第6章-GPS定位及海底聲學(xué)定位

1、現(xiàn)代海洋測(cè)繪現(xiàn)代海洋測(cè)繪趙趙 建建 虎虎|概述|GPS絕對(duì)定位|GPS靜態(tài)相對(duì)定位|局域差分GPS（LDGPS）定位|廣域差分GPS（WADGPS）定位|水聲定位的基本原理和方法|水聲定位系統(tǒng)|水聲定位改正|思考題61 概述概述海洋定位測(cè)量是海洋測(cè)量的一個(gè)重要分支。在海洋測(cè)量工程中無(wú)論測(cè)量某一幾何量或物理量，如水深、重力、磁力等，都必須固定在某一種坐標(biāo)系統(tǒng)相應(yīng)的格網(wǎng)中。海洋定位是海洋測(cè)繪和海洋工程的基礎(chǔ)。 海洋定位手段：天文定位光學(xué)定位陸基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位水聲定位天文定位天文定位是一套獨(dú)立的定位系統(tǒng)，借助于天文觀測(cè)，確定海洋上船只的航向以及經(jīng)緯度，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。通常采用的方法有：

2、觀測(cè)太陽(yáng)法確定船只經(jīng)緯度觀測(cè)等高距恒星法確定天文經(jīng)緯度觀測(cè)北極星定向法光學(xué)定位光學(xué)定位只能用于沿岸和港口測(cè)量，一般使用光學(xué)經(jīng)緯儀進(jìn)行前方交會(huì)，求出船位，也可使用六分儀在船上進(jìn)行后方交會(huì)測(cè)量。隨著電子經(jīng)緯儀和高精度紅外激光測(cè)距儀的發(fā)展，全站儀按方位距離極坐標(biāo)法可為近岸動(dòng)態(tài)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤定位。由于其自動(dòng)化程度高，使用方便、靈活，在當(dāng)前沿岸、港口、水上測(cè)量中的使用日益增多。 陸基無(wú)線電定位陸基無(wú)線電定位即傳統(tǒng)意義上的無(wú)線電定位。無(wú)線電定位通過(guò)在岸上控制點(diǎn)處安置無(wú)線電收發(fā)機(jī)（岸臺(tái)），在載體上設(shè)置無(wú)線電收發(fā)、測(cè)距、控制、顯示單元，測(cè)量無(wú)線電波在船臺(tái)和岸臺(tái)間的傳播時(shí)間或相位差，利用電波的傳播速度，求得船

3、臺(tái)至岸臺(tái)的距離或船臺(tái)至兩岸臺(tái)的距離差，進(jìn)而計(jì)算船位，無(wú)線電定位多采用圓圓定位或雙曲線定位方式。按作用距離分為：遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)，作用距離1000公里中程定位系統(tǒng)，作用距離1000公里近程定位系統(tǒng)，作用距離300公里空基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位即衛(wèi)星定位，為目前海上定位的主要手段，如全球定位系統(tǒng)GPS、我國(guó)的北斗雙星定位系統(tǒng)以及歐洲和我國(guó)目前合作開(kāi)發(fā)的伽利略定位系統(tǒng)。 聲學(xué)定位水下聲學(xué)技術(shù)可以解決海洋測(cè)量許多問(wèn)題，如水深測(cè)量，觀測(cè)海面波浪和海流，探測(cè)水下地形地貌，海底底質(zhì)和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也可用于導(dǎo)航定位和水下通訊等。用水下聲標(biāo)作為海底控制點(diǎn)，精確聯(lián)測(cè)其坐標(biāo)，可直接為船泊、潛艇及各種海洋工程導(dǎo)航、定位

