CN103823205B - 一种水下定位导航系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下定位导航系统和方法，所述系统由至少4个基站和至少一个水下定位导航接收机组成。基站之间需要时间同步，基站布置在水面、水中或水底。基站的位置固定或者移动均可。基站向水中广播导航信号。用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用。水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，通过接收基站的导航信号，解算出自身位置并实现与基站时间同步。系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。本发明可以用于水下勘探、水下施工、水下安防、水下导航等领域。

Description

一种水下定位导航系统和方法

技术领域

本发明涉及水下定位导航领域，尤其涉及水下目标隐蔽情况下的定位导航以及时间同步技术。

背景技术

水下导航定位导航技术在海洋监测、海洋勘探、海洋维权、水下考古、水下施工、水下安保及军事等领域有非常重要的应用价值。基于声学的水下定位导航系统按照水声信号的传播路径，主要分为两类：双程模式和单程模式。

双程模式又称作应答模式，需要水下定位设备配置收发应答器。基站和应答器之间双向收发水声信号实现定位。传统的长基线、短基线和超短基线定位系统大都是双程模式。双程模式的优点是水下应答器和基站之间不需要时间同步。缺点是：1.水下应答器需要向外界发射声波信号，增加了功耗，隐蔽性差。2.由于需要双向收发信号，水下应答器的数目受制与基站的处理能力，不能无限增加。

单程模式又称非应答模式。基站和水下定位设备之间单向传送信号即可实现定位。目前单程定位系统都是水下信标向基站发送信号，基站根据接收到信号的特征解算出水下信标的位置。这种模式下，水下信标的数目也受制于基站处理能力。

目前的单程和双程模式，其信标的位置解算都是在基站或者船基、岸基完成。信标不能直接获得自身位置。如果水下设备（如水下潜航器）需要根据自身位置实现自主航行，则需要通过额外的通信链路，将位置信息从基站发送给水下设备。

经检索，中国专利申请号CN200310118440的发明专利公开了一种水下GPS定位导航方法和系统，可以实现水下目标定位导航与授时。该方法有以下局限性：1.系统所需部件庞大，需要至少5个浮标（基站），数据中心、海面无线通信链路，水下无线通信链路。2.水下导航接收机与基站需要双向通信。水下定位导航接收机需要向外发射水声信号，功耗大且不利于隐蔽。3.水下定位导航接收机数量不能无限增加。4.水下导航接收机无法直接获得自身位置。数据中心解算出位置之后，通过水声通信链路发送给水下定位导航接收机。增加了定位所需的时间，降低了可靠性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种水下定位导航系统和方法，实现基于扩频通讯广播模式的单程水下定位导航。

根据本发明的一个方面，提供一种水下定位导航系统，该系统由至少4个基站和至少一个水下定位导航接收机组成，其中：

所述基站之间时间同步，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用；

所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的基站信号，解算出自身位置，并实现与基站时间同步。系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。

优选地，所述基站布置在水面、水中或水底。基站的位置固定或者移动均可。

优选地，所述基站的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的0和1，导航信号包含测距码、导航电文信息：

所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P。每个基站对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i，不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足

根据测距码P_i即可确定其对应的基站S_i；

所述导航电文包含基站时间，基站位置信息，导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍。

根据本发明的第二方面，提供一种水下定位导航方法，该方法包含：基站发射导航信号、水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算；

所述基站发射导航信号，具体如下：

①生成导航电文，记为D_i，导航电文由同步帧和信息帧组成，同步帧是一组固定的二进制数据，记为T；信息帧包含了基站时间和基站位置坐标；

②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为K_i，K_i＝D_i×P_i；

③利用扩频后的信号K_i，对载波进行调制，所有基站时间同步，可以实现载波同步，即所有基站的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为X_i，X_i＝C×K_i＝C×D_i×P_i；

④将导航信号X_i通过基站的水声换能器发射到水中；

所述水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算，具体如下：

定位导航接收机在水下，其坐标为R_ci＝(x,y,z)，与基站之间的距离为开始的时候，接收机的时间（记为t），与基站时间t₀不同步，其时间差为Δt＝t₀-t。接收到基站发射的导航信号，记为Y。系统中有多个基站，接收到的信号Y包含了多个基站发射的信号，然后进行定位导航解算。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过以上方法，水下定位导航接收机获得了自身相对于基站的位置坐标，并得了与基站的时间差，实现了时间同步。水下定位导航接收机不需要向外发射信号。水下定位导航接收机数量不受限制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例的系统原理框图。

