我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介

新时期 GPS 技术在水文水资源监测方面的应用发布时间：2021-09-03T06:31:03.086Z 来源：《科学与技术》2021年第13期作者：王卓苟晓宇[导读] GPS技术作为当前我国水文水资源监测中极为重要的技术之一。

可以提升水文水资源监王卓苟晓宇黄河水利委员会上游水文水资源局甘肃省兰州市 730030摘要：GPS技术作为当前我国水文水资源监测中极为重要的技术之一。

可以提升水文水资源监测效率，并且提高精准度，新时期发展下水文水资源监测更应开展全面的技术应用，以有效推动当前经济以及科技的全面发展。

关键词：新时期；GPS技术；水文水资源；监测；应用水文水资源监测实现阶段我国开展利用水资源保护水资源的重要基础性工作，可以在一定程度上实现水资源的监测，对水质，水体,水量等空间变化进行有效掌握，通过监测数据分析，进一步实现未来水资源变化趋势预测，进而选择性利用水资源进行经济建设，保证水资源开发利用以及经济发展稳定进行。

GPS技术为卫星定位技术，该技术重点通过卫星进行信号传输，通过卫星定位进而实现水资源定位，进而对水文水资源监测起到重要推动，科技推动经济发展，技术应用民生建设，适度资源利用是新时期下，我国经济、科技、资源同步发展的关键内容。

一、意义说明水资源作为我国经济发展以及民生建设中重要的组成部分，同时也是人们生存的基本条件。

随着我国水资源需求量逐渐加大，进一步导致了水量的降低，而这一情况对于我国经济建设起到严重制约，需要积极开展水文水资源监测工作。

传统的水文监测工作重点，对降水量蒸发量，地表水量以及地下流经水量进行掌握，这一情况无法满足我国水资源使用以及保护需求，随着技术应用，水文监测工作覆盖面积逐渐加大，对地下水量，地表水量，空中水量等进行全面分析，通过数据进一步掌握水体水质以及空间变化情况，实现了水资源的有效开发以及利用，降低了水资源浪费以及污染[1]。

二、技术优势 GPS技术（全球定位系统）主要工作原理则是利用卫星实现三维定位，进而保证水陆空，高精度，高实效的精准定位，现阶段被广泛应用于导航过程中。

第16卷　第1期1997年3月 海　洋　技　术OCEAN T ECHNOLOGYVol.16,No.1March,1997DGPS用于高精度海上调查定位和导航罗　贤等(国家海洋局海洋技术研究所DGP S导航定位专业组,天津300111)摘　要 本文介绍一种D GPS用于高精度海上调查定位和导航的应用技术,它既能为多种海上调查作业仪器提供实时高精度的位置信息,又能引导调查船准确地沿预定的测线航行。

海上试验结果表明,定位精度达到2m,导航手段直观明了,方便操作,收到令人满意的效果。

关键词　定位　导航　测绘1　任务要求和DGPS选择我国沿海大陆架的调查势在必行,它对海洋资源的开发利用与管理,对海洋国土划分,都有重大意义,即将到来的21世纪是海洋世纪,因而做好海洋调查就更加重要。

在众多的海洋地形调查系统中,多波束地形调查系统是一种目前世界上最先进的海底地形调查系统。

我国已引进了两套Sea beam2100系列多波束测深系统。

利用该系统进行全覆盖海底地形地貌探测,离不开高精度海上定位和导航技术,为Sea beam提供实时准确的位置、速度、高度和时间信息,以便准确地确定Sea beam测试点的时间和地理位置,同时为调查船提供准确的测线和测点,引导调查船沿确定的测线航行,偏差不能大于30m。

全球定位系统GPS能提供全天侯、全天时、全球任何地方的实时位置信息,因而利用GPS 系统是高精度实时定位最理想的手段。

鉴于普通的GPS定位精度为100m,不能满足30m的要求,故选用差分GPS即DGPS。

考虑到测区远离岸台(参考台),采用远程DGPS。

我们采用的导航定位系统是从法国Ser cel公司引进的远程DGPS,海上工作距离700km时,定位精度达到5m。

2　使用的设备2.1　岸台部分岸台部分设置两个参考台,分别位于南汇和北渔,参考台配有GPS接收机和处理装置,计算出到各接收卫星的距离修正值,通过短波波段以双频把修正值发送出去,采用两个参考台和双频发射,是为了增加DGPS定位的可靠性和准确性,船上差分GPS接收机能自动选择信号*　收稿日期:1996-12-04质量最好的参考台和发射频率,以达到最好的定位质量。