4、。 以上各種定位系統(tǒng)都有各自的局限性，把幾種定位系統(tǒng)組合起來(lái)，能達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短，減小外界影響，提高定位精度的目的。再采用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理方法，使得組合導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)論在定位精度、可靠性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等方面都遠(yuǎn)比單一系統(tǒng)更有優(yōu)越性。62 GPS絕對(duì)定位原理絕對(duì)定位原理基本原理：絕對(duì)定位是以地球質(zhì)心為參考點(diǎn)，確定接收機(jī)天線在WGS-84坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。由于定位作業(yè)僅需一臺(tái)接收機(jī)工作，因此又稱(chēng)為單點(diǎn)定位。以GPS衛(wèi)星和用戶(hù)接收機(jī)天線之間的距離觀測(cè)量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定用戶(hù)接收天線所對(duì)應(yīng)的位置。絕對(duì)定位方法的實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)。如圖 GPS絕對(duì)定位根據(jù)用戶(hù)接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不

5、同，又可分為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。n動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位：用戶(hù)接收設(shè)備安置在運(yùn)動(dòng)的載體上，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。n靜態(tài)絕對(duì)定位：用戶(hù)接收設(shè)備安置在靜止的載體上，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱(chēng)為靜止絕對(duì)定位。 偽距觀測(cè)方程及其線性化偽距觀測(cè)方程及其線性化 由于GPS 采用的是單程測(cè)距原理，同時(shí)衛(wèi)星鐘與用戶(hù)接收機(jī)鐘又難以保持嚴(yán)格同步，實(shí)際上觀測(cè)的是測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離，由于受衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步差的共同影響，故又稱(chēng)偽距離測(cè)量。為了建立偽距觀測(cè)方程，引進(jìn)tj（GPS）表示第j顆衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)瞬間的GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；tj是相應(yīng)的衛(wèi)星鐘鐘面時(shí)刻；ti是相應(yīng)的接收機(jī)鐘鐘面時(shí)刻；t

6、j代表衛(wèi)星鐘鐘面時(shí)相對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差，而ti則是接收機(jī)鐘鐘面時(shí)相對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差。顯然，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間，存在如下關(guān)系：()()jjjiiittGPSttt GPSt (6-1) 由此，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)測(cè)站的鐘面?zhèn)鞑r(shí)間：()()jjjjiiiitttt GPStGPStt(6-2) ()()()jjjiiiC t GPStGPSCtt(6-3)ji jit ()()jjiiC t GPStGPS(6-4)jjiittt (6-5)把公式（6-4）與公式（6-5）代入公式（6-3）中，即得簡(jiǎn)化后的偽距表達(dá)式：jjjiiiC t(6-6)( )( )( )( )

7、jjjjjiiiiittC tItTt (6-7)222 1/2( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ (6-8) 000 iiiiiiiiiXXXYYY ZZZ (6-9)式中，（X0i，Y0i，Z0i）為測(cè)站三維地心坐標(biāo)的近似值。如果視導(dǎo)航電文所提供的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)為固定值，那么，對(duì)ji(t)以（X0i，Y0i，Z0i）為中心用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并取一次項(xiàng)后得0000( )( )( )( )( )()()()jjjjjiiiiiiiiiiitttttXYZXYZ (6-10)000000000( )1()( )( )( )( )1()( )( )( )( )1()( )(

8、)( )jjjiiijiijjjiiijiijjjiiijiitXtXktXttYtYltYttZtZm tZt 于是，站星幾何距離的線性化表達(dá)式為：0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiittktXltYmtZ 020202 1/20000( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ （6-11）0( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjjiiiiiiiiiiittktXltYm tZC tItTt (6-12) 測(cè)相偽距觀測(cè)方程及其線性化測(cè)相偽距觀測(cè)方程及其線性化 ( )iit( )jit 0( )( )( )( )jjjjiiiittt

9、Nt（6-13）jifff (6-14) ()tttft (6-15),jittt tt 0( )( )jjiitftNt (6-16)()iiitt GPSt(6-17)()jjjttGPSt(6-18)()it GPS()jtGPS()()jjjjiiiitttt GPStGPStttt 將上式代入公式（6-16），其相位觀測(cè)量可進(jìn)一步表示為：00( ) ()()( ) ( )jjjjiiiijjiitf t GPStGPSf tf tNtff tf tNt (6-19)1( )jitc0( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiiifttItTtf tf tNtc (6-20)c