图2是本发明一实施例的系统架构图。

图3是本发明一实施例中基站的原理框图。

图4是本发明一实施例中水下定位导航接收机的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明一实施例的定位导航系统框图，由4个基站11、12、13、14和1个水下定位导航接收机15组成。基站记为S_i，其中i＝1,2,…,m。其中，m为基站数量，m≥4。下文中，i,m含义相同。基站的位置坐标分别S_ci＝(x_i,y_i,z_i)。基站布置在水面、水中或者水底。基站之间的时钟同步，记为t₀。基站以声波的形式向水中广播发射导航信号。导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的0和1。

导航信号包含以下信息。

①测距码。测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P。每个基站对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i。不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足

根据测距码P_i即可确定其对应的基站S_i。

2导航电文。导航电文包含基站时间，基站位置信息。导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍。

基站发射导航信号的方式如下：

①生成导航电文。记为D_i。导航电文由同步帧和信息帧组成。同步帧是一组固定的二进制数据，记为T。信息帧包含了基站时间和基站位置坐标。

②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为K_i。K_i＝D_i×P_i。

③利用扩频后的信号K_i，对载波进行调制。所有基站时间同步，可以实现载波同步，即所有基站的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为X_i，X_i＝C×K_i＝C×D_i×P_i。

④将导航信号X_i通过基站的水声换能器发射到水中。

定位导航接收机在水下，其坐标为R_ci＝(x,y,z)，与基站之间的距离为开始的时候，接收机的时间（记为t），与基站时间t₀不同步，其时间差为Δt＝t₀-t。接收到基站发射的导航信号，记为Y。系统中有多个基站，接收到的信号Y包含了多个基站发射的信号。

图2是另一实施例的系统架构图。4个基站21、22、23、24放置在水底，利用水底电缆26实现基站之间的时间同步。定位导航接收机25安装在载体上（水下潜航器），跟随载体运动。

图3是另一实施例中基站原理框图。本实施例中，基站主要由发射换能器31、阻抗匹配器32、功率放大器33、AD转换器34、嵌入式系统35组成。

嵌入式系统35实现测距码、导航电文、载波和导航信号的计算与生成。

AD转换器34将导航信号由数字形式转换为模拟形式。

功率放大器33、阻抗匹配器32和发射换能器31依次将模拟导航信号放大、阻抗匹配并发射到水中。

图4是另一实施例中水下定位导航接收机原理框图。本实施例中，水下定位导航接收机主要由接收换能器41、滤波放大器42，AD转换器43和嵌入式系统44组成。

接收换能器41将声波信号转换为电信号，经过滤波放大器42滤除干扰信号，再由AD转换器43将模拟电信号转换为数字信号。

嵌入式系统44对数字信号进行处理，实现测距码分离、跟踪、帧同步伪距测量、位置时间解算等。

本实施例中，按照以下方法进行定位导航解算：

①信号解调分离。利用码测距码P_i的正交性，将各个基站的信号解调并分离出来。具体方法是，依次将各个测距码P_i依次与信号Y进行相关运算。如果相关运算的结果大于设定的阈值（阈值根据互相关函数的峰值P_CMi选取），则该路信号对应了第i个基站发射，经过水体传播后，被接收机接收到的信号，记为Y_i。

②信号跟踪。实现信号分离之后，对各路信号Y_i分别跟踪。方法是在t时刻，将信号Y_i依次与对应的测码P_i进行相关运算，测出相关峰值相对于的开始位置的时间，称为码相位

③帧同步及导航电文解析。接收到的信号Y_i与同步帧T比对，确定导航电文的开始时刻，记为t_Si，从t_Si时刻开始，对测距码进行整周期计数，计数值记为N_i。依次对导航电文进行解析，得到基站位置和基站时间。

④伪距测量。利用从帧同步开始的计数值N_i和码相位可以计算出导航信号从基站S_i到接收机的传播时间T_i，根据声波在水中的传播速度c可以计算基站S_i到接收机的伪距L_i，L_i＝c×T_i。传播时间T_i包含了接收机与基站的时间差Δt，所以伪距L_i不是基站S_i到接收机之间的实际距离L_Si，其关系为：L_i＝L_Si+cΔt。

⑤定位解算。水下定位导航接收机接收到一个基站的信号，即可得到一个伪距。接收到全部m个基站信号之后，即可获得m个伪距方程，组成如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\mathrm{c\Δt}=L_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}+\mathrm{c\Δt}=L_2\\ .\\ .\\ .\\ \sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}+\mathrm{c\Δt}=L_i\end{array}\right.$

以上方程组有4个未知数：x,y,z,Δt。方程组中独立方程的个数m≥4，求解方程组，得获得接收机的位置坐标x,y,z以及与基站的时间差Δt。利用Δt对接收机时间进行修正，即可实现接收机时间t与基站时间t₀同步。

