用于確定水下航行器的位置的系統和方法

專利名稱：用于確定水下航行器的位置的系統和方法
技術領域：
0002本發明提供用于確定水下航行器的精確位置的系統和方法。更 具體地， 一個示例性系統提供可以接收諸如GPS信號的位置信號的浮體，并 且轉換水下航行器距離所述浮體的GPS固定位置偏移量，從而獲知所述水下 航行器的位置。
背景技術：
0003由于高頻無線電波通常在水中不能傳輸較長的距離，所以難 以確定無人水下航行器(UUV)或者自動水下航行器(AUV)的位置。這 使得通常無法直接接收GPS信號，否則其將能提供良好的定位。用于確定 水下航行器的位置的傳統方法典型地包括使航行器浮上水面以進行GPS 定位，隨后進入水下并且使用各種傳感器(多普勒速度計程儀、慣導INS、 聲學浮標測距)和航位推測計算來確定相對所述固定位置的運動。此過程 不僅使航行器暴露于水面(使其偏離任務并且可能使其處于危險之中)，
并且由于誤差可以在航位推測計算中積累，導致定位中的誤差。
0004現有技術中也公開多個方案允許從水下航行器通過繩索發送
浮標浮體到水面來獲得GPS定位。這些方案包括美國專利NO.6058874、 美國專利N0.537卯34、美國專利N0.5291194、美國專利NO.5377165和 美國專利NO.6907839。這些專利的每一個都公開了這樣的方案將接附 有電線的一些浮體升到水面上，以允許GPS和/或射頻鏈接運行，而航行 器位于水面以下。這些方法存在一個問題，就是它們不是確定航行器的位 置，而是通常確定浮體的位置。因此，這些參考文件沒有處理由繩索產生 的航行器到浮體的偏移量所帶來的誤差。此外，現有技術中沒有描述更大 長度的繩索。如果提供小于1米的GPS精確度，并且用來將GPS浮體接 附到航行器的繩索具有10米的長度，則會使定位的精確度增加一個量級 的誤差。在UUV用于諸如水道測量的操作中時，其中需要10米的總精度， 或者用在水雷偵查和排除中的操作中時，其中航行器需要多次返回同一位 置，這就變得十分重要。

發明內容
0005本發明描述的方法和設備用于將浮體的定位轉換為航行器的
實際位置。此外，還公開了繩索和浮標浮體的一些關鍵特征，使得系統在 操作中更加可靠。
0006在一個方面，本發明提供一種用于確定水下航行器的位置的 方法。具有接收器的浮體被繩索連接到所述水下航行器。所述接收器接
代表浮體位置的信號。隨后計算所述浮體和所述水下航行器之間的位置偏 移距離并且將其與所述浮體的位置相加，用來確定所述水下航行器的位 置。在一個實施例中，計算所述位置偏移距離包括確定所述浮體和所述水 下航行器之間的距離、確定所述水下航行器的深度和求出所述位置偏移距 離。在水下航行器的4充行方向上，并且可選地也可以在與水下航行器航行 方向的垂直方向上確定位置偏移距離。
0007在本發明的另一方面，提供一種用于確定水下航行器位置的 系統。所述系統包括具有接收器的浮體，所述接收器用于接收用于代表浮 體位置的位置信號。所述浮體充分有浮力，使得接收器位于可以接收所述 信號的位置。繩索將所述浮體連接到所述水下航行器，并且提供所述浮體 和所述水下航行器之間的通信信道。在浮體和水下航行器中的至少一個上 提供偏移量計算元件來提供所述水下航行器和所述浮體之間的位置偏移 距離。處理器隨后可以通過將所述位置偏移距離與所述浮體的位置相加來 計算所述水下航行器的位置。


圖1示出本發明的系統的圖，其中，航行器拖著一個小浮體； 圖2為圖1的浮體的示意圖； 圖3為圖1的航行器的示意圖4圖解說明本發明的方法的幾何關系，該方法用于確定繩索連接到圖 1的系統的水下航行器的浮體的位置偏移量；
圖5圖解說明俯^L圖4時的幾何關系，示出浮體被推偏離航行器軌跡a
角；和
圖6示出具有繩索遞送系統的本發明的水下航行器的殼體部分的圖。
具體實施例方式
0008提供一種用于確定水下航行器在水下運行時的位置的系統和