10、f0( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiittItTtC tNt （6-21）()()jit GPStGPS ()()jitGPSt GPS （6-22）11 (),() (), ()jjjiiiiit GPS tGPSt GPS t GPSCC（6-23）11 () ()jjiiiit GPSt GPSCC(6-24)()iiit GPStt 111( )( )( )jjjiiiiiiittttCCC (6-25)1( )jiitC111( )1( )( )jjjiiiiiiittttCCC（6-26）011( )( )1( )(1( ) ( )( )( )jjjjiiiiij

11、jjjiiiftttfttcCCfff tItTtNtcc （6-27）011( )( )1( )1( )( )( )( )jjjjjjjjiiiiiiiitttCttC tItTtNtCC（6-28）222 1/2( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiittktXltYm tZ（6-29）00( )( ) ( )( )( )jjjjjiiiiiiiijjjjiiiiffttkXlYmZccffItTtf tf tNtcc（6-30）00( )( )( )( )( ) ( )( )( )jjjjjiiiiiiiij

12、jjjiiiittktXltYm tZItTtC tC tNt（6-31） 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理 ( )( )jjjjjiiiiittITCtC t（6-32）( )jit( )( )jjjiiiittITCt（6-33）222( )( ) ( )()()()jjjjjjiiiiiiittCttxxyyzz（6-34） 0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiiittltXm tYn tZCt（6-35）1111102222200( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )iiiiiiiiiiiiiiiiiinnnnn

13、iiiiiiiiittl tXm tYn tZC tttltXm tYn tZC tttltXm tYn tZC t（6-36）111111022222200( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )iiiiiiiiiiiiiiinnnnnniiiiiiiVtl tm tn tCttXYVtltm tn tCttZtVtltm tn tCtt（6-37） ( )( )( )iV tA tXL t （6-38）1( ( )( )( ( )( )TTXA tA tA tL t (6-39)000iiiiiiiiiX

14、XXYYYZZZ (6-40)00( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )ijjjjjjiiiiiiiijjjiiiXttltm tn tYNtZCttItTt(6-41)ji( )( )( )( )jjjjjiiiittItTtct (6-42)00( )( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiiiiiiitDtltXmtYntZctNt (6-43)0( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )iijjjjjjiiiiiiiiXYVtltm tn tcNtL tZt （6-44）00( )( )( )jjjiiiL ttt 63 GPS靜態(tài)相對(duì)定位原理靜態(tài)相對(duì)定位

15、原理將接收機(jī)安置在基線的端點(diǎn)上，其位置靜止不動(dòng)，同步觀測(cè)相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，確定基線兩個(gè)端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，這種定位模式稱(chēng)為相對(duì)定位。根據(jù)接收機(jī)的數(shù)目的不同可分為：兩站、多站GPS相對(duì)定位。如圖(6-3)、(6-4) 靜態(tài)相對(duì)定位采用載波相位觀測(cè)量為基本觀測(cè)量，利用載波相位進(jìn)行測(cè)量，就其本身來(lái)講，測(cè)量精度可達(dá)0.52.0mm，但是，GPS測(cè)量受到多種誤差的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響。 因此在GPS相對(duì)定位中，通常采用單差雙差三差的組合方式來(lái)有效地消除或減弱誤差影響。單差觀測(cè)模型及解算 所謂單差是指不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)相同衛(wèi)星

16、所得觀測(cè)量之差。 11111111110( )( )( )( )( )ppppppfttItTtf tf tNtc (6-46)22212121220( )( )( )( )( )ppppppfttItTtf tf tNtc (6-47)1212111211121112111212010( )( )( ) ( )( )( )( )( )( ) ( )( )ppppppppppppptttfffttItItTtTtcccfttfttNtNt（6-48）1212111122112211221( )( )( ),ppppppppptttIIITTTttt1202010( )( )( )pppNtNt

