專利名稱：基于gps的水下拖纜定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及于海上地震勘測，尤其涉及用于確定由地震勘測船身后水下牽引的水聽器拖纜或海底拖纜的位置和形狀的設備和方法。
在海上地震勘測中，通常用一條海船，例如一條水面船只，牽引一組水下纜繩，通常為拖纜。在每條拖纜上裝備水聽器陣列，用于接收海底地質層的地震反射，還裝備多種傳感器和控制器件，用于確定拖纜的形狀和位置，并控制其深度。水面船只上還拖有一個震源，通常是氣槍陣列，這些氣槍以一定的間隔發(fā)射，向地質層中輻射震波能量。對于要求精確的勘測，必須精確地知曉拖纜和震源的形狀和位置。傳統(tǒng)的方法是，由沿拖纜配備有測深傳感器，聲學測距收發(fā)器(acousticranging transceiver)和磁羅盤以提供數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以在船上或對地震數(shù)據(jù)進行處理時計算出拖纜的相對形狀。在拖纜的頭端和尾端系連有頭、尾浮標，作為可視標記。由水面船只和震源上的聲學測距收發(fā)器與拖纜頭端的收發(fā)器一起構成聲學網絡，用于使拖纜頭端的位置依賴于船只和震源。尾端聲學網絡則由尾浮標和拖纜尾端上的聲學測距收發(fā)器構成。在船只、震源和拖纜尾端的尾浮標上的GPS(全球定位系統(tǒng))接收器用于幫助使拖纜的頭端和尾端、震源以及船只的位置依賴于絕對大地位置(absolute geodetic position)。使用綜合導航系統(tǒng)，通過對整個拖纜伸展開時的多個深度、距離和方位進行觀測，對傳感器的位置，以及由此對拖纜的形狀進行估算。
雖然這些傳統(tǒng)的拖纜定位系統(tǒng)運轉良好，但是它們還存在一些不足之處。例如，聲測距收發(fā)器要耗費很多能量才能傳輸具有足夠能量的聲波脈沖，以獲得長距離的傳輸質量。這種能量需求將縮短電池供電設備中電池的使用壽命，并且也限制了對那些通過拖纜感應供電(inductively powered)的設備的使用。而且，如果聲換能器是裝在拖纜中，而不是懸掛在拖纜上，則傳輸很難達到線上距離(即沿拖纜長度方向的距離)。并且，由于拖纜中的羅盤與拖纜中貫穿的金屬加強構件和導體鄰近，所以很容易受到不良影響。但是，當這些器件是懸掛在拖纜上，而不是裝在拖纜中時，則在將拖纜卷上貯藏卷軸之前，要將這些器件取下來，再在使用拖纜時重新裝上。這種取下和安裝阻礙拖纜的取回和使用。此外，導航系統(tǒng)僅能從拖纜模型和大量觀測結果中估算出傳感器的位置。因為很多位置是通過一個或多個其它的估算位置所估算出的，所以沿拖纜的位置誤差增大。在使用較長的拖纜時，這種位置誤差傳播的問題特別麻煩。
由于存在以上不足，所以需要一種拖纜定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能具有諸如耗能低、對拖纜的取回和使用造成的阻礙小、以及能對拖纜精確定位等優(yōu)點。
GPS正廣泛應用于導航中，并且該項技術還在持續(xù)發(fā)展。因為GPS衛(wèi)星傳輸射頻，而該頻率不能穿透水，所以不能直接應用于水下系統(tǒng)。但對將GPS用于水下系統(tǒng)也已取得了一定進展。例如，1992年6月2日公開的美國專利No.5119341，“將GPS擴展到水下應用的方法(Method For Extending GPS To Underwater Applications)”中，描述了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)提出在信標上安裝浮標，從而從GPS衛(wèi)星信號動態(tài)確定其位置并將代表其位置的數(shù)據(jù)聲學地廣播給與水下運載工具。在另一系統(tǒng)中，如澳大利亞弗里曼特爾的Nautronix有限公司出售的NASNetTM系統(tǒng)，其中在勘測區(qū)域的海底設置站點網絡。一旦處于適當位置，各個站點將與時間相關的類似GPS的信息聲學地傳輸?shù)揭粋€或多個專門用于接收的用戶處，這些用戶可以幾乎像GPS接收器處理GPS數(shù)據(jù)一樣，使用接收到的信息。
但是，在這兩種“水下GPS”系統(tǒng)中，聲波發(fā)射器是固定的，或能漂移并覆蓋一個固定或改變量很小的海域距離。當在海洋中另一位置使用時，例如用于一次新的地震勘測，就必須在相應的位置設置另一個這樣的網絡。由于這個原因，所描述的這兩種系統(tǒng)在對海上地震勘測的拖纜定位使用中，都存在不足之處。

發(fā)明內容
本發(fā)明克服了上述不足之處，且拖纜定位系統(tǒng)所滿足的需求也具有本發(fā)明的特征。該定位系統(tǒng)至少包括兩個表面裝置隨海船在水面上航行。每個表面裝置上有一個GPS接收器，用于接收GPS射頻信號并確定其位置。在每個表面裝置上的聲波發(fā)射器發(fā)射聲波信息信號，代表該表面裝置的位置。在船后拖曳的一個或多個水下拖纜上，設置有多個聲波接收設備。每條拖纜從靠近船的頭端到相對的尾端伸展開來。每個聲波接收設備包括一個聲波接收器，用于接收表面裝置發(fā)射的聲波信息信號并從所獲聲波信息信號確定其位置。
