如果你開(kāi)車不認(rèn)路，有車載GPS幫你引路；翱翔在無(wú)垠藍(lán)天，GPS就是飛機(jī)駕駛員的“眼睛”；行駛在茫茫大海里，GPS指引你回家的路。

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GPS)現(xiàn)在對(duì)于人們來(lái)說(shuō)，是再熟悉不過(guò)了。汽車、飛機(jī)、航船，只要是與定位和導(dǎo)航有關(guān)的，GPS上天入地，無(wú)處不在。但是，再?gòu)?qiáng)大的東西也有它所不能抵及的地方。由于無(wú)線電波無(wú)法穿透水下，對(duì)于廣大的海洋水下空間，衛(wèi)星定位技術(shù)卻不能直接使用。

　　然而，“十五”國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)研制”的成功，開(kāi)發(fā)出了我國(guó)第一套水下高精度導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國(guó)在此領(lǐng)域的空白，這一成果可望實(shí)現(xiàn)全球陸地、空間和海洋的一體化無(wú)縫導(dǎo)航。

　　GPS技術(shù)和聲納技術(shù)的完美結(jié)合

　　20世紀(jì)70年代，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為地球裝上了“千里眼”，它使整個(gè)地球表面以及地球的大部分外部空間實(shí)現(xiàn)了全天候定位、導(dǎo)航，廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、地形測(cè)圖、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)等諸多領(lǐng)域。

　　一旦擁有GPS，浩瀚天際任你游。但令人遺憾的是，多年來(lái)水下卻成了GPS的“盲區(qū)”。由于無(wú)線電波無(wú)法穿透水，特別是海水，所有衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)在海洋水體內(nèi)部“失靈”。因此，衛(wèi)星定位系統(tǒng)不能直接滿足江河、湖泊、海洋等水下導(dǎo)航和定位的需求。

　　“盡管無(wú)線電波不能夠在海水中傳播，但是，聲音信號(hào)在海水中確有很好的傳播特性。通過(guò)水聲信號(hào)在水中的傳播，可以實(shí)現(xiàn)水下定位、導(dǎo)航、探測(cè)等?！表?xiàng)目組副組長(zhǎng)、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院副院長(zhǎng)程鵬飛說(shuō)，將GPS技術(shù)和聲納技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)適用于廣大的海洋內(nèi)部空間的導(dǎo)航、定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全球陸地、空間和海洋的一體化無(wú)縫導(dǎo)航。

　　自15世紀(jì)意大利藝術(shù)家、科學(xué)家達(dá)芬奇利用聲管聽(tīng)到水中的聲音以來(lái)，聲納技術(shù)發(fā)展至今已有500多年的歷史?！霸缙诘穆暭{接收機(jī)功能比較簡(jiǎn)單，只是把應(yīng)用于雷達(dá)和無(wú)線電通訊信號(hào)處理技術(shù)移植到聲納系統(tǒng)中，因此并沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的作用?！背贴i飛說(shuō)，近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，聲納技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)展。

　　但是，把GPS技術(shù)和聲納技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這在國(guó)內(nèi)還是頭一回?！皣?guó)外有幾個(gè)國(guó)家有這方面的研究，但實(shí)行技術(shù)封鎖，我們沒(méi)有資料可以參考和借鑒?！?

　　為攻克這樣一個(gè)全新而又極其重要的交叉學(xué)科領(lǐng)域，2002年中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院與中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所共同承擔(dān)了“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)”的研制開(kāi)發(fā)。

　　中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院的優(yōu)勢(shì)在大地測(cè)量，而中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所的優(yōu)勢(shì)是水聲工程，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，集成創(chuàng)新為項(xiàng)目的成功研制奠定了基礎(chǔ)。

　　2004年，水下GPS系統(tǒng)經(jīng)在浙江省千島湖進(jìn)行的試驗(yàn)表明，對(duì)于水深45米左右的水域，系統(tǒng)的水下定位精度為5厘米，測(cè)深精度為30厘米，水下授時(shí)精度為0.2毫秒，且測(cè)量誤差不隨時(shí)間累積。

　　這是繼美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)之后，我國(guó)科學(xué)家自主研制開(kāi)發(fā)的精度好、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的水下GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)水下高精度定位技術(shù)的壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)在水下高精度定位導(dǎo)航和水下工程測(cè)量領(lǐng)域的空白。正因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)創(chuàng)意義，被兩院院士評(píng)為“2004年全國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。

