用于定位水下设备的设备及方法技术

一种用于定位水下设备(105，110，115，120)的系统(100)，包括：‑至少两个表面应答器(125，130，135)，包括用于接收由地理定位系统(200)发射的无线电学信号的接收器(160)；‑每个表面应答器包括：‑用于估计至少一个无线电伪距的装置(180)；‑浮子的附件(185)；以及‑用于传输表示无线电伪距的信息的装置(140)；以及‑水下声学发射器(140)；‑水下设备包括：‑用于接收表示无线电伪距的信息的装置(145)；‑声学信号接收器(145)；用于确定至少两个水下声学发射器和水下设备之间的一个或多个声学伪距的装置(150)；以及‑用于计算在以一个表面应答器为中心的地面参考系中的设备的位置的装置(155)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于定位水下设备的设备及方法
本专利技术涉及一种用于定位水下设备的设备和方法。它尤其适用于对于在海面以下的无人机或潜水员的定位。
技术介绍
确定潜水员在淡水或海水水体中的位置是一项技术挑战，因为这些环境存在对于电磁波传播的障碍。这种定位问题的后果可能是失去偏离潜水员群体或潜水员运输船的潜水员。此外，潜水员必须能够尽可能快地到达潜水点，这需要向潜水员指出该站点的位置。GPS(“全球定位系统”)的原理是已知的，其中多个卫星发射由地球上的接收器捕获的电磁信号，该接收器通过计算它与每颗卫星之间的距离来确定其在卫星参考系中的位置。由于卫星的位置也是已知的，因此可以确定接收器在地球参考系中的位置。然而，实际上，通过电离层发送卫星发射的信号导致信号失真，从而导致位置误差高达约10米。为了补偿这种影响，所谓的差分GPS系统利用基于地面的参考接收站(与接收器类似)计算到每个卫星的距离。然后将这些计算出的距离发射到接收器，接收器计算其相对于参考接收站的位置，从而克服电离层延迟的影响。因此该位置误差属于一米的数量级。在定位水下设备的领域中，已知的系统是利用配备有GPS位置传感器的多个浮标和发射由该浮标计算的位置的水下声学信号的发射器。然而，在这些系统中，每个浮标具有十米的数量级的位置误差，并且这些浮标将该误差以及由于水下信号的传输导致的附加误差一起发送给水下设备。结果致使用这些系统确定的位置的精度很低。已知的更先进的利用差分GPS工作原理的系统，其中一个浮标被认为是参考接收站。然而，这些系统需要基于空气的无线电连接浮标，以便参考浮标可以将其位置发射到其他浮标。此外，必须在过程开始之前选择参考浮标，并且表面浮标的数量使得系统的架构更加复杂。在其他现有系统中，例如美国专利US8654610中描述的那些系统：-位于水体表面的浮子根据接收到的射频信号确定位置，-该浮子连接到位于浸入水体中的刚性结构上的发射器网络，每个发射器根据共用时钟通过声音信号发射浮子的位置信息，-发射的声音信号的接收器基于每个发射器发射的位置信息确定其位置，并测量接收的每个相同信号的时移。这些系统有几个缺点：-在船上运输刚性结构减少了船上的空间；-发射位置信息涉及长信息的长期传输，因此可能不正确或无法到达接收器，-通常只有一个浮子，这导致眼界受限，降低了位置精度，-当系统包括几个浮子时，这些浮子具有对于各个浮子一米的数量级的相对位置精度，这降低了系统的整体精度。
技术实现思路
本专利技术旨在弥补这些缺点的全部或部分。为此，根据第一方面，本专利技术设想了一种用于定位水下设备的系统，其包括：-至少两个表面应答器，每个表面应答器包括由地理定位系统的信号的至少两个卫星源发射的无线电信号的接收器；-每个表面应答器包括：-用于估计表面应答器与来自地理定位系统的信号的至少两个源之间的至少一个无线电伪距的装置，-浮子的附件，浮子被配置成在特定深度处具有中性浮力，以及-用于将表示无线电伪距的信息传输到水下设备的装置；以及-与地理定位系统的时间同步的水下声学发射器，其被配置为将声学信号发射到水下设备；-水下设备包括：-用于接收表示由至少两个表面应答器发射的无线电伪距的信息的装置，-声学信号接收器，其被配置为接收由至少两个表面应答器发射的声学信号，-用于确定至少两个水下声学发射器和水下设备之间的一个或多个声学伪距的装置，以及-用于计算在以表面应答器中的一个为中心的地面参考系中的设备的位置的装置，用于计算位置的装置包括执行概率估计过程的计算单元，概率估计过程至少通过以下测量执行该估计：-表示接收装置接收的无线电伪距的信息的选择，-由确定装置确定的声学伪距的选择。