方法。有浮力的浮體位于或者接近于水的表面，并且通過可以包括絕緣電 線的細的繩索和航行器相接附。航行器在水下運動并且其后拖著浮體。浮
體可以接收到諸如指示其GPS位置的信號的定位信號，并且從而可以精確 確定其位置。位置可以經位于繩索中的電線傳輸給水下航行器。水下航行 器可以使用傳感器和/或計算方法來確定航行器距離浮體浮標的位置偏移 量，并且基于已知的浮體位置和所述位置偏移量來得到其實際位置。浮體 可以構建有以下特征允許浮體以較長的繩索長度運行以及又允許水下4元 行器在更大的深度運行。浮體通常也可以載有無線電系統用于在航行器潛 行時與來自航行器的信號高速通信。
0009現在參見圖1，描述用于確定水下航行器12的位置的本發明 的系統10的第一實施例。系統10包括水下航行器12、浮體14和將所述 浮體連接到所述水下航行器的繩索16。浮體14包括天線18,使得其可以 接收指示浮體位置的信號。浮體14可以將此位置發送給水下航行器12。 此外，水下航行器12可以計算與浮體14的偏移位置，使得可以將浮體的 位置轉換為航行器的位置。與現有技術的系統和方法相比，其可以更精確 地確定航行器的位置，并且允許系統在帶有更大長度繩索時運行，從而相 比傳統系統，使得系統允許水下航行器航行到更深的深度。
0010浮體14可以是通常傳統結構，如同已知的各種浮標那樣浮在 水體的表面或者接近水面。總的來說，浮體至少包括天線18用于接收代表
浮體位置的信號，或者由其可以計算出浮體的位置。
0011在圖2所示的優選實施例中，浮體包括接收器20用于接收定 位信號，并且更具體地，接收GPS信號。GPS是指全球定位系統， 一組超過 24個GPS人造衛星，其通過無線電向電子GPS接收器廣播精確定時信號，使 其可以實時精確確定其位置(經度、維度和高度)。GPS接收器20在通過比 較人造衛星的編碼時間信號傳輸信息來測量到至少四個人造衛星的距離后， 使用三邊測量方法計算其當前位置(經度、維度、海拔)和精確時間。通常， GPS接收器20在水下是高度不精確的或者是完全不可運行的。基于此原因， 按照接收器和信號的要求，在浮體上提供GPS接收器(或者用于接收不能在 水下精確接收的另一類型位置或者定位信號的其它接收器)20,使得其可以 接近、位于水表面或者在水面之上。在一個示例性實施例中，用于接收位置 信號的接收器20是GPS接收器，諸如Garmin OEM系統GPS 15L (來自于堪 薩斯州奧拉西市的Garmin國際公司)，使用簡單的WAAS差動修正，在大于 95%時間的情況下，其可以獲取優于1米的高精度定位。
0012浮體14也可以載有諸如射頻通信硬件的通信硬件22,用于使 用天線24來發送和接收通信。Wi-Fi (例如，IEEE標準802. llg)是低成本 無線電技術的一個例子，使用合適的天線布置，其可以非常低的成本仍能用 于幾英里的距離。浮體上還可以包括處理器26用于處理信息并且通過繩索 16傳遞來往GPS接收器20、通信硬件22和水下航行器12的通信。浮體14
上還可以包括諸如聲納或者激光測距儀的測距部件28 ,用于以合適的頻率運 行來確定到水下航行器的距離。本領域內的普通技術人員可以認識到測距部
件28可以被放置于浮體14上、水下航行器12上或者分布于二者之間。
0013浮體14通過繩索16與水下航行器相連接。繩索16提供拖拉 浮體14所需的強度，以及在浮體和水下航行器之間傳送電信號或者光纖信 號的裝置，用于傳遞GPS或者其它位置數據以及用于諸如RF鏈接的其它通 信。繩索16可以是固定長度，也可以根據水下航行器運行深度所需來分配 (解開)。浮體14和繩索16的設計使得其避免被水中目標絆住并且阻止水 下航行器12推進其自身向前。對于繩索16和浮體14的每一個或者二者而 言，也重要的是它們使雜草或者水中其它漂浮對象偏移。
