[發明專利]一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴頻信標導航定位系統及方法

有效

• 申請號: 201410264876.7
• 申請日: 2014-06-16
• 公開（公告）號: CN104007418B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 羅宇;施劍
• 申請（專利權）人: 江蘇中海達海洋信息技術有限公司
• 主分類號: G01S5/26
• 分類號: G01S5/26;G01S19/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴頻信標導航定位方法，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標聲源到各個基元間的距離確定目標的位置，包含兩部分，一部分是安裝在水下設備上的聲信標，另一個部分是布放在海面的定位基陣浮標，定位基陣利用高精度GPS確定其精確位置，并作為定位基準；定位基陣浮標之間的距離構成基線；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對定位基陣浮標和聲信標進行時間同步；

步驟二：經過嚴格時間同步的聲信標定時發射擴頻水聲信號；

步驟三：定位浮標基陣接收到擴頻信號后，經過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標的位置；

步驟四：通過連續應答、解算、定位便可以繪制出聲信標的運動軌跡，實現對水下設備進行精確定位和導航；

其中，步驟一中高精度時間同步方法過程如下：

(1)系統利用全球定位系統GPS產生的秒脈沖PPS進行時間同步，目前GPS和北斗的授時系統PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于100ns的時間同步信號，完全能夠滿足水聲定位系統的要求；

(2)GPS的PPS脈沖同時接入到定位基陣浮標和聲信標，為定位基陣浮標時鐘和聲信標時鐘提供時間同步基準，并校準高精度晶振的時鐘；

(3)定位基陣浮標和聲信標斷開PPS脈沖，利用內部高精度晶振時鐘進行守時，系統最大時間同步誤差不高于1ms；

步驟二中聲信標定時發射擴頻水聲信號的方法如下：

利用偽隨機GOLD碼對定位信號進行擴頻調制，利用GOLD碼的良好相關特性，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，聲信標經過嚴格時間同步后，定時發射寬帶擴頻水聲信號，用于定位和導航，

GOLD碼生成過程描述如下：

(1)選擇GOLD碼階數n；

(2)查表選擇本原多項式，生成2個n階m序列；

(3)循環移位，生成2^n-1個GOLD偽隨機碼，

m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，它是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列；由于反饋線位置不同將出現不同周期的不同序列，確定線性反饋的位置，能使移存器產生的序列最長，即達到周期P＝2n-1，基線長度在500米到3000米之間，GOLD碼階數包括：4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20；

步驟三中定位浮標基陣接收到擴頻信號后，測距過程如下：

相關計算：設輸入序列x(n)長為N₁，參考GOLD碼序列y(n)長為N₂，對兩個有限長序列利用FFT求線性相關的步驟如下：

●為了使兩個有限長序列的線性相關可用其圓周相關代替而不產生混淆，選擇周期N≥N₁+N₂-1，且N＝2^m，以便使用FFT，將x(n)，y(n)補零至長為N，即：

●用FFT計算序列x(n)的傅里葉變換X(k)，y(n)的傅里葉變換Y(k)(k＝0，1…，N-1)：

X(k)＝FFT{x(n)}

Y(k)＝FFT{y(n)}

其中，FFT{}表示快速傅里葉變換計算，得到序列的傅里葉變換值，

●計算互相關的傅里葉變換：

R(k)＝X^*(k)Y(k)

●對R(k)作IFFT，得到r(n)(n＝0，1，…，N-1)：

r(n)＝IFFT{R(k)}

其中，IFFT{}表示快速傅里葉反變換計算，r(n)為輸入序列x(n)和參考GOLD碼序列y(n)的互相關；

定位浮標基陣接收到擴頻信號后，時延估計如下：

得到輸入序列x(n)和參考GOLD碼序列y(n)的互相關r(n)之后，需要對r(n)進行峰值檢測，設定檢測門限th0，當r(n)峰值大于檢測門限，即檢測到定位信號，定位信號時延估計如下：

τ＝τ₀+max{r(n)}-N/2

其中：τ是聲信標定位信號時延，τ₀輸入序列x(n)起始時刻的時延，max{}表示求序列最大峰值下標，N是傅里葉變換點數；

距離計算如下：

在聲速c抑制的情況下，計算聲信標斜距：

R＝c*τ

其中：R是聲信標相對浮標基陣浮標換能器中心的斜距，c是聲速，τ是聲信標定位信號傳輸到浮標基陣浮標換能器的時延。

2.一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴頻信標導航定位系統，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標聲源到各個基元間的距離確定目標的位置，包含兩部分，一部分是安裝在水下設備上的聲信標，另一個部分是布放在海面的定位基陣浮標，定位基陣利用高精度GPS確定其精確位置，并作為定位基準；定位基陣浮標之間的距離構成基線；其特征在于包含以下裝置：

利用高精度時間同步技術對定位基陣浮標和聲信標進行時間同步的高精度同步時鐘裝置；

經過嚴格時間同步的聲信標定時發射擴頻水聲信號的水聲信號處理器；

定位浮標基陣接收到擴頻信號后，經過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標的位置的定位處理器；

該系統通過連續應答、解算、定位便可以繪制出聲信標的運動軌跡，實現對水下設備進行精確定位和導航；

其中，高精度同步時鐘裝置的特征在于：

(1)系統利用全球定位系統GPS產生的秒脈沖PPS進行時間同步，目前GPS和北斗的授時系統PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于100ns的時間同步信號，該系統最大時間同步誤差不高于1ms，完全能夠滿足水聲定位系統的要求；

(2)GPS的PPS脈沖同時接入到定位基陣浮標和聲信標，為定位基陣浮標時鐘和聲信標時鐘提供時間同步基準，并校準高精度晶振的時鐘；

(3)定位基陣浮標和聲信標斷開PPS脈沖，利用內部高精度晶振時鐘進行守時；

聲信標定時發射擴頻水聲信號的水聲信號處理器的特征在于：

利用偽隨機GOLD碼對定位信號進行擴頻調制，利用GOLD碼的良好相關特性，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，聲信標經過嚴格時間同步后，定時發射寬帶擴頻水聲信號，用于定位和導航，

GOLD碼生成過程描述如下：

(1)選擇GOLD碼階數n；

(2)查表選擇本原多項式，生成2個n階m序列；

(3)循環移位，生成2^n-1個GOLD偽隨機碼，

m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，它是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列；由于反饋線位置不同將出現不同周期的不同序列，確定線性反饋的位置，能使移存器產生的序列最長，即達到周期P＝2n-1，基線長度在500米到3000米之間，GOLD碼階數包括：4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20；

定位浮標基陣接收到擴頻信號后，定位處理器處理的測距過程如下：

相關計算：設輸入序列x(n)長為N₁，參考GOLD碼序列y(n)長為N₂，對兩個有限長序列利用FFT求線性相關的步驟如下：

●為了使兩個有限長序列的線性相關可用其圓周相關代替而不產生混淆，選擇周期N≥N₁+N₂-1，且N＝2^m，以便使用FFT，將x(n)，y(n)補零至長為N，即：

●用FFT計算序列x(n)的傅里葉變換X(k)，y(n)的傅里葉變換Y(k)(k＝0，1…，N-1)：

X(k)＝FFT{x(n)}

Y(k)＝FFT{y(n)}

其中，FFT{}表示快速傅里葉變換計算，得到序列的傅里葉變換值，

●計算互相關的傅里葉變換：

R(k)＝X^*(k)Y(k)

●對R(k)作IFFT，得到r(n)(n＝0，1，…，N-1)：

r(n)＝IFFT{R(k)}

其中，IFFT{}表示快速傅里葉反變換計算，r(n)為輸入序列x(n)和參考GOLD碼序列y(n)的互相關；

時延估計如下：

得到輸入序列x(n)和參考GOLD碼序列y(n)的互相關r(n)之后，需要對r(n)進行峰值檢測，設定檢測門限th0，當r(n)峰值大于檢測門限，即檢測到定位信號，定位信號時延估計如下：

τ＝τ₀+max{r(n)}-N/2

其中：τ是聲信標定位信號時延，τ₀輸入序列x(n)起始時刻的時延，max{}表示求序列最大峰值下標，N是傅里葉變換點數；

距離計算如下：

在聲速c抑制的情況下，計算聲信標斜距：

R＝c*τ

其中：R是聲信標相對浮標基陣浮標換能器中心的斜距，c是聲速，τ是聲信標定位信號傳輸到浮標基陣浮標換能器的時延。