在另一種定位系統(tǒng)中，聲波收發(fā)設備系在其中一條拖纜上。該聲波收發(fā)設備包括一個聲波接收器和一個聲波發(fā)射器。聲波接收器接收表面裝置發(fā)射的聲波信息信號并從所獲聲波信息信號確定其自身位置。聲波收發(fā)設備中的聲波發(fā)送器將代表其自身位置的聲波信息信號傳入水中。其中至少一部分聲波接收設備中的聲波接收器接收從聲波收發(fā)設備傳來的聲波信息信號用于確定位置。例如，在沿著拖纜與表面裝置相距很遠的位置上，使用這些聲波收發(fā)設備增強由表面裝置發(fā)射的信息信號，或者用于改善定位的幾何關系(positioning geometry)。
本發(fā)明中的定位拖纜的方法具有以下特點，在海船后拖有一組拖纜。離船較近的為拖纜頭端，離得遠的為尾端。以一定間隔分離地拖曳具有GPS接收器和聲波發(fā)射器的表面裝置。沿拖纜系連具有聲波接收器的聲波接收設備。由表面裝置接收GPS信息信號，并將其轉化成位置數(shù)據(jù)。各表面裝置將代表其位置的聲波信息信號傳入水中。用聲波接收設備接收聲波信息信號并用于確定它們的位置。
因此，本發(fā)明提供的設備和方法將普遍應用于地表定位的GPS的準確度擴展，使其用于水下拖纜定位。
附圖簡述參照下面的描述，附加的權利要求和附圖，可以對本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點、特征和方面進行更好的了解。


圖1是本發(fā)明實施例中用于海上地震勘測的一種拖纜配置的俯視示意圖；圖2是圖1的局部側視圖；圖3是本發(fā)明實施例中，圖1和圖2中使用的表面裝置的方框圖；圖4是圖3中表面裝置所發(fā)射的最小單位數(shù)據(jù)的表示；圖5示出本發(fā)明實施例中，圖1和圖2中使用的聲波接收設備的基本方框圖；圖6是圖5中聲波接收器更詳細的方框圖；圖7是圖5中聲波接收器的功能模塊框圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明中圖1和圖2中采用的拖纜定位方法的示意圖；圖9是圖8中方法所用本發(fā)明實施例的聲波收發(fā)設備的方框圖；以及圖10是使用圖5中的聲波接收器的拖纜控制設備的方框圖。
發(fā)明詳述圖1和圖2的例子描述了本發(fā)明拖纜定位系統(tǒng)的實施例。在該例子中，由海船V拖曳一個水聽器拖纜網絡，圖1中的A，B，C，D代表4條拖纜。當然，也可使用更少或更多的拖纜。在地震勘測中，使用的拖纜通常有數(shù)千米長。例如，每條拖纜長8千米，其中，最遠的拖纜相隔700米遠。在這里，示出了將拖纜分成最靠近船的頭端部分H，中間部分M和尾端部分T。在本例子中，拖纜A是較外層的右舷拖纜；拖纜B是較里層的右舷拖纜；拖纜C是較里層的左舷拖纜；拖纜D是較外層的左舷拖纜。在圖2中，為了表示清楚，僅示出了處于不同深度的右舷拖纜A，B。在典型的勘測中，每隔150米將深度控制設備(未示出)系于拖纜上，令拖纜能保持在恒定深度。船上還拖有包含有一排氣槍的震源S。在掃雷纜(paravane cables)10端部的左、右舷掃雷器Pp、Ps幫助保持拖纜相互分離。雖然如圖所示拖纜的頭端直接與掃雷纜相連，但在實際應用中，更常見的是將拖纜連在另一條系在左右舷掃雷纜間的拖纜上。拖纜頭端還與船電連接以接收能量，并通過電連接或光連接接收來自船上的命令信號，并將水聽器和傳感器數(shù)據(jù)傳到船上。每條拖纜的尾端用浮在海面L上并系在拖纜尾端的浮標12做標記。
為幫助定位拖纜，船上還拖有表面裝置14，該表面裝置可與掃雷纜相連，此掃雷器拖纜可位于掃雷器的內側，或位于掃雷器的外側并通過輔助掃雷器16將其進一步隔離。尾浮標12也可含有表面裝置。還有一種替代方式，可在表面裝置中裝備遙控、自主的表面裝置，例如水上摩托艇。如圖3所示的表面裝置可沿海底拖曳，或隨船沿海面航行。但該裝置有浮力，從而能浮在海面上。在吃水線L之上的GPS天線18接收從GPS衛(wèi)星22或地面GPS差分站發(fā)出的射頻信號20。雖然術語“表面裝置”用于廣泛指代接收GPS信號并發(fā)射聲波信息信號的裝置，但是該術語并不限于那些只在海面上拖曳的裝置?！氨砻嫜b置”指其功能是用于接收射頻GPS信號的裝置。因此，一個并入掃雷器的在海面以下工作的這種裝置，但具有伸出海面的GPS大線，在本說明書的詞匯中也認為是表面裝置。傳統(tǒng)的GPS接收器24利用該信號確定其位置(嚴格地說，是其天線的相位中心的位置)。處理器26從GPS接收器收集位置信息和其他的GPS數(shù)據(jù)，以及從姿態(tài)傳感器27，例如俯仰傳感器或滾動傳感器，收集姿態(tài)信息。該處理器，優(yōu)選具有一個微處理器，如Motorola MC68HC 11，利用GPS數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、和聲換能器30與GPS天線相對位置信息的現(xiàn)有技術來計算換能器的絕對位置，該位置即認為是表面裝置的位置。該處理器優(yōu)選還構造一個信息，通過換能器發(fā)射到水中，優(yōu)選地，如圖4所示，該信息是簡化的信息，其中至少包含表示換能器位置的坐標。