当基站个数m＞4时，水下定位导航接收机不需要接收到全部基站的信号，只需要接收到4个基站的信号即可。水下定位接收机数量不限。基站的绝对位置或者相对位置已知，基站之间保持时钟同步。

本发明中，基站以声波的形式，向水下发射导航信号，信号调制模式采用扩频通信模式。水下定位接收机不需要发射任何信号。在静默隐蔽的条件下，通过接收基站的导航信号，确定自身相对于基站的位置，从而实现水下定位导航。水下定位接收机通过接收基站的声波信号，可是实现与基站时间同步。

应用本发明，可以实现水下设备（例如水下机器人、水下潜航器）在隐蔽情况下（即水下设备不需要向外界发射信号），实现自主定位，同时实现基站时间同步，可以应用于水下施工、水下勘察、水下安保、水下监视及水下导航制导等领域。

以上为本发明的部分实施例，尽管本发明的内容已经通过上述部分实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种水下定位导航系统，该系统由至少4个基站和至少一个水下定位导航接收机组成，其中：

所述基站之间时间同步，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用；

所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的基站信号，解算出自身位置，并实现与基站时间同步；系统中有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制；

所述基站的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的0和1，导航信号包含测距码、导航电文信息：

所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P；每个基站对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i，不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足

根据测距码P_i即能确定其对应的基站S_i；

所述导航电文包含基站时间，基站位置信息，导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍。

2.根据权利要求1所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站的绝对位置或者相对位置已知，基站之间保持时钟同步。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站布置在水面、水中或水底，基站的位置固定或者移动。

4.根据权利要求1或2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站以声波的形式，向水下发射导航信号，信号调制模式采用扩频通信模式。

5.一种水下定位导航方法，该方法包括基站发射导航信号步骤、水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算步骤；

基站记为S_i，其中i＝1,2,…,m，其中m为基站数量，m≥4，基站的位置坐标分别S_ci＝(x_i,y_i,z_i)；测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P；每个基站对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i；

所述基站发射导航信号步骤，具体如下：

①生成导航电文，记为D_i，导航电文由同步帧和信息帧组成，同步帧是一组固定的二进制数据，记为T；信息帧包含了基站时间和基站位置坐标；

②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为K_i，K_i＝D_i×P_i；

③利用扩频后的信号K_i，对载波进行调制，所有基站时间同步，实现载波同步，即所有基站的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为X_i，X_i＝C×K_i＝C×D_i×P_i；

④将导航信号X_i通过基站发射到水中；

所述水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算，具体如下：

定位导航接收机在水下，其坐标为R_ci＝(x,y,z)，与基站之间的距离为开始的时候，接收机的时间，记为t，与基站时间t₀不同步，其时间差为Δt＝t₀-t；接收到基站发射的导航信号，记为Y，系统中有多个基站，接收到的信号Y包含了多个基站发射的信号，然后进行定位导航解算。

6.根据权利要求5所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，所述定位导航解算，具体步骤如下：

①信号解调分离：利用码测距码P_i的正交性，将各个基站的信号解调并分离出来；即：依次将各个测距码P_i依次与信号Y进行相关运算，如果相关运算的结果大于设定的阈值，则该路信号对应了第i个基站发射，经过水体传播后，被接收机接收到的信号，记为Y_i；

②信号跟踪：实现信号分离之后，对各路信号Y_i分别跟踪；即在t时刻，将信号Y_i依次与对应的测码P_i进行相关运算，测出相关峰值相对于的开始位置的时间，称为码相位

③帧同步及导航电文解析：接收到的信号Y_i与同步帧T比对，确定导航电文的开始时刻，记为t_Si，从t_Si时刻开始，对测距码进行整周期计数，计数值记为N_i；依次对导航电文进行解析，得到基站位置和基站时间；

④伪距测量：利用从帧同步开始的计数值N_i和码相位计算出导航信号从基站S_i到接收机的传播时间T_i，根据声波在水中的传播速度c计算基站S_i到接收机的伪距L_i，L_i＝c×T_i；传播时间T_i包含了接收机与基站的时间差Δt，伪距L_i、基站S_i到接收机之间的实际距离L_Si关系为：L_i＝L_Si+cΔt；

⑤定位解算：水下定位导航接收机接收到一个基站的信号，即得到一个伪距，接收到全部m个基站信号之后，即获得m个伪距方程，组成如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_i\end{array}\right.$

以上方程组有4个未知数：x,y,z,Δt，方程组中独立方程的个数m≥4，求解方程组，获得接收机的位置坐标x,y,z以及与基站的时间差Δt，利用Δt对接收机时间进行修正，即实现接收机时间t与基站时间t₀同步。