基于虚拟仪器技术的水下GPS应用技术研究

摘要

随着对水下世界的深入研究,对水下目标的定位导航能力的需求便随之出现,尤其在水下搜索、海洋石油钻井平台等水下结构的检修、水下工程质量监控、涉水事故调查、救助打捞、水下考古、水下沉船考察、海洋生物科学研究等。本项目研究的广义水下GPS系统,将随着人类水下活动的频繁和深入,具有广泛的应用前景。 全球定位系统(Global Position System)GPS可以为其用户提供全时、全天候、精密、实时、近似连续的导航定位信息。然而,GPS使用的是超高频无线电信号,这种信号在水中的传播衰减的很快,即使在几米深的水下也无法接收。GPS定位和水声定位技术相结合的水下GPS技术可以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。本项目主要研究GPS和短基线定位系统组合的水下GPS系统。 本文从理论和实际两方面来讨论采用短基线定位系统和GPS系统联合构成的水下GPS系统,并用虚拟仪器技术来实现。本论文研究的重点在于开发基于虚拟仪器技术的水下GPS系统,并可独立集成于水下机器人控制平台,提高水下机器人的搜索效率,显著提高水下机器人搜索功能且实用化。实现水下机器人的大地经纬度坐标定位功能,提高超小型水下机器人的范围搜索功能,改善小型水下机器人在复杂水流情况下的工作状况和搜索路径以及实现对航行轨迹控制。但由于考虑到本研究是民用技术,应用的GPS和水声定位系统硬件定位精度不够,使得整个系统的精度只能维持在一定水平。 本研究基于虚拟仪器技术这一思想,来设计软件平台以及对GPS和水声定位系统的数据进行融合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1技术背景

1.1.1GPS技术简介

1.1.2水声定位技术简介

1.2研究背景及意义

1.3水下GPS技术的研究现状

1.4虚拟仪器技术简介

1.5主要研究内容

第二章水下GPS技术的系统原理分析

2.1水下GPS技术的系统设计和硬件安装

2.2短基线定位系统的工作原理和数学模型

2.3高斯投影变换理论以及数学模型

2.3.1地球椭球和地图投影

2.3.2高斯投影分带和投影坐标

2.3.3高斯投影坐标正反算公式

2.4坐标系变换与水下GPS数学模型

2.5误差分析

2.6本章小结

第三章系统改进与数据处理

3.1水面上相对固定式短基线基阵技术设计分析

3.1.1组装式换能器基阵

3.1.2联合GPS式组装换能器基阵

3.2多串口连接处理及信息采集

3.2.1 PCI总线扩展卡与VISA

3.2.2 VISA子模板读取GPS信号示例

3.3 GPS静态数据处理

3.3.1静态数据读取

3.3.2均值与最小二乘法

3.4 GPS动态数据处理

3.4.1区域修正自校正卡尔曼滤波理论分析

3.4.2区域修正自校正卡尔曼滤波编程分析

3.5高斯投影变换偏差及改进

3.5.1高斯投影变换编程公式

3.5.2高斯投影变换虚拟仪器的定制

3.5.3投影变换产生的坐标偏差以及处理

3.6数据同步问题

3.6.1数据同步问题的产生以及解决方案

3.6.2等距节点牛顿向后插值公式

3.7系统时延问题

3.7.1系统时延问题与解决方案

3.7.2 GM(1.1)灰色预测模型

3.8本章小结

第四章虚拟仪器技术构建水下GPS平台

4.1 UGPS软件介绍

4.1.1软件平台工作原理设计

4.1.2软件平台界面设计

4.1.3软件功能

4.2 UGPS软件设置

4.2.1 CONFIG文件的编辑与打开

4.2.2输入基阵的设置

4.3数据采集模块

4.4数据同步处理模块

4.5水下目标轨迹显示模块

4.5.1坐标轴与网格模块设计与其虚拟仪器定制

4.5.2小精灵图形设计与其图象绘制

4.6图象处理模块

4.6.1指定区域堆栈放缩功能

4.6.2定位数据的图象记录功能

4.7信息栏模块

4.8 UGPS软件实验情况

4.9本章小结

第五章水下GPS技术的应用

5.1水下地理信息系统展望

5.1.1水下地理信息系统展望

5.1.2水下地理信息系统软件设计开发展望

5.2水下GPS技术联合简易水下地形图的导航功能

5.3水下区域搜索

5.3本章小结

第六章全文总结与展望

1论文主要成果

2论文主要创新

3对水下GPS技术的展望

4进一步的研究工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