圖4例子所示信息中僅包括表示表面裝置(更具體地說，其換能器)在海面上的x-y坐標平面的坐標的2個15位字，以及一個可選擇的時間標記，其可能包括如GPS時間標記或一個序號。x-y坐標的原點可任意選擇，例如在地震勘測區(qū)的一個固定點或在移動的勘測船上一個點的位置?；贕PS時間從衛(wèi)星接收的時間標記，在某些情況下是可選的，接著將會解釋這一點。如上所述，這種簡化的信息是優(yōu)選的信息，但其中也可以包括其他數(shù)據(jù)或識別標記。在某些定位系統(tǒng)中，時間標記并不是必需的，而且可以消除。所述序號在每個探測周期都會增加，從而可作為GPS時間標記的一個替代形式。該序號指出了該信息數(shù)據(jù)所屬的探測周期，從而不會與之后接收到的信息相混淆。3位字長足夠表示GPS的時間標記或序號。在優(yōu)選形式中，將信息發(fā)送到聲波發(fā)射器28，產生一個偽隨機碼擴頻信號，在音頻波段內，例如2kHz-20kHz，對該信號進行調制。每個表面裝置優(yōu)選有獨特的偽隨機碼，從而能與其它表面裝置區(qū)分開。例如，長4095碼片的Gold碼，其每個載頻可支持5個完全不相關的通道(channel)，在載頻大約為5kHz操作時，適用于12千米的距離。當載頻大約為10kHz時，適用于3千米的距離。x-y位置的信息字長優(yōu)選使用15位，因為15位可以有足夠的空間分辨率，而且15是4095碼長的整因子。在第二個例子中，一個長1023碼片Gold碼，每個載頻可支持5個完全不相關的信道，在載頻約為5kHz時，適用于12千米的距離。當載頻約為10kHz時，適用于3干米的距離。對于x-y位置優(yōu)選15位的信息碼字長，因為15位字可以有足夠的空間分辨率。優(yōu)選33位的信息字長，因為33是1023碼長的整因子。對于長1023每秒碼片，代碼每秒重復一次。在33位每秒時，則信息在一秒鐘內完成。3位的時間標記序列號，每8秒重復一次，當音速為c＝1500米/秒時，在12千米內能準確測定距離。擴頻聲波信息信號29由聲換能器傳入水中，該換能器可以是陶瓷球體或陶瓷圓柱體從而可獲得全向波束圖(omni-directional beam pattern)。時鐘32向處理器和聲波發(fā)射器提供時鐘信號。時鐘可以與GPS接收器內部時鐘同步?？蛇B續(xù)發(fā)射聲信號，從而接收器可以保持鎖定狀態(tài)。當聲信號的發(fā)射被例如來自震源的干擾打斷，一旦信噪比低于閾值，接收器中的鎖相環(huán)就會漂移(coast)且當信噪比增長到可接受的程度時繼續(xù)追蹤(tracking)。同樣，發(fā)射器可以在脈沖模式下工作，在這種模式下，聲波信息信號以規(guī)律的間隔通過或阻隔。連續(xù)發(fā)射的聲信號使聲波接收器能經常更新位置，從而使得可以用同處一地的拖纜控制設備對拖纜自主控制。而且，在與船上的艦船導航系統(tǒng)失去聯(lián)系時，本發(fā)明中的定位系統(tǒng)可以繼續(xù)對拖纜控制或保持拖纜拉平，因為該系統(tǒng)并不需要艦船導航系統(tǒng)輸送控制命令，從而可以自主控制拖纜。并不是所有的應用中都需要帶有遙測數(shù)據(jù)的信息。沒有遙測數(shù)據(jù)，表面裝置發(fā)射入水中的編碼信號也可以如上所述地被接收器接收并追蹤。接收器中所測到的碼延遲表示偽距離(從表面裝置至接收器間的傳輸時間)。在船上可通過偽距離來獲得位置信息。
在本例子中，表面裝置通過系連在金屬環(huán)34上的牽引導桿或牽引繩束縛在一個拖曳點(tow point)。在船上的艦船導航系統(tǒng)和處理器之間優(yōu)選經一硬連線的光或電導體，通過防水連接器38設置通信鏈路36。表面裝置也優(yōu)選通過一個包含硬連線通信鏈路的電纜從船上獲得電源。整流器40對輸入能源進行轉換調節(jié)，將其轉換成表面裝置中的電子設備需要的電壓。當然，也可以用電池組或其他能量源為表面裝置提供能量，并且與船之間設置無線電通信鏈路，從而去除硬接線連接。通過通信鏈路可從船上對表面裝置進行監(jiān)控。
如圖1和2所示，由表面裝置發(fā)射入水中的聲波信息信號由沿拖纜長度系連其上的聲波接收設備42所接收。聲波接收設備優(yōu)選裝在拖纜內部，或者連接在兩條連續(xù)的拖纜節(jié)段之間并與其共線。在典型情況下，聲波接收設備可以裝在每組水聽器接收器的中心，并處在例如拖纜調平或導向裝置的拖纜控制器的位置。依靠表面裝置中的聲波發(fā)射器的發(fā)射距離和拖纜的長度，所有或部分聲波接收設備將接收到所有表面裝置的聲波信息信號。然而，也可能聲波接收設備僅接收到來自其附近的表面裝置的聲波信息信號，而接收不到遠距離裝置的信號。