由于这些布置，不需要参考浮标而且系统的架构不会由于添加表面应答器而变得更加复杂。在该系统中，应答器的位置直接在水下设备处计算，这使得可以消除由于电离层效应引起的位置误差。在一些实施例中，至少一个水下声学发射器与地理定位系统的无线电接收器的内部时钟是同步的。这些实施例使得可以在GPS的情况下再现卫星信号的多普勒效应。根据卫星的运动，多普勒效应使信号的频率随机变化。改变声源作为GPS接收器的内部时钟的函数使得可以以被认为是相同的、但是由GPS接收器的内部时钟的动态装置随机改变的频率操作定位系统。在一些实施例中，声学发射器和通信装置是同一个，声学发射器将表示无线电伪距的信息传输到水下设备。这些实施例使得可以限制用于生产该系统的装置的数量。在一些实施例中，水下设备的接收装置和接收器是同一个，接收器接收表示由至少两个表面应答器发射的无线电伪距的信息。在一些实施例中：-表面应答器的每个发射器在多个信道上声学地发射多个周期信号的线性组合，其中一个信道用于要被发射的一个伪距，每个信道是来自地理定位系统(200)的随时间变化的时钟信号或者是表示信息要被传输的无线电伪距之一，每个周期信号根据要被发射的无线电伪距无线电的值的函数进行时移，以及-声学接收器通过比较在不同声学信道上的不同声学信号的到达时间来重构表示无线电伪距的信息。这些实施例使得可以在不将该信息二值化的情况下发射伪距信息。通过调整传输参数来执行信息传输。在一些实施例中，至少一个表面应答器包括至少两个水下声学发射器。这些实施例使得系统能够使用单个应答器进行操作。在一些实施例中，本专利技术主题的系统包括用于连接至少两个水下声学发射器的结构、包括用于确定地面坐标系中的这些水下声学发射器相对于由卫星源发射的信号的接收器的位置的装置，以及执行以下操作的计算装置：-模拟无线电接收器和水下声学发射器的相同位置的理论无线电伪距的测量，以及-用于指挥每个发射器传输无线电伪距值的理论测量值的传输。这些实施例使得系统能够使用单个应答器进行操作。在一些实施例中，至少一个表面应答器包括用于确定相对于地理定位系统的位置的装置、将表示所确定的位置的信息项发射到水下设备的发射器、被配置为计算相对于地理定位系统的参考系的位置的水下设备的计算装置。在一些实施例中，本专利技术主题的系统包括至少两个水下设备。在一些实施例中，至少一个表面应答器包括通信装置，通信装置被配置为从至少一个被称为“主”水下设备处接收的一个或多个水下设备的位置，并且将表示一个或多个水下设备的位置的该信息重新发射到至少一个第二水下设备，所谓的“主”水下设备被配置为将表示至少一个水下设备的位置的信息项发射到至少一个表面应答器。在一些实施例中，至少一个表面应答器包括用于将表示所计算出的位置的信息项传输到至少第二个所谓的“主”水下设备的装置。在一些实施例中，至少一个水下设备包括用于显示至少一个水下设备的位置信息项的装置。在一些实施例中，根据本专利技术主题的系统包括位于表面之上的装置，该装置用于显示与一个或多个水下设备的位置有关的信息项。在一些实施例中，至少一个水下设备包括下列中的至少一个附加传感器：-深度传感器；-惯性测量单元；以及-磁力计，用于计算设备位置的装置，包括执行概率估计过程的计算单元，概率估计过程至少通过以下测量执行该估计：-对表示接收装置接收的无线电伪距的信息的选择，-对由确定装置确定的声学伪距的选择，以及-对来自至少一个附加传感器的测量值的选择。在一些实施例中，至少一个设备是嵌入在手链中。根据第二方面，本专利技术提出了一种用于定位水下设备的方法，其特征在于，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于定位水下设备(105，110，115，120)的系统(100)，其特征在于，所述系统(100)包括：‑至少两个表面应答器(125，130，135)，每个表面应答器包括由地理定位系统(200)的信号的至少两个卫星源(165，170，175)发射的无线电学信号的接收器(160)；‑每个表面应答器包括：‑用于估计所述表面应答器与来自所述地理定位系统的信号的至少两个源之间的至少一个无线电伪距的装置(180)，‑浮子的附件(185)，所述浮子被配置成在特定深度处具有中性浮力，以及‑用于将表示无线电伪距的信息传输到水下设备的装置(140)；以及‑与所述地理定位系统的时间同步的水下声学发射器(140)，其被配置为将声学信号发射到所述水下设备；‑所述水下设备包括：‑用于接收表示由至少两个表面应答器发射的无线电伪距的信息的装置(145)，‑声学信号接收器(145)，其被配置为接收由至少两个表面应答器发射的声学信号，‑用于确定至少两个水下声学发射器和所述水下设备之间的一个或多个声学伪距的装置(150)，以及‑用于计算在以所述表面应答器之一为中心的地面参考系中的设备的位置的装置(155)，用于计算位置的所述装置包括执行概率估计过程的计算单元，所述概率估计过程至少通过以下测量执行该估计：‑对表示接收装置接收的无线电伪距的信息的选择，‑对由确定装置确定的声学伪距的选择。