0014水下航行器12優選的為自主水下航行器(AUV),換句話說， 就是使用其自身推進器30在水下行進的機器人。這些航行器也被稱為無人 水下航行器(UUV ),通常使用電池32供電并且可以在深達6000米的水中運 行。隨著電池技術的不斷發展，這些機器人潛艇可以基于其自身動力行進得 越來越遠。這些航行器可以被用作海洋學工具，載有傳感器34用于導航和/ 或繪制海洋的特征。典型的傳感器包括羅盤、深度傳感器、側向掃描和其它 聲納、磁強計、熱敏電阻和電導探針。也存在許多軍事和安全方面的應用。 也可以包括處理器36用于處理信息和傳遞通信。
0015現在參見圖4，描述用于找出水下航行器12關于浮體14的位 置偏移量(△)的基本計算。偏移量A與來自GPS20位置的經度和綿度相加 用于提供代表航行器12而不是浮體14的實際位置的位置。航行器12上的
處理器36可以產生新的GPS語句(sentence)來表示航行器的位置并且將 其輸出到航行器上的設備，該設備使用GPS定位數據來地理參照諸如側向掃 描聲納記錄儀34的讀數。
0016航行器關于浮體的位置偏移量的計算可以以測量航行器12到 浮體14的距離(D,)開始。本發明的一個實施例中的距離D,的測量通過命 令浮體14使用測距4義28發送聲學信號(聲納探查信號)來直接測量，航行 器12隨后測量到達時間，由于已知聲音在水中的傳播速度，使用其處理器 36，就能計算出航行器12和浮體14之間的實際的直線距離。測量距離D,的
另一個方法是從航行器12或者浮體14的其中之一脈沖發射一定波長的光， 其在水中^艮好傳播，并在另一端探測其到達。
0017如圖4進一步示出的，GPS偏移距離可以被模型化為直角三角 形的一個直角邊。 一旦測出距離Z),，就獲知該直角三角形的斜邊的長度。航 行器通過使用標準壓力換能器34也可以非常精確確定其深度D，從而獲知直 角三角形的另一直角邊的長度。現在，處理器36可以應用勾股定理來求解 三角形的最后一邊的長度，也就是GPS偏移距離A,或者浮體14和航行器 12之間的水表面的平面中的距離。航行器12可以載有羅盤34來獲取其真實 羅盤航向，從而可以投影向量D,到當前數據的經緯度距離(例如，WGS84, 世界大地測量系統的1984標準，其限定了地球的用于大地測量和導航的固 定的全球參考系)。此偏移量A可以表示初步校正，用于確定校正后的航行 器12的經綿度。當偏移量A與浮體14使用其GPS接收器20獲得的定位相 加時，可以精確得到水下航行器12的位置。
0018現在參見圖5,由于諸如風或者水流40的力，如果浮體14 偏離航行器12的運動軌跡38，也可以產生誤差(示做誤差角oc )。此誤差
cc通常小于基本偏移量誤差A,并且如果無需它也能達到所需要的精確度 規范，則可以忽略。可選地，為更精確起見，可以如下所述校正。
0019如圖5中所示，浮體14偏離航行器軌跡38的距離可以使用 從航行器12后面的浮體的位置到基本偏移量44的垂直偏移量42表示。
當誤差角ct很小時，偏移量42可以被模型化為直角三角形的相對的直角 邊，所述直角三角形由水面下的航行器12、水面上的浮體14的實際位置 以及由偏移量44 (沿著航行器軌跡38)和圓46的交叉點表示的偏移浮體 位置構成，所述圓46表示基于航行器和浮體之間的已知距離D,，浮體14
在水面上關于航行器12的可能位置。偏移向量44因此表示浮體14在沒 有風力或者水流使浮體偏離軌跡時的環境中相對航行器12的偏移量。
0020此直角三角形的垂直的直角邊42的長度和因此航行器12相對 浮體14的位置的第二誤差校正可以被估算為D^sin ( a ),已知的值D,表