17、Nt121121121201212( )( )( )pppppfffttf tNtITccc (6-49)圖6-6 誤差相關(guān)性 cosdDdsa212121212121(coscos) 2sinsinsin()222dDdDdsaaaaaaaadsdsaa 測(cè)站間求單差的模擬觀測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)： 消除了衛(wèi)星鐘誤差的影響。大大削弱了衛(wèi)星星歷誤差的影響。大大削弱了對(duì)流層折射和電離層折射的影響，在短距離內(nèi)幾乎可以完全消除其影響。對(duì)單差觀測(cè)方程的線性化可得： 212121212121212021112( )( )( )( )( )( )( )pppppppXfftkt lt mtXf tNtttccX （

18、6-50）21212121212121201212( )( )( )( ) ( )( )ppppppXfVtkt lt mtYf tNtLtcZ （6-51）1221011121( )( )( )ppppfLDtDttc雙差模型及其解算 所謂雙差即不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，所得單差觀測(cè)量之差。設(shè)在1、2測(cè)站t1時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)了p，q兩個(gè)衛(wèi)星，那么對(duì)p，q兩顆衛(wèi)星分別有單差模型，如果忽略大氣折射殘差，可得衛(wèi)星求雙差的虛擬觀測(cè)方程。1211211211211211212120120121120( )( )( )( )( )()( )( ) ( )( )pqqpqpqppqpqftttttftt

19、NtNtcftNtc（6-59）121( )pqt2121121121121212022101121011( )( ) ( ) ( )( ) ( )( )( )( )pqpqpqpqpqqqppXftktltmtYNtcZfttttc （6-60）1212101121011121( )( )( )( )( )( )pqqqpppqfLttttttc 212112112112121201212( )( ) ( ) ( )( )( )pqpqpqpqpqpqXfVtktltmtYNtLtcZ （6-61）三差模型三差即不同歷元，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星所得雙差觀測(cè)量之差。設(shè)在測(cè)站T1、T2分別在t1、t

20、2歷元同時(shí)觀測(cè)了p、q衛(wèi)星，則根據(jù)公式（6-59）有雙差觀測(cè)方程：121121120122122120( )( )( )( )( )( )pqpqpqpqpqpqffttNtttNtcc12121221211201201212( , )( )( )( )( )( , )pqpqpqpqpqpqfft tttNtNtt tcc（6-64）120( )pqNt 21212121212121212222201222012210112101( , )( , ) ( , ) ( , ) ( )( )( )( ) ( )( )( )(pqpqpqpqqqppqqppYft tkt tlt tmt tXcZ

21、fttttctttt 121212121212122121202) ( , ) ( , ) ( , )( , )pqpqpqpqYfkt tlt tmt tXt tcZ （6-65）1212122121121212212112121221211212022012220122101121011( , )( )( );( , )( )( );( , )( )( );( , )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )pqpqpqpqpqpqpqpqpqpqqqppqqppkt tktktlt tltltmt tmtmtt ttttttttt同樣對(duì)公式（6-65）可得相應(yīng)的誤差方程： 21

22、212121212121212212122( , )( , )( , ) ( , )( , )pqpqpqpqpqYfVt tkt tlt tmt tXLt tcZ （6-66）64 局域差分局域差分GPS（LDGPS）定位原理）定位原理局域差分GPS按照基準(zhǔn)站的不同，又可分為：?jiǎn)握静罘侄嗾静罘职葱畔⒌陌l(fā)送方式又可分為：偽距差分相位差分位置差分單站差分單基準(zhǔn)站差分GPS是根據(jù)一個(gè)基準(zhǔn)站所提供的差分改正信息對(duì)用戶(hù)站進(jìn)行改正的差分GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、無(wú)線電數(shù)據(jù)通信鏈、用戶(hù)站三部分組成。單站差分GPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和算法都較為簡(jiǎn)單。但是該方法的前提是要求用戶(hù)站誤差和基準(zhǔn)站誤差具有較強(qiáng)的相關(guān)

