[发明专利]一种水声定位与授时浮标及水下定位方法

说明书

本发明公开了水声定位与授时浮标及水下定位方法，涉及水声定位领域。浮标包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。

技术领域

本发明涉及水声定位领域，具体涉及一种水声定位与授时浮标及水下定位方法。

背景技术

位置信息和时间信息对于海洋科考、海底资源勘探、海工结构建设、海洋情报网建设等是必要的基础信息，海洋领域定位、导航和授时的可用性、精度和经济性决定了高层次海洋科学研究、高收益的海洋投资和高质量的海洋情报网的正常进行或建设。

对于海面以上一般载体的定位、导航与授时，通常可以使用GPS、北斗等GNSS技术来实现，并且其定位、导航与授时的精度、可用性和隐蔽性等均较佳。而水面以下的定位与授时一直缺少有效的解决方案。一种常用的水下定位方法是使用水声测距来实现的水声定位方法。该方法使用对声波传递进行计时来测量某些空间实体间的距离，通过几何或最小二乘等方法进行位置的解算。具体来说，水声定位方法主要分为三种形式：在载体上安装一台接收/发射换能器，在空间中相隔较远的几个点安装位置已知的发射/接收换能器，并测量发射换能器发射的信号到接收换能器的传播时间，称之为长基线(LBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到他们各自的传播时间，或该信号到主接收换能器的传播时间以及在接收换能器之间的时间差，称之为短基线(SBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到主接收换能器的传播时间和信号在接收换能器之间的相位差，称之为超短基线(USBL)系统。

一般而言，由于水声定位要求空间中存在位置已知的换能器，因此通常通过固定于海底的沉标或者使用GNSS方法进行定位的海面浮标或其他载体来搭载换能器。这两种方法中，海底沉标虽然可以兼顾地壳形变监测等用途，但具有布放和校准困难、功耗受限、无法对载体精确授时等缺点。海面浮标则相反。

在常规的LBL海面浮标方法中，浮标上通常只搭载单天线的GNSS接收机和LBL水声定位设备，并且GNSS定位算法使用的是精度较低的SPP(标准单点定位)算法。这一通用设计存在如下几点问题：(1)浮标自身仅使用单个GNSS天线进行定位，而未考虑浮标的姿态(航向、横滚角、俯仰角)，这导致在由GNSS天线位置推算浮标底部LBL的参考位置时无法考虑姿态的影响，这对于定位精度的进一步提高不利；(2)SPP定位算法的精度、可靠性等均较差，会限制水声定位的精度和可靠性。

从前述内容可知，目前常用的基于海面浮标的水声定位方式主要存在两类问题：(1)浮标姿态信息的缺失引入了系统性的观测误差；(2)使用SPP算法限制了系统定位、授时精度和可靠性的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种集成了多天线GNSS接收机、IMU和LBL设备的水声定位用海面浮标，通过多天线GNSS与IMU组合，可以实现浮标位置、姿态和钟差的同时估计。

本发明具体采用如下技术方案：

一种水声定位与授时浮标，包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；

多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；