如果你開車不認路，有車載GPS幫你引路；翱翔在無垠藍天，GPS就是飛機駕駛員的“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)(簡稱GPS)現(xiàn)在對于人們來說，是再熟悉不過了。汽車、飛機、航船，只要是與定位和導航有關的，GPS上天入地，無處不在。但是，再強大的東西也有它所不能抵及的地方。由于無線電波無法穿透水下，對于廣大的海洋水下空間，衛(wèi)星定位技術卻不能直接使用。

　　然而，“十五”國家863計劃項目“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)研制”的成功，開發(fā)出了我國第一套水下高精度導航和定位系統(tǒng)，填補了我國在此領域的空白，這一成果可望實現(xiàn)全球陸地、空間和海洋的一體化無縫導航。

　　GPS技術和聲納技術的完美結(jié)合

　　20世紀70年代，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的開發(fā)為地球裝上了“千里眼”，它使整個地球表面以及地球的大部分外部空間實現(xiàn)了全天候定位、導航，廣泛應用在交通運輸、地形測圖、精準農(nóng)業(yè)、防災減災等諸多領域。

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

　　“盡管無線電波不能夠在海水中傳播，但是，聲音信號在海水中確有很好的傳播特性。通過水聲信號在水中的傳播，可以實現(xiàn)水下定位、導航、探測等。”項目組副組長、中國測繪科學研究院副院長程鵬飛說，將GPS技術和聲納技術結(jié)合起來，開發(fā)適用于廣大的海洋內(nèi)部空間的導航、定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全球陸地、空間和海洋的一體化無縫導航。

　　自15世紀意大利藝術家、科學家達芬奇利用聲管聽到水中的聲音以來，聲納技術發(fā)展至今已有500多年的歷史?！霸缙诘穆暭{接收機功能比較簡單，只是把應用于雷達和無線電通訊信號處理技術移植到聲納系統(tǒng)中，因此并沒有發(fā)揮其應有的作用?！背贴i飛說，近年來，隨著微電子技術、信號處理技術的發(fā)展，聲納技術有了長足進展。

　　但是，把GPS技術和聲納技術結(jié)合起來，這在國內(nèi)還是頭一回。“國外有幾個國家有這方面的研究，但實行技術封鎖，我們沒有資料可以參考和借鑒?！?

　　為攻克這樣一個全新而又極其重要的交叉學科領域，2002年中國測繪科學研究院與中國船舶重工集團公司第七一五研究所共同承擔了“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)”的研制開發(fā)。

　　中國測繪科學研究院的優(yōu)勢在大地測量，而中國船舶重工集團公司第七一五研究所的優(yōu)勢是水聲工程，強強聯(lián)合，集成創(chuàng)新為項目的成功研制奠定了基礎。

　　2004年，水下GPS系統(tǒng)經(jīng)在浙江省千島湖進行的試驗表明，對于水深45米左右的水域，系統(tǒng)的水下定位精度為5厘米，測深精度為30厘米，水下授時精度為0.2毫秒，且測量誤差不隨時間累積。

　　這是繼美國、德國和法國之后，我國科學家自主研制開發(fā)的精度好、功能強、自動化程度高的水下GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制，打破了發(fā)達國家對水下高精度定位技術的壟斷，填補了我國在水下高精度定位導航和水下工程測量領域的空白。正因為這個項目的開創(chuàng)意義，被兩院院士評為“2004年全國十大科技進展新聞”。

　　質(zhì)量控制是系統(tǒng)開發(fā)關鍵

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

　　“該系統(tǒng)可以將水面浮標看成是GPS衛(wèi)星，水聲信號看成是GPS無線電信號，水下目標看成GPS接收機，水下目標在水中可以任意移動，系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)定位。同時，系統(tǒng)各部分采用無線連接。水中通過水聲信號，水面采用無線電信號，所以該系統(tǒng)稱為水下GPS系統(tǒng)?！?

　　程鵬飛介紹說，當水上用戶需要跟蹤水下目標時，就從數(shù)據(jù)控制中心的監(jiān)控界面向水下導航收發(fā)機(安裝在水下目標上)發(fā)送定位請求信號，水下導航收發(fā)機激活后向GPS浮標發(fā)射定位信號，GPS浮標將水聲定位信號、浮標姿態(tài)校準數(shù)據(jù)、GPS信號等信息進行調(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基準站差分信號與以上信息融合處理后計算出水下目標的位置，并動態(tài)顯示水下目標在大地測量坐標系中的位置。

　　同樣道理，當水下目標需要導航時，水下用戶通過用戶接口激活安裝在水下目標上的水下導航收發(fā)機，向GPS浮標發(fā)射定位信號，同時向數(shù)據(jù)控制中心發(fā)射導航請求信號。數(shù)據(jù)控制中心將信息融合處理后計算出水下目標的位置，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射到水下導航收發(fā)機。