23、性，因此，定位精度將隨著用戶(hù)站與基準(zhǔn)站之間的距離增加而迅速降低。 多站差分 在一個(gè)較大的區(qū)域布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，以構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，其中常包含一個(gè)或數(shù)個(gè)監(jiān)控站，位于該區(qū)域中的用戶(hù)根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所提供的改正信息經(jīng)平差計(jì)算后求得用戶(hù)站定位改正數(shù)，這種差分GPS定位系統(tǒng)稱(chēng)為具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分GPS系統(tǒng)。區(qū)域差分GPS提供改正量主要有以下兩種方法：(1) 各基準(zhǔn)站以標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)射各自改正信息，而用戶(hù)接收機(jī)接收各基準(zhǔn)站的改正量，并取其加權(quán)平均，作為用戶(hù)站的改正數(shù)。其中改正數(shù)的權(quán)，可根據(jù)用戶(hù)站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置來(lái)確定。(2) 根據(jù)各基準(zhǔn)站的分布，預(yù)先在網(wǎng)中構(gòu)成以用戶(hù)站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置為函數(shù)的改正數(shù)的

24、加權(quán)平均值模型，并將其統(tǒng)一發(fā)送給用戶(hù)。 偽距差分原理 偽距差分是是通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測(cè)站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較，然后利用一個(gè)濾波器將此差值濾波并求出其偏差，并將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶(hù)，用戶(hù)利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距，并解算出用戶(hù)自身的坐標(biāo)。測(cè)站i與衛(wèi)星j之間在t時(shí)刻的偽距為：()jjjjjjiiiiiicttITd（6-67） 222()()()jjjjiiiiXXYYZZjjjiii（6-68）ij即為偽距的改正值，將此值發(fā)送給用戶(hù)的接收機(jī)。用戶(hù)接收機(jī)將測(cè)量的偽距加上此項(xiàng)距離改正，便求得經(jīng)過(guò)改正的偽距：jjjkki （6-69）0()jjjjikk

25、idttdt （6-70） ji 222()()()jjjjikkktXXYYZZCV (6-71) 位置差分原理 位置差分是一種最簡(jiǎn)單的差分方法。安置在已知點(diǎn)基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)通過(guò)對(duì)4顆或4顆以上的衛(wèi)星觀測(cè)，便可求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)（X，Y，Z）。由于存在著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤差的影響，該坐標(biāo)與已知坐標(biāo)（X，Y，Z）不一樣，存在誤差。即XXXYYYZZZ (6-72)kkkkkkXXXYYYZZZ （6-73）如果考慮數(shù)據(jù)傳送時(shí)間差而引起的用戶(hù)站位置的瞬間變化，則可寫(xiě)為：000()()()()()()kkkkkkkkkdXXXXXttdtdYYYYYttdtdZZZZZttdt（

26、6-74） 載波相位差分原理 載波相位差分GPS定位與偽距差分GPS定位原理相類(lèi)似。載波相位差分GPS有兩種定位方法：改正法與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位的改正量發(fā)送給用戶(hù)站，以對(duì)用戶(hù)站的載波相位進(jìn)行改正實(shí)現(xiàn)定位。求差法將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶(hù)站，并由用戶(hù)站將觀測(cè)值求差進(jìn)行坐標(biāo)解算。 改正法原理：在載波相位測(cè)量中，衛(wèi)星到測(cè)站點(diǎn)之間的相位差值主要由三部分組成：00( )( )jjjjiiiiNtNtt (6-75)00( )()jjjjiiiiNtNtt(6-76)()jjjjjiiiiiiicttITMV(6-77)jjjjjjiiiiiiiicttITMV(6-78)ji()()()(