圖5所示為聲波接收設備的方框圖。來自表面裝置的輸入聲信號29由每個聲波接收設備中的聲換能器44接收。該聲換能器可以是一個陶瓷球體，一個PVDF(聚偏二氟乙烯)帶，或其他結構，但是，因為它不進行發(fā)射，所以比表面裝置中的聲換能器小得多。換能器的輸出用于聲波接收器46。聲波接收器解碼擴頻聲波信息信號，以確定發(fā)射表面裝置的身份，并使用包含在信息中的位置數(shù)據(jù)和可選的時間標記確定其自身位置。這樣，聲波接收器與表面裝置上的射頻GPS接收器執(zhí)行類似的功能。將位置信息傳送給與表面裝置上的處理器類似的處理器48。而且，就像表面裝置一樣，聲波接收設備也包括時鐘50。整流器52經由拖纜從船上電阻性地或電感性地接收能量，或者從電池組接受能量，并將該能量轉換成電子器件所需的工作電壓。通信鏈路54設置在聲波接收設備與拖纜上方的船只及其通信系統(tǒng)之間。來自艦船導航系統(tǒng)的命令和控制信息可以通過通信鏈路傳送到聲波接收設備。還可以傳送時鐘同步信號從而使不同接收設備中的時鐘定期地同步，優(yōu)選依賴于GPS時間，從而避免產生時鐘漂移問題。使接收設備中的時鐘與發(fā)射器時鐘同步，則可通過較少的觀測值對給定位置進行計算。這對長且?guī)缀侮P系復雜的距離尤其重要。來自聲波接收設備的狀態(tài)和位置信息可傳送到船上。聲波接收設備可以是獨立的整體，也可以是還具有其他功能的設備的一部分。例如，聲波接收設備可以作為拖纜調平或拖纜導向設備(例如吊艙)的一部分，或是與該種設備處于同一位置。
圖6所示為接收設備的詳圖。換能器44將輸入信號(inboundsignal)轉換成電信號，在前置放大器66中放大，在帶通去假頻濾波器(anti-aliasing filter)68中進行濾波，并由模-數(shù)(A/D)轉換器70采樣并轉換成數(shù)字樣本。將該數(shù)字樣本導入一個或多個接收器通道72。在優(yōu)選情況下，使用11頻帶或FDMA(頻分多址)通道。在每個頻道，可使用5個碼或CDMA(碼分多址)信道。優(yōu)選地，系統(tǒng)中總共有55個FDMA/CDMA通道可使用。將代表聲波信息信號的數(shù)字樣本的頻率降低到基帶轉換器中的基帶頻率?；鶐颖九c由相關器78中的編碼發(fā)生器76產生的通道的偽隨機碼相關，以抽取出數(shù)字通道信號。在數(shù)據(jù)解調器80中將調制聲信息的遙測數(shù)據(jù)(信息數(shù)據(jù))提取出來，并傳送到處理器48。偽距離數(shù)據(jù)，即在那個通道的發(fā)射表面裝置的距離，在碼跟蹤環(huán)路濾波器82中提取出來并傳送到處理器。碼跟蹤環(huán)路濾波器也可以通過NCO(數(shù)控振蕩器)84不斷地調節(jié)碼相位。碼延遲是從源發(fā)射器(表面裝置的換能器)發(fā)出的聲波信息信號傳輸至接收器的換能器的時間的測量。載波跟蹤環(huán)路濾波器86對基帶轉換器所用的局部頻帶(local band)進行調節(jié)，從而在聲信號載頻中解決(account for)多普勒頻移。由載波跟蹤環(huán)路濾波器控制的載波NCO 88對應用于基帶轉換器的局部頻帶進行有效調節(jié)。載波環(huán)路濾波器還輸出偽距離變化率到處理器中，該變化率是在聲波傳輸時間內對源發(fā)射器和接收器間的相對速度的測量，可以用于補償在位置計算中由于源發(fā)射器和接收器間的相對移動造成的影響。通過通信接口90，從通信鏈路54將命令和同步信號傳送到處理器。將時鐘50及其產生的信號用于處理器和接收器上的電子設備，使接收器能精確運轉。計算出的位置數(shù)據(jù)、原始偽距離數(shù)據(jù)、以及其他數(shù)據(jù)也可以通過通信鏈路傳輸?shù)酱稀?br> 圖7表示聲波接收器工作過程的功能方框圖。每個接收器都可以獲得和追蹤N個聲信號。優(yōu)選地，每個接收器可接收12路信號，每個都處于單獨的FDMA/CDMA通道。每個通道的信號通過解調，抽取出其中的遙測數(shù)據(jù)或其他的信息和數(shù)據(jù)。代碼和載波追蹤環(huán)路濾波器對偽距離和偽距離變化率進行測量。處理器利用存儲在存儲器中的信息數(shù)據(jù)，偽距離和偽距離變化率對接收器換能器的位置進行計算。為消除源發(fā)射器和接收器之間的同步不定性，通過通信鏈路傳輸一個時鐘同步信號用于更新接收器時鐘，并且使信號發(fā)生器和其他的接收器模塊時鐘再次同步。如果該同步信號中斷或丟失，通過接收3個或更多的距離和遙測數(shù)據(jù)以及解決接收器的時鐘偏移，可以在有限的一段時間內解決同步不定性。
在一種優(yōu)選的定位系統(tǒng)中，采用了碼片速率為455Hz的長4095碼片的Gold碼。這樣即產生一個9秒的代碼周期。每一秒中發(fā)送一個信息塊。所有的表面裝置，包括船上的控制器，都與GPS時間同步。具有聲波發(fā)射器的表面裝置使每個聲波代碼周期的開始與GPS 1 PPS信號(每隔9秒)同步。在通信鏈路缺少時鐘同步信息信號的情況下，接受器依靠它們的本地時鐘保持同步。在第二種優(yōu)選定位系統(tǒng)中，采用一個碼片速率為1023Hz的長1023碼片的Gold碼。這樣即產生一個一秒碼周期(one-second code period)。每一秒發(fā)送一個信息塊。所有的表面裝置，包括船上的控制器，都與GPS時間同步。具有聲波發(fā)射器的表面裝置使每個聲波代碼周期的開始與GPS 1PPS信號和時間標記或序號(每隔8秒)同步。