　　質(zhì)量控制是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵

　　水下GPS系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)和水下聲學(xué)系統(tǒng)的集成，主要由差分GPS基準(zhǔn)站、水下收發(fā)機(jī)、GPS浮標(biāo)和船基控制中心等四部分組成。

　　“該系統(tǒng)可以將水面浮標(biāo)看成是GPS衛(wèi)星，水聲信號(hào)看成是GPS無(wú)線電信號(hào)，水下目標(biāo)看成GPS接收機(jī)，水下目標(biāo)在水中可以任意移動(dòng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位。同時(shí)，系統(tǒng)各部分采用無(wú)線連接。水中通過(guò)水聲信號(hào)，水面采用無(wú)線電信號(hào)，所以該系統(tǒng)稱為水下GPS系統(tǒng)。”

　　程鵬飛介紹說(shuō)，當(dāng)水上用戶需要跟蹤水下目標(biāo)時(shí)，就從數(shù)據(jù)控制中心的監(jiān)控界面向水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)(安裝在水下目標(biāo)上)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)激活后向GPS浮標(biāo)發(fā)射定位信號(hào)，GPS浮標(biāo)將水聲定位信號(hào)、浮標(biāo)姿態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、GPS信號(hào)等信息進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送到數(shù)據(jù)控制中心。數(shù)據(jù)控制中心將GPS基準(zhǔn)站差分信號(hào)與以上信息融合處理后計(jì)算出水下目標(biāo)的位置，并動(dòng)態(tài)顯示水下目標(biāo)在大地測(cè)量坐標(biāo)系中的位置。

　　同樣道理，當(dāng)水下目標(biāo)需要導(dǎo)航時(shí)，水下用戶通過(guò)用戶接口激活安裝在水下目標(biāo)上的水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)，向GPS浮標(biāo)發(fā)射定位信號(hào)，同時(shí)向數(shù)據(jù)控制中心發(fā)射導(dǎo)航請(qǐng)求信號(hào)。數(shù)據(jù)控制中心將信息融合處理后計(jì)算出水下目標(biāo)的位置，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射到水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)。

　　該系統(tǒng)不僅可以從水上(海面、沿岸陸地或飛機(jī)上)對(duì)水下目標(biāo)跟蹤監(jiān)視和動(dòng)態(tài)定位，還實(shí)現(xiàn)了水下設(shè)備導(dǎo)航、水下目標(biāo)瞬時(shí)水深監(jiān)測(cè)、水下授時(shí)、水下工程測(cè)量控制和施工放樣等功能。

　　水下GPS系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合大地測(cè)量、水聲工程、無(wú)線電、海洋設(shè)備與機(jī)械工程和海洋物理等多學(xué)科復(fù)雜的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)研制過(guò)程的質(zhì)量控制是成功開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　為此，項(xiàng)目組以系統(tǒng)工程為指導(dǎo)，形成水下GPS系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)研制全部過(guò)程的量化質(zhì)量控制體系。在研制過(guò)程中，項(xiàng)目組始終關(guān)注著關(guān)鍵技術(shù)的研制開(kāi)發(fā)、子系統(tǒng)接口與集成、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與集成的質(zhì)量，從而保證了水下GPS系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)按照事先設(shè)計(jì)的總體方案順利進(jìn)行，并突破了多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)。如自主研制加工的信號(hào)處理板、控制板累積48塊，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試與局部試驗(yàn)30多項(xiàng)，在研制過(guò)程中幾乎沒(méi)有出現(xiàn)較大工作量的返工，特別是系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)工作基本一次到位，湖上試驗(yàn)也一次獲得初步成功。

　　“差分方法”居世界領(lǐng)先

　　物體的定位包括空間和時(shí)間精度，系統(tǒng)時(shí)鐘同步技術(shù)成為進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　GPS浮標(biāo)是水下定位系統(tǒng)的核心部分。浮標(biāo)本身要有精確的定位，因?yàn)樗撬履繕?biāo)定位的“參照物”。但是，與陸地標(biāo)志不同，水面浮標(biāo)隨時(shí)漂移，如何實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)定位是項(xiàng)目組面臨的難題。