27、)()jjjjjjjkikkikikikikicttIITTMMVV (6-79) jjjjkikiIITT222()()() ()()()jjjkikkikikijjjkkkcttMMVVXXYYZZ (6-80)()()()kikikicttMMVV。0000222 ( )( )()()() ()()()jjjjjkkkiijjjjjjjikikikijjjkkkNtNtNttNttXXYYZZ (6-81) 000( )( )( )jjjkiNtNtNt0( )jNt00()()()jjjjkikiNttNtt 2220( )()()()jjjjjikkkNtXXYYZZ2220()()

28、()( )jjjjjikkkXXYYZZNt（6-82）求差法所謂求差法就是將基準(zhǔn)站觀測(cè)的載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶(hù)觀測(cè)站，在用戶(hù)站對(duì)載波相位觀測(cè)值求差，獲得諸如靜態(tài)相對(duì)定位的公式（6-4）、(6-15)和（6-19）的單差、雙差、三差求解模型，并采用與靜態(tài)相對(duì)定位類(lèi)似的求解方法進(jìn)行求解。 65 廣域差分廣域差分GPS（WADGPS）定位原理定位原理廣域差分GPS定位是針對(duì)局域差分GPS定位中存在的間題，將觀測(cè)誤差按誤差的不同來(lái)源劃分成星歷星歷誤差、衛(wèi)星鐘差及大氣折射誤差誤差、衛(wèi)星鐘差及大氣折射誤差來(lái)進(jìn)行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。廣域差分GPS定位的基本思想是在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域中

29、用相對(duì)較少的基準(zhǔn)站組成差分GPS網(wǎng)，各基準(zhǔn)站將求得的距離改正數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一處理，將各種GPS觀測(cè)誤差源加以區(qū)分，然后再傳送給用戶(hù)。這種系統(tǒng)稱(chēng)為廣域差分GPS系統(tǒng)。 圖6-8 廣域差分GPS的系統(tǒng)組成與一般的差分GPS相比，廣域差分GPS具有如下特點(diǎn): 主站、監(jiān)測(cè)站與用戶(hù)站的站間距離從100公里增加到200公里，定位精度不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，即定位精度與用戶(hù)和基準(zhǔn)站（監(jiān)測(cè)站）之間的距離無(wú)關(guān)。 在大區(qū)域內(nèi)建立廣域差分GPS網(wǎng)比區(qū)域GPS網(wǎng)需要的監(jiān)測(cè)站數(shù)量少，投資小。例如，在美國(guó)大陸的任意地方要達(dá)到5m的差分定位精度，使用區(qū)域差分GPS方式需要建立500個(gè)基準(zhǔn)站，而使用廣域差

30、分GPS方式的監(jiān)測(cè)站個(gè)數(shù)將不超過(guò)15個(gè)。 廣域差分GPS具有較均勻的精度分布，在其覆蓋范圍內(nèi)任意地區(qū)定位精度大致相當(dāng)，而且定位精度較局域差分GPS系統(tǒng)高。 廣域差分GPS覆蓋區(qū)域可以擴(kuò)展到區(qū)域差分GPS不易發(fā)揮作用的地域，如海洋、沙漠、森林等。 廣域差分GPS系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴，軟件技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行和維持費(fèi)用較局域差分GPS高得多。 美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）在廣域差分GPS的基礎(chǔ)上，提出利用地球同步衛(wèi)星（GEO），采用L1波段轉(zhuǎn)發(fā)差分GPS修正信號(hào)，同時(shí)發(fā)射調(diào)制在L1上的CA 碼偽距的思想，稱(chēng)之為廣域增強(qiáng)GPS系統(tǒng)（WAAS）。 圖6-9 廣域增強(qiáng)GPS系統(tǒng)（WAAS）66水聲定位