信息塊每隔1秒重發(fā)，并隨之在信息塊開始傳輸時，對與發(fā)射器位置對應的新位置每秒進行更新。每條信息包含一個信息序號(1-9或0-7，取決于采用的優(yōu)選型式)，該序號表示在GPS時間中代碼周期所占據(jù)的秒。接收器通過采用信息序號，能解決由碼長造成的距離模糊。對于脈沖的發(fā)射模式，每個發(fā)射器能保持源自GPS 1 PPS輸出的1秒的計數(shù)器，其中滾動間隔(rollover interval)是其周期性發(fā)射間隔的2至4倍。在傾斜距離計算中，采用接收器測得的深度，及標定的或發(fā)射器測得的深度進行計算所有的二維x-y位置(x-坐標，y-坐標)。
系統(tǒng)設計為能在多種操作模式中運行。在第一種模式中，發(fā)射器和接收器連續(xù)運行，并通過通信鏈路接收器周期性地再次同步。在每個聲波代碼周期的開始，通過通信鏈路傳輸時鐘同步信息信號，使接收器時鐘與GPS時間同步。接收器連續(xù)追蹤發(fā)射器的編碼信號。發(fā)射器的信息序號和x-y位置都包含在每個發(fā)射器的信息塊中。接收器對該信息在接收時進行解碼并存儲在局部存儲器中。在接收同步信號上，可以對接收器進行任何必要的時鐘調整，從而對同步信號的接收時間校正其時鐘(對通信滯后的調整)并開始位置更新。接收器同時對每個發(fā)射器的代碼相位進行測量，并且從它的局部存儲器中檢索最新解碼位置。通常，在公共代碼相位測量時間和每個接收信號的最后信息塊的起始時間之間，存在著不同時間偏差。對每個發(fā)射器而言，接收器測量和儲存這些時間偏差用于位置計算。為確定每個偽距離，接收器要乘以一個分數(shù)值，該分數(shù)值通過代碼周期中代碼相位與發(fā)射器間的相互關系確定。利用聲波在水中的傳播速度、所測得的偽距離、以及所接收到的并被調節(jié)到代碼相位測量時間的發(fā)射器位置，接收器對其自身位置進行計算。因為消除了接收器的時鐘偏差，所以進行未知的、自主的雙距離觀測是可能的。
在另一個操作模式中，發(fā)射器和接收器連續(xù)運行，但是不采用時鐘同步信號。這種模式需要使用第三個偽距離來解決接收器的時鐘偏差。這種模式是在失去通信鏈路時，前述模式的備用模式。
在第三個操作模式中，發(fā)射器在占空比為50％或小于此值且周期性時鐘同步的情況下進行發(fā)射。接收器也不是連續(xù)運行。船上的初始時鐘同步信號通過通信鏈路傳輸?shù)剿械陌l(fā)射器和接收器中。在接收同步信號的基礎上，每個發(fā)射器發(fā)射個短的編碼信號，其中包括該獨一的發(fā)射器ID和由其GPS接收器所確定的它當前的x-y位置。在接收時鐘同步信號的基礎上，每個接收器啟動一個計時器，并開始接收編碼信號。當接收到信號時，將位置解碼同時儲存計時器值。信號接收時間表示此發(fā)射器的偽距離。利用聲波在水中的傳播速度、所測得的偽距離、以及所接收到的發(fā)射器位置，接收器對其自身位置進行計算。因為消除了接收器的時鐘偏差，所以進行未知的、自主的雙距離觀測是可能的。
在另一個模式中，發(fā)射器在占空比為50％或小于此值時運行，但是接收器連續(xù)運行。但是在通信鏈路上沒有時鐘同步信號傳輸。在基于GPS時間的周期性間隔，每個發(fā)射器同時發(fā)射一個具有獨一的發(fā)射器ID的編碼信號以及包含其當前x-y位置和GPS時間的信息塊。每一接收器時鐘具有來自GPS時間的未知偏差。接收器連續(xù)地接收編碼信號。當接收到來自發(fā)射器的信號時，對發(fā)射器的位置和信號發(fā)射時間解碼。在信號接收和發(fā)射時間之間的差表示此發(fā)射器的偽距離，但其中還包括接收器的時鐘偏差。利用聲波在水中的傳播速度、至少三個所測到的偽距離、所接收到的發(fā)射器位置、以及所接收到信號發(fā)射時間，接收器解出其位置和時鐘偏差。為了確保正交性，每個發(fā)射器在1023位形式下采用其全部的一秒Gold碼(one-second Gold code)。這樣能夠，例如，對于一個5秒的更新周期，保持發(fā)射器的占空比在20％以下。
為了計算精確水中位置，必須考慮發(fā)射器的運動。在接收器位置計算中，有幾種重新獲得發(fā)射器大致位置的方法可以使用。對每個偽距離的測量，為了消除在信息接收延遲間隔中(偽距離測量和先前信息塊起始之間的時間)發(fā)射器運動的影響，在信息塊中接收到的發(fā)射器位置必須在時間上提前反映出來，該時間與在偽距離測量時處理的代碼碼片傳輸相對應。這里有三種方法1)接收器對信息塊進行連續(xù)解碼，并對發(fā)射器速率維持濾過估算。接收器利用接收到的發(fā)射器位置來更新濾波器，并利用估算速率在時間上提前反映發(fā)射器的位置，提前的時間與偽距離測量和之前代碼周期起始之間的時間間隔(一個代碼周期加上與所測代碼相位相等的時間)相等。