　　“國(guó)外水下GPS系統(tǒng)采用的是高精度時(shí)間基準(zhǔn)，又稱原子鐘。但我們認(rèn)為，原子鐘不僅體積大、造價(jià)高，而且難以消除誤差累積?！背贴i飛說(shuō)，項(xiàng)目組采用“差分方法”巧妙地解決了這個(gè)難題。

　　系統(tǒng)的水面浮標(biāo)一般有4個(gè)。水下目標(biāo)發(fā)射定位信號(hào)，水面各個(gè)浮標(biāo)接收同一水下信號(hào)的時(shí)間不同?！袄眠@一現(xiàn)象，就像求解方程式一樣，求解出浮標(biāo)的時(shí)間基準(zhǔn)。”程鵬飛說(shuō)，該項(xiàng)目由此被稱為“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)”。

　　專家認(rèn)為，我國(guó)自主研制開(kāi)發(fā)的水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，沒(méi)有國(guó)外水下GPS系統(tǒng)必需的高精度原子鐘，也能達(dá)到較好的精度。因此，不論在測(cè)量精度、水下自動(dòng)化程度，還是在應(yīng)用范圍等方面都優(yōu)于國(guó)外的水下GPS系統(tǒng)，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　據(jù)介紹，在解決100米淺海的單目標(biāo)精密定位關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，“十一五”期間項(xiàng)目組繼續(xù)開(kāi)展深入研究，正在積極攻關(guān)淺海多目標(biāo)精密水下跟蹤和定位以及2000米水深的精密水下定位關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

　　“多個(gè)目標(biāo)的深水精密定位技術(shù)一旦突破，水下GPS系統(tǒng)在海洋監(jiān)測(cè)、水下工程、國(guó)家安全等方面發(fā)揮的作用將會(huì)更大?！背贴i飛如是表示。

　　-項(xiàng)目備忘

　　水下GPS系統(tǒng)的四部分構(gòu)成：

　　差分GPS基準(zhǔn)站提供GPS差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)GPS浮標(biāo)精密定位。GPS工作模式根據(jù)不同應(yīng)用需求可以適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于精密水下工程測(cè)量需要設(shè)立GPS差分基準(zhǔn)站，通過(guò)GPS-RTK工作模式提供實(shí)時(shí)高精度的空間坐標(biāo)基準(zhǔn)。對(duì)于水下跟蹤、導(dǎo)航應(yīng)用，可以不要GPS差分基準(zhǔn)站，通過(guò)浮標(biāo)GPS的單點(diǎn)定位提供的空間坐標(biāo)即可以實(shí)現(xiàn)水下米級(jí)定位。

　　GPS浮標(biāo)是水下定位系統(tǒng)的核心部分，主要功能包括浮標(biāo)空間坐標(biāo)測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、超短基線改正、水聲信號(hào)檢測(cè)、水聲延時(shí)測(cè)量、無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。GPS浮標(biāo)檢測(cè)到水聲定位信號(hào)后，對(duì)水聲定位信號(hào)進(jìn)行延時(shí)測(cè)量，得到水聲信號(hào)到達(dá)浮標(biāo)的時(shí)間。同時(shí)通過(guò)超短基線測(cè)量裝置測(cè)量當(dāng)前水聽(tīng)器的偏移校正參數(shù)。另外通過(guò)數(shù)字羅盤(pán)實(shí)時(shí)測(cè)量浮標(biāo)在水面的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

　　水下收發(fā)機(jī)主要功能實(shí)現(xiàn)水聲定位信號(hào)的產(chǎn)生、接收船基控制中心計(jì)算結(jié)果、接口控制等。船基中心通過(guò)通訊換能器發(fā)送啟動(dòng)命令，水下收發(fā)機(jī)接收命令后啟動(dòng)定位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期性定位信號(hào)。啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行定位工作。同時(shí)水下收發(fā)機(jī)還可以采集水下壓力數(shù)據(jù)、水下溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)寬帶水聲通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送到船基控制中心。

　　船基控制中心主要功能接收各枚浮標(biāo)的數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、求解水下收發(fā)機(jī)的空間位置、監(jiān)視浮標(biāo)的工作狀態(tài)、建設(shè)水下收發(fā)機(jī)的工作狀態(tài)、與水下收發(fā)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊等。主要設(shè)備包括多通道浮標(biāo)接收機(jī)、水下通訊接收機(jī)、通訊換能器、處理工作站等。