示三角形的斜邊。在oc已知的情況下，可以求解行進方向上及其垂直方向上 的位置偏移量，并且結果可能是相對浮體14上的GPS定位的第二偏移量， 來近似航行器12的真實位置。通過使用航行器12上的一對換能器接收來自 浮體14的所發送的聲學信號或者其它測距信號并且記錄相位角或者起始時 間差異，可以測出a。此技術可以典型地探測小于1%的相位角。對于浮體 14和航行器12之間的方向而言，確定此偏移量的過程是對稱的，因此在航 行器發送脈沖，而浮體為接收器的情況下，該過程仍可以同樣地運行。
0021圖6示出本發明的另一個可能實施例。在此實施例中，水下航 行器12包括繩索16遞送系統50。在由航行器12的處理器基于深度或者其 它參數的命令下，遞送系統50中的纜盤52可以放出測定數量的繩索16。圖 中還示出浮體14和航行器殼體12上的聲學測距換能器28。
0022如果所需精度較低，可以使用測量或者近似偏移量A的較簡單 的系統。這可包括測量航行器12后邊放出的繩索16的數量。使用航行器12 的速度和關于繩索16如何偏移的一些列表數據，處理器36可以計算出航行 器12后面的浮體14的距離的良好的近似。此技術也可用作改進精確度的低 成本方法。
0023繩索16的實際最大長度由多個因素確定。關鍵因素的其中之 一是繩索16和接附的浮體14所產生的阻力。用于降低阻力和通常改進凈喿作 的設計特征的一些包括
1) 用于繩索16的牢固細纜纜繩上的阻力為其直徑的函數，越細阻力 越小。由于要拖拉浮體14,繩索也必須很牢固，并且當繩索被阻礙時，其必 須將浮體拖入水下并且通過障礙物(穿過或者繞過)。優選的繩索為多模光 纖光纜。其典型地具有超過1200牛頓的^[艮高的抗張強度。存在通過光纖傳 輸USB協議的標準電子裝置， 一個例子為Icron USB Rover 200 (長達50 米的線纜)。另 一版本可以運行長達15km或者直到海底的光纜。
2) 可控制浮力的纜繩16:浮體14必須支撐繩索(纜)上的凈重力。如 果沿著纜的長度增加小型正向有浮力的浮體或者可替代地，在絕緣層中增加 空氣，可以將纜/繩索的總重量調節至非常低。這可以使得浮體更小。3) 小尺寸的浮體14:降低浮體的重量和尺寸以及其對另一端的水下航 行器產生的阻力。由于其頂部天線需要指向上方，因此，如果浮體被碰顛倒， 浮體必須能自我復位(self right )。現代GPS天線和接收器以及諸如802. 11 的RF無線電鏈接僅重幾盎司，從而使機械設計更加簡單。
4) 機動的浮體14:建立具有小推進系統的GPS浮體，在其感測到線纜 中的張力時，可以驅動浮標前行，從而顯著減低阻力。當線纜張力很低時， 馬達速度控制為零，并且隨著張力上升而增加。
5) 具有推進和方向控制的浮體14:浮體也可以具有小推進系統用于保 持浮體在保持繩索張緊的確定方向上拖拉。當水下航行器必須在表面障礙物 下方移動時，可以使用此技術。 一個相關例子為在使用水下航行器來進行艦 船的殼體檢查時。在航行器在艦船下移動時，浮體可以后撤并且避免撞擊艦 船的側面。用于控制浮體推進和操縱的控制數據可以通過繩索發送或者通過 水中聲學發送。
6) 具有最小浮力的流體力學浮體14:浮體和繩索應該被設計為流體力 學的和平滑的，使其可以被拖動而繞過目標，而不會使得繩索或者浮體被絆 到。浮體也應該可以;故拉入水下，繩索穿過或繞過目標，然后快速上浮返回 水面。諸如Garmin OEM 15L的標準GPS接收器善于在失去信號后快速與人 造衛星重新同步。浮體應該具有類似于織梭的特點，其可以用于拖動紗線穿 過織機而不會絆到任何東西。
7 )可動態調整線纜16的長度可使用機動的線纜遞送系統來構建所述 系統，當航行器運行到更大的深度時，其允許所述系統分配更多線纜。這使
得線纜在更適宜的模式中運行并且沒有過多的線纜漂浮在水面上作為過往 船只的目標。通常，船只可以在運行中的浮體上駛過，而不會有任何負面影 響。