2)接收器對信息塊進行連續(xù)解碼，并保持在最后發(fā)射器位置的入口緩沖器(one-entry buffer)處于解碼狀態(tài)。在偽距離測量時，接收器對下一個可用信息塊進行解碼，以獲得較新的發(fā)射器位置，并測量信息延遲間隔。然后，基于信息延遲間隔，在當前和先前的發(fā)射器位置之間插值，以估算出被測偽距離傳輸時間內的發(fā)射器位置。
3)將發(fā)射器速率加入表面裝置的信息塊中。接收器利用接收到的發(fā)射器位置和速率，在時間上提前反映發(fā)射器的位置，提前時間與信息延遲間隔相等。
通過采用與一個或多個表面裝置間的距離以確定位置，可以將時鐘漂移和因其引起的位置估算上的伴隨誤差消除或者最小化?？梢钥紤]聲波接收設備的四個未知位置變量為a)x-坐標；b)y-坐標；c)z-坐標；和d)時間(接收器時間模糊，或者時間偏差)。為分解這四個變量，需要四個獨立的距離(從四個單獨的表面裝置)。分解該時間變量等同于消除聲波接收設備中時鐘的時鐘漂移。如果高度(深度)受控制，即，z坐標已知或假定，則僅需要三個表面裝置。通過通信鏈路對聲波接收設備中時鐘的周期性同步也能去除一個距離。因此，如果由時鐘同步信號對時鐘同步或由時間標記修正，且深度已控制，則僅需要兩個距離(兩個表面裝置)。如果深度未控制，只要時鐘是周期性同步，則需要三個表面裝置。因此，通過估計過度或者周期性時鐘同步能夠去除時鐘漂移。
在一些例子中，如圖8所示，特別是在拖纜中間部分M的附近，很難達到對聲波接收設備精確地位置估算。因為將漂浮物系在拖纜中間部分不是常規(guī)做法，表面裝置通常在拖纜的頭端和尾端附近。由于信號衰減和聲波距離的限制，以及較差的幾何結構，在長距離時，用其它聲學信息信號補充或者完全替換由表面裝置發(fā)射的聲波信號是必要的。得到這種效果的一個方法是在拖纜上系連聲波收發(fā)設備56，例如，在拖纜的長度位置的25％和75％處。此聲波收發(fā)設備與聲波接收設備42類似，但是具有如圖9所示的方框圖中的發(fā)射聲波信息信號58的附加性能。此聲波收發(fā)設備具有一個與聲波接收設備中相同的接收通道。不同之處僅僅在于優(yōu)選使用一個較大的聲波換能器60，來延伸聲波發(fā)射的距離。聲波發(fā)射器62與換能器耦合，以產生發(fā)射到水中的聲波脈沖。最好如圖8所示，拖纜頭端的表面裝置發(fā)射出聲波信息信號，被位于25％長度處的位置64的聲波收發(fā)設備接收。聲波接收器對接收到的信息信號29解碼，并確定其位置。聲學發(fā)射一個包含聲波收發(fā)設備位置信息的聲信號，并被位于拖纜中間部分M的聲波接收設備42接收。因此，聲波收發(fā)設備中的發(fā)射器執(zhí)行與表面裝置中的聲波發(fā)射器同樣的功能。這樣，可以將位置方位傳輸?shù)酵侠|中間位置。
通過在最外層的拖纜A，D的25％和75％位置處設置聲波收發(fā)設備，如圖8所示，可以獲得有利的幾何關系。通過接收由頭端的表面裝置發(fā)射的聲波信息信號并對其進行處理，可以確定位于25％位置處的聲波收發(fā)設備的位置。然后，那些裝置可發(fā)射代表其位置的聲波信息信號，其中可選地包括時間標記，該信號由位于中間部分M的最首端的聲波接收設備42所接收，并用于確定它們的位置。同樣，位于尾端的表面裝置，例如位于尾浮標12中，通過插入處于75％的聲波接收設備，可以用于確定中間部分最尾端的聲波接收設備42的位置。利用像這樣的增大配置，可以對整條拖纜精確定位。
該聲波接收設備的一種專門用途就是與系連在拖纜上的拖纜控制設備相聯(lián)合，并通過至少兩個控制面對拖纜調平和導向，該面通常稱作翼。聲波接收設備與拖纜控制設備緊挨著配置，甚至可以將其容納在拖纜控制設備中，通過兩者的聯(lián)合使用，可以給該控制設備提供自主控制拖纜而不需持續(xù)依賴于船上控制器的能力。如圖10所示，處理器92通過聲波接收設備99通過從不同通道接收到的信息而獲得的聲波信息數(shù)據(jù)、偽距離和偽距離變化率數(shù)據(jù)對x-y位置和位置變化率信息(x，dx/dt，y，dy/dt)進行計算，其中，聲波接收設備99與每個控制設備100相聯(lián)或容納在每個控制設備100之中。位置和位置變化率信息與測深傳感器93所測的深度信息一起，用于控制拖纜的深度和側向偏移。船上的控制器可以通過通信接口90，從通信鏈路54向這些設備傳送控制命令，使這些設備保持與船或表面裝置之一之間的相對位置?；蛘撸撛O備也可以指令依勘測位置采取預定的航跡。該設備接收通過通信鏈路傳輸?shù)囊粋€或一系列命令，這些命令代表所需的相對于船或探測位置的深度和側向偏移量。實際的側向位置則由處理器計算。誤差檢測器94從預期位置中減去實際計算出的位置，得到一個誤差向量。翼控制器95使用該誤差向量計算需要的翼位置，翼控制器的功能和誤差檢測器一樣，但是更適用于翼控制算法，但在硬件實施上兩者可以替換。(控制算法可以與用于自動駕駛儀中控制航空器的算法類似。)翼控制器的輸出通過位置、位置變化率和深度誤差，以及例如由取向傳感器(如滾動傳感器)96測量的拖纜控制設備的取向獲得，并傳輸?shù)揭砦恢每刂破?7。翼101的實際位置由翼位置傳感器98測量。根據(jù)實際翼位置和翼控制器的輸出，翼位置控制器將命令信號傳送給翼馬達，將翼移到相應位置。所有的翼控制器可以有多種執(zhí)行方式，例如，深度和側向位置可以用兩個獨立的PID環(huán)路分別控制，或再與狀態(tài)變量方程或模糊邏輯控制聯(lián)合控制。