水下导航定位系统在水下作业中的应用【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。

介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。

【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业1.引言由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。

为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。

2.水下导航定位系统的组成水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。

如图1所示。

图1 水下导航定位系统组成2.1 超短基线水声定位系统超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。

超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。

声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。

图2 法国iXSea公司研制的GAPS图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。

GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。

图3 Scout+超短基线水声定位系统图3是英国Sonardyne公司研制的Scout+超短基线水声定位系统，其基阵内部带有5个声基阵基元，以及1个磁罗盘和1个MRU姿态传感器，若对水下目标定位的精度要求较高，则需要水声定位处理计算机外接高精度导航测姿系统和GPS系统，以替代超短基线声基阵内部的磁罗盘和MRU姿态传感器。

海洋技术在海洋导航和定位中的应用海洋，这片占据了地球表面约 71%的广阔领域，一直以来都是人类探索和利用的重要对象。

而在海洋活动中，导航和定位技术的重要性不言而喻。

无论是海上贸易、渔业捕捞、科学研究，还是军事行动，准确的导航和定位都是确保安全、高效和成功的关键。

随着科技的不断进步，海洋技术在海洋导航和定位中的应用也日益广泛和深入，为人类在海洋中的活动提供了更加精确、可靠和便捷的手段。

一、卫星导航系统卫星导航系统是现代海洋导航和定位中最常用的技术之一。

其中，全球定位系统（GPS）是最为人熟知的卫星导航系统之一。

GPS 通过在太空中的卫星星座向地面接收器发送信号，接收器根据接收到的多个卫星信号的时间差和卫星的位置信息，能够精确计算出自身的位置、速度和时间等参数。

在海洋中，GPS 为船舶提供了高精度的导航和定位服务。

船舶上安装的 GPS 接收器可以实时获取船舶的位置信息，并将其显示在电子海图上，为船员提供直观的导航指引。

此外，GPS 还可以与船舶的自动驾驶系统、雷达系统等集成，实现更加智能化和自动化的导航和控制。

除了 GPS 之外，还有其他卫星导航系统也在海洋导航和定位中发挥着重要作用。

例如，俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）系统、中国的北斗卫星导航系统（BDS）以及欧洲的伽利略（Galileo）系统等。

这些卫星导航系统的相互补充和竞争，提高了全球卫星导航系统的覆盖范围和精度，为海洋导航和定位提供了更多的选择和保障。

二、惯性导航系统惯性导航系统是一种不依赖外部信息的自主导航系统，它通过测量物体的加速度和角速度来推算其位置、速度和姿态等信息。

在海洋中，惯性导航系统常用于潜艇、水下航行器等对隐蔽性要求较高的装备中。

惯性导航系统由惯性测量单元（IMU）、计算机和导航算法等组成。

IMU 通常包括加速度计和陀螺仪，用于测量物体的加速度和角速度。

计算机根据 IMU 测量的数据和导航算法进行计算和处理，得到物体的导航信息。

1.1.1.RBN-DGPS系统我国沿海RBN-DGPS系统从1995年开始建设，分三期建成了沿海23座RBN-DGPS台站。

一期建成天津北塘站，秦皇岛站，大连大三山站，青岛王家麦站，长江口大戢山站和海南抱虎角站共6座台站，于1997年7月正式对公共用户提供服务。

二期建成连云港地区燕尾港站，温州地区石塘站，厦门地区镇海角站，汕头地区鹿屿站，珠海地区三灶站，湛江地区硇洲岛站，海南海域三亚站，共7座台站，于1999年9月正式开放，为公共用户提供服务。

三期建设的大连老铁山站，烟台成山头站，江苏蒿枝港站，宁波定海站，福州天达山站，广西防城站和海南洋浦站共7座台站，于2002年正式开放使用。

为完善信号覆盖，2009年又新建了营口和灵昆台站，2012年开始建设大亚湾台站，另外规划待建的还有西沙台站。

至今，从北至南，22座台站，形成从鸭绿江口至西沙群岛的系统台链，信号覆盖（或多重覆盖）沿海主要港口、重要水域和狭窄水道的DGPS导航服务网。

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-1 中国沿海RBN-DGPS覆盖范围示意图系统对航行在我国沿海航线及进出港口船舶的准确定位，防止各类事故已经起到很好作用，尤其对港口建设施工、海洋开发、石油工程、航道测量、疏浚、航标布设、救助打捞等工作更为需要。