0024使用本發明可實現航行器在水下時為所述航行器連續更新GPS 的穩健的系統。此外，浮體上增加無線電收發器允許基于實時凄t據分析來從 水面控制并重定向水下^t行器。這和艦船殼體檢查使用實時視頻和聲納圖像 來移動航行器一樣筒單。結果，無需水面和用戶數據顯示設備之間的線纜， 就可以實現R0V (遠程運行航行器)帶線纜的航行器的改進。Wi-Fi (例如， IEEE標準802. llg)為低成本無線電技術的例子，其具有非常低的成本，然 而在正確的天線布置下，卻可以在長達數英里的距離上使用。
0025本發明的具有AUV的示例性應用包括
0026水道測量使用配備有本發明的水下航行器可以滿足N0AA對 于水道測量的精度要求。這些要求包括優于10米的水平精確度。在較淺 (例如小于150英尺深)的海岸區域中繩索可以很好的運行，該區域對于為 安全導航而繪制深度是十分重要的。使用本發明也可以得到具有足夠低的成 本的水下航行器，使得可以同時布置多個航行器并行工作。
0027搜索和救援使用裝備有本發明的航行器可以被快速布置用于 例如搜索溺水或者其它意外受害者。在航行器于水下進行視頻或者聲納測量 時，具有無線電接觸的能力允許操作者實時觀察高帶寬數據并且如果受害者 被發現時改變任務。具有對目標的非常精確的GPS定位，操作者可正好在事 故地點處派遣潛水者下水。航行器也可能裝備有吊鉤或者爪鉤并且抓住受害
者將其推到水面和岸邊。
0028艦船殼體檢查本發明的航行器可以被發射以執行艦船殼體 的檢查，同時，操作者在裝備有Wi-Fi的筆記本上查看視頻或者聲納結果。 可以快速改變任務以仔細檢查可疑區域。此外，AUV此時可以具有ROV 的直接遠程控制特征，卻沒有水面上連到艦船的笨重繩索。
0029環境監控裝備有化學傳感器的本發明的航行器可以沿精確 路徑行駛來監控任意水體在化學成分、污染或者恐怖襲擊中的改變。^t行 器可以立即將結果和測量數據的精確位置轉發回操作者。在水流被允許進 入入口并危險危害人們之前釆取行動。
0030通用目的UUV:在水下航行器中使用本發明，可以提供僅由使 用慣性導航系統和多普勒速度計程儀才可能達到的導航位置精確度，而成 本卻降低了幾個數量級。這對于無人水下航行器可以產生許多新的應用。
0031基于上述實施例，本領域內的普通技術人員可以認識到本發明 其它的特征和優點。例如，來自上述任意實施例的特定特征可以多種組合和 部分組合的方式被包括到本發明的設備或方法中，同時下述權利要求書中所 引用的特征也可以使用此處描述的裝置實現。因此，除了由所附權利要求書
所指定的或者最終提供的以外，本發明不限于特定說明和描述的內容。此處 引用的任意出版物和參考文獻通過引用全部清楚地包括在此處。
權利要求
1、一種用于確定水下航行器的位置的系統，包括浮體，所述浮體包括接收器，所述接收器用于接收表示浮體位置的位置信號，并且所述浮體充分有浮力，使得將所述接收器置于可以接收信號的位置；繩索，連接所述浮體和所述水下航行器，并且提供所述浮體和所述水下航行器之間的通信信道；和在所述浮體和所述水下航行器的至少一個上提供的偏移量計算元件，用于提供所述水下航行器和所述浮體之間的位置偏移距離；其中，所述位置偏移距離與所述浮體的位置相加得出所述水下航行器的位置。
2、 權利要求1的系統，其中，所述偏移量計算元件包括測距元件和 處理器，所述測距元件用于發送信號穿過所述浮體和所述水下航行器之間 的水體；所述處理器被配置為用于確定信號在所述浮體和所述水下航行器之間傳輸的時間并且使用信號在水中的傳播速度和所確定的時間計算所 述浮體和所述水下航行器之間的距離。
3、 權利要求2的系統，其中，所述測距元件為聲學發送器。
4、 權利要求2的系統，其中，所述測距元件被配置為提供具有適于 在水中傳播的波長的脈沖光。
5、 權利要求2的系統，其中，所述偏移量計算元件還包括用于確定 所述氷下航行器深度的深度傳感器。
6、 權利要求5的系統，其中，所述處理器使用所述水下航行器的深 度和所述浮體和所述水下^^行器之間的距離求解所述位置偏移距離。
7、 權利要求6的系統，其中，在所述水下航行器的航行方向上和在所迷水下航行器航行方向的垂直方向上確定所述位置偏移距離。
8、 權利要求l的系統，其中，所述繩索包括光纖通信信道。
9、 權利要求l的系統，其中，所述接收器為GPS接收器。
10、 權利要求l的系統，其中，在操作期間，可通過馬達和控制系統 基于所述航行器的深度及其速度來調整所述繩索在水中的長度。
11、 權利要求l的系統，其中，所述浮體浮標為流體力學的且光滑成 形的，使得其可以拖拉通過障礙物而不會被絆住。
12、 權利要求l的系統，其中，所述浮體浮標具有推進設備，所述推 進設備基于感測所述繩索和所述浮體之間的張力來推動所述浮體。
13、 一種用于確定水下航行器的位置的方法，包括提供具有接收器的、繩索連接到所述水下航行器的浮體； 在接收器上接收表示所述浮體位置的信號； 計算所述浮體和所述水下航行器之間的位置偏移距離；和 將所述位置偏移距離與所述浮體的位置相加來確定所述水下航行器 的位置。
14、 權利要求13的方法，其中，計算所述位置偏移距離包括 確定所述浮體和所述水下航行器之間的距離；200780006471.1確定所述水下航行器的深度；并且求解所述位置偏移距離。
15、 權利要求13的方法，其中，在所述水下航行器的航行方向上和 在所述水下航行器航行方向的垂直方向上確定所述位置偏移距離。
16、 一種用于精確確定位于水體表面以下的^t行器的位置的系統，包括a、 有浮力的浮體，具有設置在水面上的天線的GPS接收器；b、 繩索，具有連接在所述水下航行器和所述浮體之間的通信信道；c、 測距儀，測量所述浮體和航行器之間的距離；d、 航向傳感器，用于確定所述水下航行器的航向；和e、 處理器，用于產生偏移量以與所獲取的浮體的GPS定位相加，來 表示所述水下航行器的位置。
17、 權利要求16的系統，其中，所述測距儀為在所述浮體和所述航 行器中的至少一個上提供的聲學測距儀。
18、 權利要求16的系統，其中，所述測距4義為在所述浮體和所述4元 行器的至少 一 個上提供的基于光的測距儀。
19、 權利要求16的系統，其中，在所述浮體浮標和航行器之間使用 聲學測距來執行所述距離測量，其中，浮體上的聲學發送器發送信號到航 行器上的聲學接收器，并且計算二者之間的距離，以及通過經由繩索發信 號實現傳輸脈沖的同步。
20、 權利要求16的系統，其中，所述繩索包括光纖光纜。
21、 權利要求16的系統，其中，所述繩索纜具有增加的浮力，使得 其在水中的重量得以控制，以減輕對浮體的下拉力。
22、 權利要求16的系統，其中，基于已知的解開的繩索的量和所述 航行器的速度，計算設備之間的距離。
23、 權利要求22的系統，其中，使用測得的基于列表的實驗數據計 算所述距離。
24、 權利要求13的系統，其中，測量所述浮體的角度用于增加定位 偏移量的精確度。
全文摘要
提供了一種用于水下航行器在水下運行時確定其位置的系統和方法。有浮力的浮體位于水面上或者近于水面，并且通過細的、可包括絕緣電線的繩索接附到航行器。航行器在水下移動并且拖動其后的浮體。浮體可以接收到諸如指示其GPS位置的信號的定位信號，并且因此可以精確確定其位置。位置可以通過位于繩索中的電線發送給水下航行器。水下航行器可以使用傳感器和/或計算來確定航行器和浮體浮標之間的位置偏移量，并且基于已知的浮體位置和位置偏移量產生其實際位置。浮體可以構建有以下特征允許浮體以較長繩索長度運行并且又允許水下航行器以更大深度運行。浮體通常也可以載有無線電系統用于在航行器潛水時從航行器高速通信信號。
文檔編號B63G8/38GK101389976SQ200780006471
公開日2009年3月18日 申請日期2007年2月15日 優先權日2006年2月23日
發明者J·C·克羅韋爾 申請人:海洋服務器技術有限公司