對于一個縱向軸與拖纜軸線一致的同線拖纜控制設備，可以對設備繞軸的滾動進行控制。通過對翼定位可以在與拖纜軸線垂直的任何方向施加一個力?？梢杂貌竭M電機或伺服電機結合翼位置測量值及翼位置控制器一起，對翼的位置進行控制?；蛘?，繞拖纜的滾動也可以用一個分離的馬達控制。另一個例子中，可用一個具有三個或四個翼的設備，控制拖纜上的力。
這樣，即使設備與船上系統(tǒng)失去聯(lián)系，拖纜控制仍舊存在。如果設備中有備用電池，即使與船上系統(tǒng)所有的光、電連接都被阻斷，也可以繼續(xù)保持對拖纜進行控制。
因此，本發(fā)明提供了可將GPS用于對在地震勘測中，拖曳于勘測船后的水下拖纜定位的設備和方法。
雖然本申請中只對優(yōu)選的設備和方法做了詳細說明，但一些其他方案也是可能的。例如，所舉例的表面裝置和聲波收發(fā)設備的特定幾何關系只是作為一個示例，顯然還可以采用其他的配置。另外，信息中也可以包含大于或小于15位的其他的數(shù)據(jù)或位置信息。測深傳感器可以與安在拖纜上的接收設備處于同一位置，以獲得第三部件的位置。除拖纜和海底拖纜外，系統(tǒng)也可以用于其他設備的定位。所以，根據(jù)以上這些例證，本發(fā)明的權利要求不應該只局限于對優(yōu)選方案的描述。
權利要求
1.一種用于拖曳于船后一條或多條水下拖纜的定位系統(tǒng)，其中包括至少兩個隨船在水面移動的表面裝置，每個表面裝置包括一個GPS接收器，用于接收射頻GPS信號并確定表面裝置的位置；以及一個聲波發(fā)射器，用于將表示該表面裝置位置的聲波信號傳入水中；多個聲波接收設備，沿拖曳于船后一條或多條水下拖纜布置，每條拖纜從靠近船的頭端延伸到相對的尾端，每個聲波接收設備包括一個聲波接收器，用于接收由所述多個表面裝置所發(fā)射的聲波信息信號并通過該聲波信息信號確定該聲波接收設備的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，還包括系在其中所述一條拖纜上的一個聲波收發(fā)設備，其中包括一個聲波接收器，用于接收由所述多個表面裝置所發(fā)射的聲波信息信號并通過該聲波信息信號確定其位置；以及一個聲波發(fā)射器，用于將代表其位置的聲波信息信號發(fā)射入水中，以及其中至少一部分所述聲波接收設備中的所述聲波接收器接收來自所述聲波收發(fā)設備的聲波信息信號用于定位。
3.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，包括4個表面裝置，其中兩個所述表面裝置在船的相對兩側并靠近所述拖纜的頭端拖曳，另外兩個所述表面裝置靠近所述拖纜的尾端并隔開拖曳。
4.根據(jù)權利要求2所述的定位系統(tǒng)，具有多條拖曳于船后的拖纜，其中被拖曳的所述表面裝置分別靠近該拖纜的頭端和尾端，并且包含多個設置于最外層拖纜的頭端和中部、尾端和中部之間的聲波收發(fā)設備。
5.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，還包括一個位于所述船和所述聲波接收設備之間的通信鏈路，通過該通信鏈路，將位置信息從該聲波接收設備傳輸?shù)皆摯稀?br> 6.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，還包括一個位于所述船、所述表面裝置以及所述聲波接收設備之間的雙路通信鏈路。
7.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，至少包括三個表面裝置，并且其中每個聲波接收器接收來自三個表面裝置的聲波信息信號。
8.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中所述聲波信息信號中包括時間標記。
9.根據(jù)權利要求8所述的定位系統(tǒng)，其中所述時間標記是一個序號。
10.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，還包括一個位于所述船和所述聲波接收設備之間的通信鏈路，通過該通信鏈路，將時鐘同步信號傳送給該聲波接收設備。
11.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中所述表面裝置中的所述GPS接收器通過所述射頻GPS信號重獲GPS時間，并且其中所述表面裝置還包括一個與GPS時間同步的時鐘，該時鐘確定所述聲波信息信號的發(fā)射時間。
12.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，還包括一個與所述聲波接收設備相關的拖纜控制設備，該拖纜控制設備通過由所述聲波接收設備確定的位置來控制所述拖纜。