RBN-DGPS 系统已成为我国沿海水域准确定位的主要手段，是我国目前近海（300km以内）主要的定位、导航系统。

RBN-DGPS系统结构及设备功能如图2-1所示。

基准站包括基准台，播发台，完善性监测台与监控中心四部分。

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-2 中国海事局RBN-DGPS基准站系统结构图基准台与播发台为双套设备，其中一套为热备份。

基准台（RS）的GPS天线安置在已知精确位置的地点，通过高性能GPS接收机跟踪视野内的所有卫星，计算出每颗卫星的伪距校正量，调制器采用最小移频键控（MSK）调制方式，将伪距校正量、基准台频率、识别码等信息，按照RTCM 104 2.1版本的格式要求，组成电文，一并传输给播发台。

我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介北极星电力网新闻中心2008-11-12 11:04:48 我要投稿关键词：GPS 我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介“863”计划“水下GPS高精度定位系统”课题组摘要由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统已研制成功，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

该系统可从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还利用GPS技术，实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。

关键词水下GPS 定位导航系统用户由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统研制成功，经在浙江省千岛湖进行的试验表明，对于水深45m左右的水域，系统的水下定位精度为5em，测深精度为30cm，水下授时精度为0.2ms，且测量误差不随时间累积。

这是继美国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS系统。

该系统不但可用于从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还率先利用GPS 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。

该系统的成功研制，将打破个别发达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

一、系统构成水下GPS定位导航系统主要由GPS卫星星座、差分GPS基准站(可选)、四个以上GPS 浮标、安装在水下目标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心(简称数据控制中心)、水上无线电通信链路、水下水声通信链路组成，如图1。

多个GPS浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位导航系统。

其中，GPS卫星星座、差分基准站和浮标GPS天线用于提供“海面动态大地测量基准”，包括浮标动态长基线水下定位网的起算基准和时间基准；水下导航收发机的发射器、浮标定位水听器组成了水下定位子系统，该子系统采用水下差分方式定位，水下无需高稳定频标；数据控制中心和水下导航收发机的水声通信换能器组组成了水下通信链路；差分基准站到数据控制中心、GPS浮标到数据控制中心的无线电收发装置组成了海面无线电通信链路；水上数据处理中心、系统状态监控、水上用户接口组成了数据监控中心；水下数据处理、用户接口组成了水下用户接口。

水下潜水器控制与导航系统设计水下潜水器是一种能够潜入水下深度较大的机器，在科学探索、海底资源开发等领域发挥着重要作用。

在水下操作中，水下潜水器的控制与导航系统扮演了十分重要的角色。

为了保证水下潜水器能够在复杂的水下环境中准确地执行任务，控制与导航系统的设计和优化显得尤为重要。

一、水下潜水器控制系统的组成水下潜水器控制系统是由传感器、计算机、执行机构、舵机等组成的。

传感器负责采集水下环境的各种物理信号，如水温、水压、水流速等。

计算机则根据传感器所采集的各种信息进行处理和分析，以制定相应的控制策略。

执行机构和舵机负责实现控制策略，对水下潜水器的运动轨迹、速度、深度等进行调节和控制。

传感器是水下潜水器控制系统中十分关键的组成部分。

传感器的精度直接影响着控制系统的准确性和可靠性。

在实际应用中，常用的传感器有温度传感器、压力传感器、惯性导航传感器等。

此外，还有一些水下环境中特殊的传感器，如声纳传感器、水下摄像头等，可以为水下潜水器提供更加精确的定位和信息采集服务。

二、水下潜水器导航系统的组成水下潜水器导航系统是由GPS、声纳、陀螺仪等组成的。

在水下环境中，GPS 无法正常使用，因此需要其他导航方式来保障水下潜水器的准确导航。

声纳是一种常用的水下导航设备，其可以通过观察海底物体的反射波形来确定水下潜水器的位置。

陀螺仪则可以通过测量水下潜水器的角速度，来进行方向的控制和调整。

在实际的应用中，为了提高水下潜水器的导航精度，常常会同时使用多种导航设备，如GPS和声纳的联合导航。

通过多种导航方式的互相协作和校正，可以大大提升水下潜水器的导航准确性。

三、水下潜水器控制与导航系统的优化为了提高水下潜水器在水下环境中的执行效果和可靠性，需要对控制与导航系统的各个组成部分进行优化和改进。

在传感器的部分，需要选择精度高、可靠性好的设备，同时需要对信号采集和处理的过程进行优化和升级，以最大程度地提高控制系统的准确性和可靠性。

在计算机处理的部分，需要根据任务的不同特点、水下环境的不同条件，制定不同的控制算法和策略。

水下机器人定位导航技术的研究与应用水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人。

在海洋工程、海洋科学、水下探测等领域具有重要的应用价值。

然而，水下环境的复杂性给机器人的工作带来了很大的挑战。

因此，水下机器人的定位导航技术研究和应用问题成为研究者关注的一个热点。

一、水下机器人的定位导航技术水下机器人的定位导航技术主要包括惯性导航、声纳导航、GPS/无线电导航和视觉导航等几种技术手段。

1. 惯性导航惯性导航是一种基于陀螺仪、加速度计等惯性传感器实现水下机器人定位导航的技术。

该技术不需要外部环境的参考，具有独立性强、反应速度快等优点。

但是，惯性导航存在着漂移现象，随着时间的推移误差会逐渐积累，因此需要结合其他定位导航技术进行校正和修正。

2. 声纳导航声纳导航是利用水下传播的声波来实现水下机器人定位导航的一种技术。

它利用声速不同、反射等特性进行定位，具有成本较低、准确度高等优点。

但是，声波在水中传播的速度和路径受到水质、温度、盐度等影响，这些因素会对声纳定位造成影响，因此需要进行相应的校正。

3. GPS/无线电导航GPS/无线电导航是利用航天卫星和无线电信号来进行水下机器人定位导航的技术。

这种技术需要载体能够接收到外部无线电信号或者GPS信号，依赖性强。

而水下机器人往往无法直接接收GPS信号，需要利用浮标等设施进行传输，增加了复杂性和成本。

4. 视觉导航视觉导航是通过搭载水下相机等设备来实现水下机器人定位导航的技术。

该技术对于水下环境的变化适应能力强，还可以实现水下物体的检测和识别。

但是，由于水下环境存在着较大的光照和水体浑浊等问题，视觉导航的准确度和适应性存在着限制。

二、水下机器人定位导航技术的研究进展随着水下机器人技术的不断发展，水下机器人定位导航技术的研究也得到了加强。

近年来，国内外研究者围绕水下机器人定位导航问题进行了大量的实验研究和理论探讨。

比如，日本的国立海洋研究所研究出新型的“六足水下机器人”，能够实现水下地形的三维成像和地形测量；美国的伍兹霍尔海洋研究所将惯性导航技术与声纳导航技术相结合，实现水下机器人长距离自主导航能力，从而在深海开展了大量的调查和勘探工作。

中国研制出水下先进导航系统文萃
中国研制出水下先进导航系统2007-12-24 8:26:46 多年来水下成了我国GPS的“盲区”。

由于无线电波无法穿透水，特别是海水，所有卫星定位导航技术在海洋水体内部“失灵”。

因此，卫星定位系统不能直接满足江河、湖泊、海洋等水下导航和定位的需求。

然而，“十五”国家863计划项目“差分GPS水下立体定位系统研制”的成功，开发出了我国第一套水下高精度导航和定位系统，填补了我国在此领域的空白，这一成果可望实现全球陆地、空间和海洋的一体化无缝导航。

“尽管无线电波不能够在海水中传播，但是，声音信号在海水中确有很好的传播特性。

通过水声信号在水中的传播，可以实现水下定位、导航、探测等。

”据该项目组副组长、中国测绘科学研究院副院长程鹏飞说，将GPS技术和声纳技术结合起来，开发适用于广大的海洋内部空间的导航、定位系统，可以实现全球陆地、空间和海洋的一体化无缝导航。

这是继美国、德国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS 系统。

该系统的成功研制，打破了发达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

（摘自《科技日报》12．19） (责编:刘金兰作者:)。