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.09 FR 16553061.一种用于定位水下设备(105，110，115，120)的系统(100)，其特征在于，所述系统(100)包括：-至少两个表面应答器(125，130，135)，每个表面应答器包括由地理定位系统(200)的信号的至少两个卫星源(165，170，175)发射的无线电学信号的接收器(160)；-每个表面应答器包括：-用于估计所述表面应答器与来自所述地理定位系统的信号的至少两个源之间的至少一个无线电伪距的装置(180)，-浮子的附件(185)，所述浮子被配置成在特定深度处具有中性浮力，以及-用于将表示无线电伪距的信息传输到水下设备的装置(140)；以及-与所述地理定位系统的时间同步的水下声学发射器(140)，其被配置为将声学信号发射到所述水下设备；-所述水下设备包括：-用于接收表示由至少两个表面应答器发射的无线电伪距的信息的装置(145)，-声学信号接收器(145)，其被配置为接收由至少两个表面应答器发射的声学信号，-用于确定至少两个水下声学发射器和所述水下设备之间的一个或多个声学伪距的装置(150)，以及-用于计算在以所述表面应答器之一为中心的地面参考系中的设备的位置的装置(155)，用于计算位置的所述装置包括执行概率估计过程的计算单元，所述概率估计过程至少通过以下测量执行该估计：-对表示接收装置接收的无线电伪距的信息的选择，-对由确定装置确定的声学伪距的选择。2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，至少一个水下声学发射器(140)与所述地理定位系统(200)的无线电接收器的内部时钟是同步的。3.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中，所述声学发射器(140)和通信装置(140)是同一个，所述声学发射器将表示无线电伪距的信息传输到所述水下设备。4.根据权利要求3所述的系统(100)，其中，所述接收器(145)和所述水下设备的接收装置(145)是同一个，所述接收器接收表示由至少两个表面应答器发射的无线电伪距的信息。5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统(100)，其中：-表面应答器(125，130，135)的每个发射器(140)在多个信道上声学地发射多个周期信号的线性组合，其中一个信道用于要被发射的一个伪距，每个信道是来自地理定位系统(200)的随时间变化的时钟信号或者是表示信息要被传输的无线电伪距之一，每个周期信号根据要被发射的无线电伪距无线电的值的函数进行时移，以及-所述声学接收器(145)通过比较在不同声学信道上的不同声学信号的到达时间来重构表示无线电伪距的信息。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统(100)，其中至少一个表面应答器(125，130，135)包括至少两个水下声学发射器(140)。7.根据权利要求6中所述的系统(100)，其包括用于连接至少两个所述水下声学发射器(140)的结构(132)、包括用于确定地面坐标系中的这些水下声学发射器相对于由卫星源(165，170，175)发射的信号的接收器的位置的装置(133)的表面应答器(130)以及执行以下操作的计算装置：-模拟无线电接收器和水下声学发射器的相同位置的理论无线电伪距的测量，以及-用于指挥每个发射器传输无线电伪距值的理论测量值的传输。8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统(...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·尚齐，J·M·科多尔，
申请(专利权)人：潜艇开放技术有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR