[發(fā)明專利]一種基于時間同步的便攜式水下寬帶擴頻信標導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410264835.8
• 申請日: 2014-06-16
• 公開（公告）號: CN104020473A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅宇;施劍
• 申請（專利權(quán)）人: 羅宇;施劍
• 主分類號: G01S15/06
• 分類號: G01S15/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水聲定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于時間同步和寬帶擴頻的便攜式水下信標實時導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

水下定位導(dǎo)航是一切海洋開發(fā)活動與海洋高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。海洋勘探、海洋工程、環(huán)境監(jiān)測及水下軍事活動都需要能夠?qū)λ略O(shè)備進行精確定位和導(dǎo)航。

傳統(tǒng)的水下目標定位跟蹤的主要手段主要是依賴于幾何原理的水聲學(xué)定位方法。根據(jù)測量基線的長度不同，水聲定位系統(tǒng)可分為超短基線系統(tǒng)(USBL)、短基線系統(tǒng)(SBL)和長基線系統(tǒng)(LBL)。其中，超短基線定位系統(tǒng)是指基線長度極小(小到幾厘米)，多個陣元剛性固定為一體、陣元間距恒定的定位系統(tǒng)。超短基線水聲定位系統(tǒng)是20世紀70年代發(fā)展起來的用于短距離高精度導(dǎo)航的便攜式小型聲吶基陣。超短基線陣定位是利用小孔徑聲吶基陣對遠場聲源測向原理，對遠場聲源進行定位。超短基線陣將發(fā)射換能器和多個水聽器組合在一個整體中，利用發(fā)射信號和應(yīng)答信號的時延確定應(yīng)答器相對水聲基陣的距離。利用各換能器接收信號的相位差來測量應(yīng)答器的方位，從而完成對水下應(yīng)答器的定位。超短基線系統(tǒng)具有尺寸特別小、安裝方便、機動性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海底電纜定位，水下機器人導(dǎo)航，水下設(shè)備導(dǎo)航定位等工作。然而，傳統(tǒng)的水下目標定位系統(tǒng)也存在幾方面的不足：

一方面，傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在對聲信標定位時，需要聲頭首先發(fā)射定位信號。應(yīng)答器接收并解算定位信號后，發(fā)射應(yīng)答信號。聲頭定位接收應(yīng)答信號后，經(jīng)過計算，得到聲信標的位置。應(yīng)答式定位需要進行聲學(xué)信號的往返傳輸，系統(tǒng)延遲較大，完成一次定位的時間間隔較大(對于3000米的系統(tǒng)，通常定位時間間隔大于5s)。同時聲信標需要解算擴頻信號，計算量較大，減小了聲信標工作時間。難以實現(xiàn)高精度的時間同步。

另一方面，傳統(tǒng)的超短基線水聲定位系統(tǒng)主要是發(fā)射CW脈沖，從單一參數(shù)或從回波強度等來實現(xiàn)目標定位和探測。但由于CW脈沖聲波承載的信息有限，進行多參數(shù)識別的可能性難度很大，在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下定位精度難以保證。

此外，聲頭和應(yīng)答器間的距離根據(jù)聲頭發(fā)射分組擴頻信號到接收到應(yīng)答器定位擴頻信號之間的時延得到的。現(xiàn)有系統(tǒng)由于其聲信標信號的編解碼方式計算量較大，導(dǎo)致測距的時延精度不夠、多徑處理抗干擾能力不強、測向精度不高等缺點。

針對上述不足，本發(fā)明進行了以下多方面的技術(shù)創(chuàng)新，以解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題：

一方面，本發(fā)明使用了高精度時間同步技術(shù)，采用GPS(Global?Position?System)產(chǎn)生的PPS(Pulse?Per?Second)脈沖進行便攜式聲頭和聲信標的嚴格時間同步，一方面很好地解決了水下信標低功耗的問題，使得水下信標定位的續(xù)航能力進一步提高，另一方面縮短了兩次定位之間的時間間隔，極大地提高了實時性。

另一方面，本發(fā)明利用寬帶擴頻技術(shù)對定位和應(yīng)答的信號進行GOLD編碼，寬帶擴頻信號具備強抗干擾性的特性使得便攜式的水下定位與導(dǎo)航更為精確、作用距離更遠，較好地解決了抗干擾能力與發(fā)射功率限制的矛盾。

另一方面，本發(fā)明聲信標利用偽隨機GOLD碼對定位信號進行擴頻調(diào)制，利用GOLD碼的良好相關(guān)特性，通過多徑處理、多普勒補償和碼序列同步等處理，可準確估計到信號時延，從而達到了較高的測距、測向精度。

另一方面，本發(fā)明采用MUSIC方法對聲信標信號進行測向，有效提高了測向精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于時間同步的便攜式水下寬帶擴頻信標定位方法，其將高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下步驟：

步驟一：利用高精度時間同步技術(shù)對便攜式聲頭和聲信標進行時間同步；

步驟二：經(jīng)過嚴格時間同步的聲信標定時發(fā)射擴頻水聲信號；

步驟三：聲頭接收到擴頻信號后，經(jīng)過信號解算、斜距計算、高精度測向及位置解算得到聲信標的位置；

步驟四：通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標的運動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進行精確定位和導(dǎo)航。

此外，設(shè)計了基于時間同步的便攜式水下寬帶擴頻信標定位系統(tǒng)，具有高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下裝置：

利用高精度時間同步技術(shù)對便攜式聲頭和聲信標進行時間同步的高精度同步時鐘裝置；

經(jīng)過嚴格時間同步的聲信標定時發(fā)射擴頻水聲信號的水聲信號處理器；

聲頭接收到擴頻信號后，經(jīng)過信號解算、斜距計算、高精度測向及位置解算得到聲信標的位置的定位處理器；