[發明專利]基于GNSS衛星的水下航行器定位方法及系統

無效

• 申請號: 201210065951.8
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN102608640A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 孫希延;紀元法;符強;王守華;嚴素清;鄧洪高;吳孫勇;張瑞霞
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01S19/48
• 分類號: G01S19/48;G01S19/31;G01S15/06
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 陳躍琳

技術領域

本發明涉及水下航行器定位領域，具體涉及一種基于GNSS衛星的水下航行器定位方法及系統。

背景技術

水下航行器有時需要在一定海水深度下長時間航行，但由于目前水下航行器的定位手段和定位設備的局限性，使得航行器航行一段時間以后必須上浮校正位置。目前，航行器主要是以慣導為主的綜合水下定位方式來進行定位，由于慣性導航系統的累積誤差的影響，航行一段時間以后必須上浮水面來校正其位置，這就嚴重破壞其正常工作。因此，水下航行器的水下自主快速精確絕對定位一直是世界性難題。

GNSS衛星定位系統使整個地球表面以及地球的大部分外部空間實現了全天候定位、導航，廣泛應用在交通運輸、地形測圖、精準農業、防災減災等諸多領域。但無線電波無法穿透水，特別是海水，所有衛星定位導航技術在海洋水體內部“失靈”，水下成了GNSS的“盲區”。因此，GNSS不能直接滿足江河、湖泊、海洋等水下導航和定位的需求。而聲音信號在海水中有很好的傳播特性，通過水聲信號在水中的傳播，可以實現水下定位、導航、探測等。因此，若能把GNSS定位技術、水聲定位和水下通訊結合起來則有望解決水下航行器水下長時間航行的需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種利用水聲相對定位技術將GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潛深就可以直接獲得自身的大地經緯度坐標，且定位精度可以保證與GNSS水面定位精度在同一量級的基于GNSS衛星的水下航行器定位方法及系統。

為解決上述問題，本發明是通過以下方案實現的：

本發明基于GNSS衛星的水下航行器定位方法，包括如下步驟：

(1)在水面上布設至少3個定位浮標，上述每個定位浮標上均攜帶有GNSS接收機和水聲應答機；

(2)水下航行器上攜帶有水聲問答機；

(3)定位浮標的GNSS接收機接收3顆或3顆以上的GNSS播放的衛星信號，實時完成定位浮標的定位和授時，并把定位和授時信息發送到水聲應答機；

(4)當水下航行器需要定位時，水下航行器的水聲問答機便產生問答信號，并將該問答信號轉換為聲信號后發送出去；

(5)定位浮標的水聲應答機接收到水下航行器發來的問答信號后，將定位和授時信息進行編碼和調制為應答信號，并將該應答信號轉換為聲信號發射出去；

(6)水下航行器的水聲問答機接收定位浮標的水聲應答機返回的應答信號后，完成定位浮標到水下航行器的距離測定；

(7)當水下航行器的水聲問答機同時得到至少3個定位浮標到水下航行器的距離時，就可以計算出水下航行器的絕對位置坐標。

步驟(4)中水聲問答機將問答信號轉換為聲信號和/或步驟(5)中水聲應答機將應答信號為聲信號的過程具體如下：

(a)信息編碼：將問答信號進行糾錯編碼和交織編碼；

(b)擴頻調制：采用m序列對信息編碼后的問答信號進行直接序列擴頻；

(c)載波調制：采用相位想干調制方式對擴頻調制后的問答信號進行調制；

(d)發射帶通濾波：將載波調制后的問答信號進行帶通濾波；

(e)數模轉換：將濾波后的問答信號進行模數轉換；

(f)發射放大：將模數轉換后的問答信號進行發達后發送出去。

在步驟(6)中，水聲問答機是采用雙向單程測距方法實現定位浮標到水下航行器的距離測定的，即：

(a)定位浮標上的水聲應答機通過捕獲跟蹤水下航行器上的水聲問答機發出的反向測距信號，獲得到前向測距信號幀同步與反向測距信號幀同步之間的時延T₁；

(b)水下航行器的水聲問答機通過捕獲跟蹤定位浮標的水聲應答機發出的反向測距信號，獲得到前向測距信號幀同步與反向測距信號幀同步之間的時延T₂；

(c)將上述步驟所得時延T₁和時延T₂，分別帶入式③和式④即可得到定位浮標和水下航行器的距離D和時鐘差Δt