[发明专利]水下定位系统

说明书

一种水下定位系统(1)提供漫游器(2)的位置信息，该系统可在参考系内移动。该系统可以包括：具有光源(30)的至少一个信标(4)，位于参考系的固定位置；水下成像设备(10)，能在参考系中与漫游器一起移动以从不同的视点观察光源并且确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；方位传感器(14)，与成像设备相关联以确定成像设备相对于参考系的方位并生成方位数据；以及定标元件(12、28、111、113、115、330a‑c)，用于提供表示成像设备与光源之间的距离的定标数据。可以提供各种不同的信标。在可替换系统实现方式中，光源和水下成像设备的位置在漫游器与信标之间是颠倒的。

技术领域

本发明涉及一种用于在水下的环境中进行定位的方法和系统并且更具体地涉及用于这种用途的信标的系统。本发明还涉及用于确定两个对象的相对位置和方向的海底计量系统。

背景技术

在水下作业期间，常常需要准确识别对象在绝对方面或相对于另一对象的位置和/或方向。这种对象可以包括输油管线和凸缘、工程结构、地质构造、救助项目等等。目前，使用遥控潜水器(ROV)在该背景下进行大量工作。然而，将理解类似的问题适用于人类潜水员、载人潜水设备以及无人自治潜水器(AUV)的情况并且本发明同样可适用于所有的水下漫游器。

通常，对于漫游器，由于卫星定位系统在水下是无效的，因此在全局参考系中精确的水下绝对定位是困难的。使用陀螺仪和加速计的无助惯性导航系统(INS)可提供可靠的粗定位但却遭受漂移。为了计量的目的，在从第一对象行进到第二对象所需的时间段，这种系统不能可靠地实现所需的厘米级相对精度，且不会进行附加测量。声学定位系统在水下有效的，但具有取决于系统的类型和水深的缺点：

对于安装在水面舰船上的USBL(超短基线)系统，漫游器的定位精度随着水深升高而降低；

海床上的应答器的LBL(长基线)阵列是昂贵的并且还需要阵列昂贵的部署及校正；

声学DVL(多普勒速度计程仪)辅助的INS定位提高INS准确度但将会表现出漂移；

来自ROV或其他传感器的声学噪声和多径效应会影响声学定位系统的准确度和可靠性。

相对定位也是困难的，例如，在相对定位中希望确定第一对象相对于第二对象的位置。如果光学能见度是使得两个对象均从漫游器的给定位置可见，则可以对相应对象执行光学或激光测距寻找。然而，与在空中或自由空间中的传播相比，水下光传播严重受限并且只有绿光到蓝光可在没有衰减到超出实际应用的情况下传播显著距离(10米到100米)。在大部分情况下，两个对象不会从相同位置充分可见并且将漫游器从第一位置转移到第二位置需要了解相关位移。由于这两个观察不是同时的，还必须考虑相应观察时间。

水下计量的一种方法使用安装在ROV上的照相机从不同位置拍摄照片序列。通过使用三角测量的原理合成照片，能够确定调查对象的相对位置。该程序在摄影测量法中是已知的并需要相对良好能见度和显著的处理能力。当场景暗时，需要ROV上的光源。由于背散射，这进而进一步降低了能见度。可以在调查对象上提供记号以便提高精度并且比例尺用于提供基线测量。文档GB2257250描述了水下测量的摄影测量法的使用。在WO2011143622中描述了另一种设备，该设备捕获水下的全景图像。

期望提供一种可替换系统和提供附加位置数据的方法，特别是作为现有系统的附加冗余度。进一步期望提供一种甚至在降低的能见度状况下能够操作并有效使用处理器性能的系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于提供能在参考系内移动的漫游器的位置信息的水下定位系统，该系统包括：具有光源的至少一个信标，位于参考系内的固定位置；水下成像设备，能在参考系中与漫游器一起移动以从不同的视点观察光源并且确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；方位传感器，与成像设备相关联以确定成像设备相对于参考系的方位并生成方位数据；以及定标元件，用于提供表示成像设备与光源之间的距离的定标数据。