　　該系統(tǒng)不僅可以從水上(海面、沿岸陸地或飛機上)對水下目標跟蹤監(jiān)視和動態(tài)定位，還實現(xiàn)了水下設備導航、水下目標瞬時水深監(jiān)測、水下授時、水下工程測量控制和施工放樣等功能。

　　水下GPS系統(tǒng)是一項綜合大地測量、水聲工程、無線電、海洋設備與機械工程和海洋物理等多學科復雜的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)研制過程的質(zhì)量控制是成功開發(fā)系統(tǒng)的關鍵。

　　為此，項目組以系統(tǒng)工程為指導，形成水下GPS系統(tǒng)的技術指標體系，并在此基礎上，建立了系統(tǒng)研制全部過程的量化質(zhì)量控制體系。在研制過程中，項目組始終關注著關鍵技術的研制開發(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)的研制開發(fā)按照事先設計的總體方案順利進行，并突破了多項技術難關。如自主研制加工的信號處理板、控制板累積48塊，進行關鍵技術測試與局部試驗30多項，在研制過程中幾乎沒有出現(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，湖上試驗也一次獲得初步成功。

　　“差分方法”居世界領先

　　物體的定位包括空間和時間精度，系統(tǒng)時鐘同步技術成為進行系統(tǒng)設計的關鍵。

　　GPS浮標是水下定位系統(tǒng)的核心部分。浮標本身要有精確的定位，因為它是水下目標定位的“參照物”。但是，與陸地標志不同，水面浮標隨時漂移，如何實現(xiàn)高精度的動態(tài)定位是項目組面臨的難題。

　　“國外水下GPS系統(tǒng)采用的是高精度時間基準，又稱原子鐘。但我們認為，原子鐘不僅體積大、造價高，而且難以消除誤差累積?！背贴i飛說，項目組采用“差分方法”巧妙地解決了這個難題。

　　系統(tǒng)的水面浮標一般有4個。水下目標發(fā)射定位信號，水面各個浮標接收同一水下信號的時間不同。“利用這一現(xiàn)象，就像求解方程式一樣，求解出浮標的時間基準。”程鵬飛說，該項目由此被稱為“差分GPS水下立體定位系統(tǒng)”。

　　專家認為，我國自主研制開發(fā)的水下GPS高精度定位導航系統(tǒng)，沒有國外水下GPS系統(tǒng)必需的高精度原子鐘，也能達到較好的精度。因此，不論在測量精度、水下自動化程度，還是在應用范圍等方面都優(yōu)于國外的水下GPS系統(tǒng)，研究成果達到國際領先水平。

　　據(jù)介紹，在解決100米淺海的單目標精密定位關鍵技術問題的基礎上，“十一五”期間項目組繼續(xù)開展深入研究，正在積極攻關淺海多目標精密水下跟蹤和定位以及2000米水深的精密水下定位關鍵技術問題。

　　“多個目標的深水精密定位技術一旦突破，水下GPS系統(tǒng)在海洋監(jiān)測、水下工程、國家安全等方面發(fā)揮的作用將會更大?！背贴i飛如是表示。

　　-項目備忘

　　水下GPS系統(tǒng)的四部分構(gòu)成：

　　差分GPS基準站提供GPS差分信號，實現(xiàn)GPS浮標精密定位。GPS工作模式根據(jù)不同應用需求可以適當調(diào)整。對于精密水下工程測量需要設立GPS差分基準站，通過GPS-RTK工作模式提供實時高精度的空間坐標基準。對于水下跟蹤、導航應用，可以不要GPS差分基準站，通過浮標GPS的單點定位提供的空間坐標即可以實現(xiàn)水下米級定位。

　　GPS浮標是水下定位系統(tǒng)的核心部分，主要功能包括浮標空間坐標測量、姿態(tài)測量、超短基線改正、水聲信號檢測、水聲延時測量、無線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。GPS浮標檢測到水聲定位信號后，對水聲定位信號進行延時測量，得到水聲信號到達浮標的時間。同時通過超短基線測量裝置測量當前水聽器的偏移校正參數(shù)。另外通過數(shù)字羅盤實時測量浮標在水面的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

　　水下收發(fā)機主要功能實現(xiàn)水聲定位信號的產(chǎn)生、接收船基控制中心計算結(jié)果、接口控制等。船基中心通過通訊換能器發(fā)送啟動命令，水下收發(fā)機接收命令后啟動定位信號發(fā)生器產(chǎn)生周期性定位信號。啟動系統(tǒng)進行定位工作。同時水下收發(fā)機還可以采集水下壓力數(shù)據(jù)、水下溫度數(shù)據(jù)，并通過寬帶水聲通訊將數(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)機的空間位置、監(jiān)視浮標的工作狀態(tài)、建設水下收發(fā)機的工作狀態(tài)、與水下收發(fā)機進行數(shù)據(jù)傳輸和通訊等。主要設備包括多通道浮標接收機、水下通訊接收機、通訊換能器、處理工作站等。