13.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中至少所述表面裝置之一容納在從掃雷器、尾浮標、遙控自動水面運載工具的組之中選用的海洋勘測儀器中。
14.在海洋地震勘測中，對水面船只后拖曳的水下拖纜定位的一種方法，包括將聲波接收設備間隔地設置在一條或多條拖纜上；將拖纜在水面船只之后的水下拖曳；將具有GPS接收器和聲波發(fā)射器的多個表面裝置拖曳于水面船只之后；在該表面裝置中接收GPS信號；從每個該表面裝置發(fā)射代表該表面裝置位置的聲波信息信號；在該聲波接收設備中接收該聲波信息信號，以確定該聲波接收設備的位置。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括將時鐘同步信號發(fā)送到所述聲波接收設備。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括通過在所述表面裝置中接收到的所述GPS信號重獲GPS時間，從而使所述聲波信息信號的發(fā)射與GPS時間同步。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括將具有聲波接收器和聲波發(fā)射器的聲波收發(fā)設備系連在一條或多條所述拖纜的多個位置上；接收該聲波收發(fā)設備中的所述表面裝置發(fā)射的所述聲波信息信號；從每個該聲波收發(fā)設備發(fā)射代表該聲波收發(fā)設備位置的聲波信息信號；并且在該聲波接收設備中接收由該聲波收發(fā)設備發(fā)射的該聲波信息信號，以確定該聲波接收設備的位置。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括向所述聲波接收設備和所述聲波收發(fā)設備發(fā)送一個時鐘同步信號。
19.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括通過由所述聲波接收設備所確定的位置控制所述水下拖纜的位置。
20.一種用于拖曳或拖拉于船后的一條或多條水下拖纜的定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)包括至少兩個表面裝置隨船沿水面運動，每個表面裝置包括一個GPS接收器，用于接收射頻GPS信號；以及一個聲波發(fā)射器，將用于區(qū)分該特定表面元件的編碼信號發(fā)射入水中；多個聲波接收設備，沿一條或多條拖曳于船后的水下拖纜設置在水下，每條拖纜從靠近該船的頭端延伸到相對的尾端，每個聲波接收設備包括一個聲波接收器，用于接收由該多個表面裝置發(fā)射的該編碼信號，并且確定該編碼信號的碼延遲，從而可以確定該聲波接收設備的位置。
21.根據(jù)權利要求20所述的定位系統(tǒng)，還包括一個船上的導航系統(tǒng)；一個位于該導航系統(tǒng)和所述聲波接收設備之間的通信鏈路，其中該聲波接收設備將可表示該編碼信號的碼延遲的偽距離數(shù)據(jù)傳送給該導航系統(tǒng)，以確定該聲波接收設備的位置。
22.根據(jù)權利要求21所述的定位系統(tǒng)，其中所述導航系統(tǒng)通過所述通信鏈路將時鐘同步信號傳送到所述聲波接收設備。
23.根據(jù)權利要求21所述的定位系統(tǒng)，還包括一個與每個聲波接收設備相關并貼近的拖纜控制設備，且其中所述導航系統(tǒng)通過所述通信鏈路將命令信號傳送到該拖纜控制設備，以控制所述拖纜的位置。
24.根據(jù)權利要求20所述的定位系統(tǒng)，其中每個表面裝置中的所述聲波發(fā)射器將可表示該表面裝置位置的遙測數(shù)據(jù)與所述編碼信號一起，發(fā)射給所述聲波接收設備。
25.根據(jù)權利要求20所述的定位系統(tǒng)，其中所述表面裝置中的所述GPS接收器從在該表面裝置中接收的射頻GPS信號重獲GPS時間，以使所述編碼信號的發(fā)射與GPS時間同步。
26.根據(jù)權利要求20所述的定位系統(tǒng)，其中至少所述表面裝置之一容納在從掃雷器、尾浮標、遙控自動水面運載工具的組中選出的海洋勘測儀器之中。
全文摘要
一種基于GPS的水下拖纜定位系統(tǒng)，用于海洋地震勘測中，確定勘測船拖曳的水下水聽器拖纜(A，B，C，D)的形狀和位置。該系統(tǒng)包括在船后拖曳的多個表面裝置。每個表面裝置都具有GPS接收器，接收GPS射頻信號并確定其位置。每個表面裝置還具有一個聲波發(fā)射器，將代表其位置的聲信號和可選擇的時間標記傳入水中。聲波接收設備，沿拖纜長度方向以一定間隔系連于一條或多條拖纜上，每個聲波接收設備都包括一個接收來自表面裝置的聲波信息信號并通過該信號確定其位置的聲波接收器。為增強來自遠距離表面裝置的信息信號，可以使用聲波收發(fā)設備。
文檔編號G01S5/14GK1656390SQ03811783
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月22日 優(yōu)先權日2002年5月23日
發(fā)明者戴爾·J·蘭伯特, 羅伯特·E·魯凱特, 丹尼爾·B·西爾, 克勒姆·B·吉略特 申請人:輸入/輸出公司