本发明属于水下勘探和监听设备领域，特别涉及一种水下无源基点的定位装置和方法。
背景技术：
水下定位与导航在很多领域都得到了广泛应用。然而，水面的地理位置可以通过gps定位轻易获取，但由于受到条件限制，水下位置的标定不能采用gps无线电信号定位。
地面设备接受gps无线电信号，包含了gps信号发送卫星的地理位置信息和时间信息(多个卫星的时间是定期受控同步的)，地面设备通过接受多个卫星的信息，迭代解算出自己的位置。为了实现这个目的，有两个条件：1、信号中包含了信息发送地点的位置信息和时间信息；2、接受设备具备较快的计算能力。
然而，水下的设备和水面设备相比，通信速率会低很多，通信载体的频率也低很多很多，在这么低频的通信载体中，精确同步时间信息很困难；而且为水下设备保障电源也比较难，尤其是水下有源设备的长期无故障工作也较难保障。
技术实现要素：
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种水下无源基点的定位装置和方法。
技术方案：本发明提供的一种水下无源基点的定位装置，包括水下无源传感器，水上数据采集装置，水上声源发生器；所述水下无源传感器和水上数据采集装置通过光纤连接；所述水上声源发生器与水上数据采集装置连接；水上声源发生器上设有gps定位装置。
作为改进，所述水上声源发生器的数量为1个或3个。
本发明还提供了一种水下无源基点的定位方法，采用上述水下无源基点的定位装置，包括以下步骤：
(1)水上声源发生器发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置：当水上声源发生器为一个时，一个水上声源发生器在三个不同位置发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置；当水上声源发生器为三个时，三个水上声源发生器分别独立地在不同位置发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置；将三个位置接受到的三组时间和地理位置信息分别记为：t1、g1，t2、g2，t3、g3；
(2)水上数据采集装置采集水下无源传感器检测到声音信号的时间，将检测到三个不同信号的时间分别记为：t1’，t2，t3’；
(3)利用水上数据采集装置采集到的三组时间差，计算得到水下无源传感器和水上声源发生器之间的距离，分别记为l1，l2，l3；以g1为球心、l1为半径画球面，以g2为球心、l2为半径画球面，以g3为球心、l3为半径画球面，3个球面交叉的位置即为水下无源传感器所在的地理位置。
有益效果：本发明提供的水下无源基点的定位装置结构简单、成本低廉、实现方便，该方法简便、成本低廉、测定速度快、准确性高、后期维护简便，可实现同时标定大批量水下地点的地理位置信息。
为了在水下一个固定位作业，申请人首先想到在水下固定位置放置一个水下设备信号源(声音信号)，然后通过不同位置的水面设备对于该信号接受后处理，定位水面设备位置相对于水下设备的相对位置；如果，需要知道这个水下固定位置的地理位置数据，通过水面设备位置的gps信息和相对位置，推算出这个位置的地理位置数据；如果，需要知道某个水域水下多个地点的地理位置信息，为了避免干扰，需要在这些地点放置一个信号应答器(信号源)，通过水面设备发送指令，不同地点的应答器应答，然后结合gps信息和相对位置，推算出这些位置的地理位置数据。然而，现有这种方法仍然需要保障电源，特别对于大批量的地理位置信息监测难以实现。
因此，申请人进一步改进了技术，采用水下无源传感器(比如光纤声波传感器)和水面采集系统组合，将水下设备的计算能力移到水面采集系统中实现，水下传感器就不需要电源，从而实现生命周期内免维护。另外，水面信号源的地理位置信息也可以通过地面上的通信方式发送给水面采集系统，从而解决了地理位置信息在水中传递的问题。
该方法和装置可实现同时快速、准确的标定水下某个地域内大量地点的地理位置信息。例如，海底物探、水下侦听等领域中水下传感器本身地理位置信息的标定，只有这些传感器本身的地理位置信息标定准确了，他们所探测到的数据才能够提供准确的对象位置。
附图说明
图1为本发明水下无源基点的定位装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明水下无源基点的定位装置作出进一步说明。
声音在不同物质中的传播速度：
传播速度取决于海水的温度、压力和盐度；
声速随着压强的增大而非线性增大；
海水温度每高1℃，声波传播速度约增加4.5米/秒；
盐度每增加1‰，音速加快1.30米/秒。
在深海中，温度的垂直变化趋于平缓，声速随着压强的增大而增大。
水下无源基点的定位装置，见图1，包括水下无源传感器1，水上数据采集装置2，水上声源发生器3；水下无源传感器1和水上数据采集装置2通过光纤4连接；水上声源发生器3与水上数据采集装置2连接；水上声源发生器3上设有gps定位装置。
水上声源发生器3的数量为1个或3个。
水下无源基点的定位方法，采用上述水下无源基点的定位装置，包括以下步骤：
(1)水上声源发生器3发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2：当水上声源发生器3为一个时，一个水上声源发生器3在三个不同位置发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2；当水上声源发生器3为三个时，三个水上声源发生器3分别独立地在不同位置发出特定的声音信号，同时通过gps定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2；将三个位置接受到的三组时间和地理位置信息分别记为：t1、g1，t2、g2，t3、g3；
(2)水上数据采集装置2采集水下无源传感器1检测到声音信号的时间，将检测到三个不同信号的时间分别记为：t1’，t2，t3’；
(3)利用水上数据采集装置2采集到的三组时间差，结合声音在介质中的传播速度，计算得到水下无源传感器1和水上声源发生器3之间的距离，分别记为l1，l2，l3；以g1为球心、l1为半径画球面，以g2为球心、l2为半径画球面，以g3为球心、l3为半径画球面，3个球面交叉的位置即为水下无源传感器1所在的地理位置。
发明计算过程：
3个不同位置的水上声源发生器发出声音时候的时间分别是t1,t2,t3；
假设3个位置都是在海拔高度为0的水平面，则高度为0，位置分别是(x1y10)、(x2y20)、(x3y30)；
水上数据采集装置采集到水下无源传感器检测到3个不同位置声源信息的时间分别是t1、t2、t3；
假设水下基点无源传感器位置是(xyz)
声音在4℃海水中的速度按照1500m/s计算。
则，
l1＝1500*(t1-t1)
l2＝1500*(t2-t2)
l3＝1500*(t3-t3)
有方程组：
[
(x-x1)2+(y-y1)2+z2＝l12---①
(x-x2)2+(y-y2)2+z2＝l22---②
(x-x3)2+(y-y3)2+z2＝l32---③
]
该方程组中有3个未知数，3个方程，故可解出结果，定位(xyz)。
下面以一个实例具体说明一下本发明方法。
水上声源发生器3个不同位置是:
g1:n35°16′00"00,e123°30′00"00，0
g2:n35°17′00"00,e123°32′00"00，0
g3:n35°18′00"00,e123°31′00"00，0
发出声音时候的时间分别是：
t1：2017/08/0108:30:01123ms
t2：2017/08/0108:40:01100ms
t3：2017/08/0108:50:01200ms
水下无源传感器检测到3个不同位置声源信息的时间分别是:
t1：2017/08/0108:30:02578ms
t2：2017/08/0108:40:03302ms
t3：2017/08/0108:50:01769ms
声音在4℃海水中的速度是1500m/s，可知：
l1＝2182.7米；l2＝3303.1米；l3＝2354.2米；
通过解方程，可得到两个解：
显然，水下无源传感器的高度低于海平面，故而得到唯一结果：
水下无源传感器位于：n35°17′10"00,e123°29′50"00，高度水面下-217米。与实际对比，结果准确。