1，地球半径为R，则被测目标相 对于超短基线应答器的经纬度偏差分别为：

$\mathrm{\Delta lon}=\frac{180}{\pi }·\frac{y}{R·\cos \left(\mathrm{lat}1\right)}$

$\mathrm{\Delta lat}=\frac{180}{\pi }·\frac{x}{R};$

C2、计算被测目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标；

由超短基线应答器在WGS84椭球坐标系下经纬度坐标lon1、lat1，及被测 目标相对于超短基线应答器的经纬度偏差Δlon、Δlat，则被测目标在WGS84椭 球坐标系下的经纬度坐标为：

lon＝lon1+Δlon

lat＝lat1+Δlat。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明采用一艘母船搭载超短基线定位系统的岸基收发器、罗经、差分 GPS、主控设备的水面系统单元和一个ROV潜器搭载超短基线定位系统的应答 器、前视声纳像机及其他信息探测设备的水下系统单元构成的水下目标精确定 位系统，协同超短基线定位系统的岸基收发器与应答器间的声学定位和前视声 纳像机的声学定位，将GPS定位技术从水面延伸至水下，从而实现水下被测目 标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标的实时定位。

2、本发明采用超短基线定位系统、前视声纳像机系统的双声学定位系统和 GPS组合的定位方式，克服了以往采用基线单声学定位系统和GPS组合的定位 方式仅能对水域中载有声学应答装置的目标进行定位的局限性，实现了对任意 水域内的任意未知目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标的实时定位，且具 有很好的机动性。

3、本发明ROV潜器上除了搭载前视声纳像机和超短基线应答器等声学定 位设备外，还搭载了低照度黑白摄像机，以实现对被测目标的近距离观测。

4、本发明对所获取的前视声纳图像依次采用形态学去噪、水平集轮廓提取、 不变矩统计、支撑向量机分类等处理方法，实现了在逼近所探测目标的中远程 距离内对被测目标的高精度识别，提高了作业效率。

5、实验证明，本发明在水深117m、底面水平半径为220m的有效测量范围 内其定位精度可以达到5m，此时，声纳的有效作用距离小于50m，ROV潜器的 移动范围在超短基线岸基收发器以垂直方向为中心的±60°立体角之内。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1为水下目标精确定位系统装置示意图；

图2为水下目标精确定位系统结构框图；

图3为水下目标精确定位系统信号流程图。

图中：1、母船，2、温盐深剖面仪，3、超短基线岸基收发器，4、姿态仪， 5、罗经，6、差分GPS，7、ROV控制单元，8、ROV供电单元，9、ROV手持 控制单元，10、ROV显示单元，11、光纤脐带手动绞车，12、光纤脐带缆，13、 多串口计算机，14、台式计算机，15、ROV潜器，16、超短基线应答器，17、 前视声纳像机，18、俯仰云台，19、低照度黑白摄像机，20、双LED光源，21、 磁通门罗经，22、集成固态角速度传感器，23、压力计，24、高度计，25、视 频叠加模块，26、光纤接线盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

在母船1的船底安装Tracklink 1500超短基线岸基收发器3，在母船1甲板 的水平位置安置CDL Minitilt姿态仪4、德国安修斯公司的STD22型数字罗经5、 IGS-TR4差分GPS 6流动站等超短基线定位系统工作所需辅助、校准设备；在 母船1甲板上安置ROV控制单元7、ROV供电单元8、ROV手持控制单元9、 用于显示安装在ROV潜器15俯仰云台18上的OE15-102低照度黑白摄像机19 采集的视频图像的高清TFTROV显示单元10、及一个绕有500米长光纤脐带缆 12的光纤脐带手动绞车11等ROV供电、控制及显示单元；在母船1甲板上安 置的多串口计算机13和台式计算机14以用于实时定位解算。在ROV潜器15 上安装Tracklink 1500超短基线应答器16、Blueview P450E-15前视声纳像机17 等声学信息探测设备；磁通门罗经21、集成固态角速度传感器22、压力计23、 高度计24等用于ROV潜器15导航的信息采集装置；及用于低照度黑白摄像机 19工作的双LED光源20。本发明的系统结构框图如图2所示，母船1，母船1 上安置的Tracklink 1500超短基线定位系统的岸基收发器、罗经5、差分GPS 6、 ROV供电、控制及显示单元组成水面系统单元；ROV潜器15、ROV潜器15 上搭载的声学信息探测设备，用于导航的信息采集装置，光学观测装置组成水 下系统单元。水面系统单元与水下系统单元间的信息传递通道有两个，一个是 无线声通讯，一个是有线光纤脐带缆12，工作时，其信号传递流程如图3所示， 安装在母船1上的超短基线岸基收发器3与搭载在ROV潜器15上的超短基线 应答器16构成的超短基线定位系统根据声学定位原理，在罗经5、差分GPS 6流 动站及校准单元温盐深剖面仪2、姿态仪4等各设备的协同工作下，由安装在多 串口计算机13上的TrackLink软件输出ROV潜器15上超短基线应答器16在 WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标。搭载在ROV潜器15上的磁通门罗经21、 集成固态角速度传感器22、压力计23、高度计24、低照度黑白摄像机19和前 视声纳像机17采集的信息通过ROV潜器15内部分线盒以光纤信息的形式经光 纤脐带缆12依次送入母船1上的视频叠加模块25、光纤接线盒26输出，则低 照度黑白摄像机19的视频信息先被分出，后被转为电信号，该电信号送入ROV 控制单元7后，与ROV潜器15的航向、姿态、深度、距海底高度信息叠加后 送入高清TFT显示器显示，前视声纳像机17的信息经网线送入台式计算机14， ROV潜器15上的导航信息则经ROV供电单元8送至ROV控制单元7。另一方 面ROV手持控制单元9作为人机界面将控制信号经ROV供电单元8与500V 直流电压信号一并送入光纤接线盒26，实现电信号到光信号的转换，依次经视 频叠加模块25、光纤脐带缆12送入ROV潜器15上的供电单元，其中电源信号 被转换成48V直流电压与其它信号送往ROV潜器15上的分线盒，再分送给潜 器上的各设备和节点以用于供电和控制。台式计算机14对采集的声纳图像进行 去噪、轮廓提取、特征统计、模式识别等处理后，若判定为被测目标，则从声 纳图像上提取被测目标相对于声纳头的斜距和方位，送入多串口计算机13，与 由ROV控制单元7传送过来的ROV潜器15的姿态、航向、深度及前视声纳像 机17与水平面的安装夹角共同确定被测目标相对于ROV潜器15上超短基线应 答器16在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标变化量，再与TrackLink软件输出 的ROV潜器15上超短基线应答器16在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标值 进行叠加，则被测目标在WGS84椭球坐标系下的经纬度坐标可求。

综上所述，本发明的工作步骤如下：

首先，安放好所有的仪器设备，并连线。若不能调整超短基线岸基收发器3 的x轴与船艏的方向同向，而是有一个小的交角；若差分GPS 6流动站与超短 基线应答器16在水平方向上有偏差；若姿态仪4所处位置的平面与超短基线岸 基收发器3的坐标平面不平行，俯仰方向与其x轴有偏差，横摇方向与y其轴 有偏差；则均需作为初始偏差输入TrackLink软件以修正超短基线定位系统的定 位输出。工作海域当前的声速在ROV潜器15入水前由工作在自容模式下的温 盐深剖面仪2进行测定，并输入TrackLink软件以修正输出。前视声纳像机17 的声纳头与水平面的夹角需记录以用于定位解算等；

其次，在工作海域停船，启动所有的硬件设备及软件，ROV潜器15入水， 调试各系统工作正常；

再次，超短基线定位系统与前视声纳像机17协同工作，实现对水下探测目 标在WGS84椭球坐标系下的高精度实时定位。