31、的基本原理和方法水聲定位的基本原理和方法水聲定位系統(tǒng)的組成：船臺(tái)設(shè)備：包括一臺(tái)具有發(fā)射、接收和測(cè)距功能的控制、顯示設(shè)備和置于船底或置于船后“拖魚(yú)”內(nèi)的換能器以及水聽(tīng)器陣。水下設(shè)備：聲學(xué)應(yīng)答器基陣。 水聲設(shè)備：換能器：是一種聲電轉(zhuǎn)換器，能根據(jù)需要使聲振蕩和電振蕩相互轉(zhuǎn)換。水聽(tīng)器：本身不發(fā)射聲信號(hào)，只是接收聲信號(hào)。應(yīng)答器：既能接收聲信號(hào)，而且還能發(fā)射不同于所接收聲信號(hào)頻率的應(yīng)答信號(hào)，是水聲定位系統(tǒng)的主要水下設(shè)備，它也能作為海底控制點(diǎn)的照準(zhǔn)標(biāo)志（即水聲聲標(biāo)）。水聲定位系統(tǒng)通常采用的方式：測(cè)距定位方式 測(cè)向定位方式測(cè)距定位方式：12SC t （6-84）22DSZ （6-85） 測(cè)向方式的工作原理如圖

32、6-11所示。船臺(tái)上除安置換能器以外，還在船的兩側(cè)各安置一個(gè)水聽(tīng)器，即a和b。P為水下應(yīng)答器。設(shè)PM方向與水聽(tīng)器a，b連線之間的夾角為，a，b之間距離為d，且aM=bM=d/2。設(shè)t和t分別為a和b相位超前和滯后的時(shí)延，那么由圖6-11可寫(xiě)出a和b接收信號(hào)的相位分別為： coscosabddtt (6-86)2cosbad (6-87)67 水聲定位系統(tǒng)及其工作方式水聲定位系統(tǒng)及其工作方式水聲定位系統(tǒng)的工作方式：直接工作方式中繼工作方式長(zhǎng)基線工作方式拖魚(yú)工作方式短基線工作方式超短基線工作方式雙短基線工作方式分類(lèi)聲基線長(zhǎng)度超短基線SSBL/USBL(super/ultra short basel

33、ine)10 cm短基線SBL(short baseline)2050 m長(zhǎng)基線LBL(long baseline)1006000 ml長(zhǎng)基線聲學(xué)定位系統(tǒng) 長(zhǎng)基線系統(tǒng)包含兩部分，一部分是安裝在船只上或水下機(jī)器人上的收發(fā)器(transducer)；另一個(gè)部分是一系列已知位置的固定在海底上的應(yīng)答器，這些應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線。實(shí)際工作時(shí)，它既可利用一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行定位，也可同時(shí)利用二個(gè)，三個(gè)或更多的應(yīng)答器來(lái)進(jìn)行測(cè)距定位。（1）一個(gè)應(yīng)答器定位如圖，P(x0，y0)為應(yīng)答器，A、B和C為具有航向K的航線上的三個(gè)船位，DA、DB，DC為應(yīng)答器至A，B，C的水平距離。該船的航速為V，由A到B的航行時(shí)間為t

34、A，由B到C的航行時(shí)間為于tc，則：222002220022200()()()()()()AAABBBCCCxxyyDxxyyDxxyyDcos(180) cos()sin(180) sin()AACCAACCxxVtKxxVtKyyVtKyyVtK(2)雙應(yīng)答器定位 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，分別為兩個(gè)聲標(biāo)的位置，C為船位。a12為聲標(biāo)基線d的方位角，為聲標(biāo)P1處三角形頂角，Dl、D2為船到聲標(biāo)的水平距離。 121212yaarctgx222121arccos2DdDdD 11121112cos() sin()CCxxDayyDa11121112cos() sin()CCxxDayyDax、y表示測(cè)量船的平面坐標(biāo)z 為測(cè)量船換能器t的吃水深度；(xi，yi，zi) i=1,2,3, 表示已知的水下聲標(biāo)T的坐標(biāo)，Ri (i=1,2,3) 為測(cè)量船至水下聲標(biāo)間的距離。則船船位可通過(guò)空間交會(huì)獲得.222211112222222222223333()()()()()()()()()RxxyyzzRxxyyzzRxxyyzz132213321132232332132213321132232332()()()2()()()()()()2()()()yyyyyyxx yyxyyxyyxxxxx