[發(fā)明專利]一種基于時(shí)間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410264876.7
• 申請(qǐng)日: 2014-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104007418B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅宇;施劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01S5/26
• 分類號(hào): G01S5/26;G01S19/42
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)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(shí)間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

水下定位導(dǎo)航是一切海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)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(cè)及水下軍事活動(dòng)都需要能夠?qū)λ略O(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。

傳統(tǒng)的水下目標(biāo)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(cè)量基線的長(zhǎng)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(zhǎng)基線系統(tǒng)(LBL)。其中，超短基線定位系統(tǒng)是指基線長(zhǎng)度極小(小到幾厘米)，多個(gè)陣元?jiǎng)傂怨潭橐惑w、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(jì)70年代發(fā)展起來(lái)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(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源測(cè)向原理，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源進(jìn)行定位。超短基線陣將發(fā)射換能器和多個(gè)水聽(tīng)器組合在一個(gè)整體中，利用發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的時(shí)延確定應(yīng)答器相對(duì)水聲基陣的距離。利用各換能器接收信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)量應(yīng)答器的方位，從而完成對(duì)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(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海底電纜定位，水下機(jī)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(biāo)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(duì)聲信標(biāo)定位時(shí)，需要聲頭/定位浮標(biāo)基陣首先發(fā)射定位信號(hào)。應(yīng)答器接收并解算定位信號(hào)后，發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。聲頭/定位浮標(biāo)基陣定位接收應(yīng)答信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到聲信標(biāo)的位置。應(yīng)答式定位需要進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的往返傳輸，系統(tǒng)延遲較大，完成一次定位的時(shí)間間隔較大(對(duì)于3000米的系統(tǒng)，通常定位時(shí)間間隔大于5s)。同時(shí)聲信標(biāo)需要解算擴(kuò)頻信號(hào)，計(jì)算量較大，減小了聲信標(biāo)工作時(shí)間。難以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。

另一方面，傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)主要是發(fā)射CW脈沖，從單一參數(shù)或從回波強(qiáng)度等來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位和探測(cè)。但由于CW脈沖聲波承載的信息有限，進(jìn)行多參數(shù)識(shí)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/定位浮標(biāo)基陣和應(yīng)答器間的距離根據(jù)聲頭/定位浮標(biāo)基陣發(fā)射分組擴(kuò)頻信號(hào)到接收到應(yīng)答器定位擴(kuò)頻信號(hào)之間的時(shí)延得到的。現(xiàn)有系統(tǒng)由于其聲信標(biāo)信號(hào)的編解碼方式計(jì)算量較大，導(dǎo)致測(cè)距的時(shí)延精度不夠、多徑處理抗干擾能力不強(qiáng)、測(cè)向精度不高等缺點(diǎn)。

針對(duì)上述不足，本發(fā)明進(jìn)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(wèn)題：

一方面，本發(fā)明使用了高精度時(shí)間同步技術(shù)，采用GPS(Global Position System)產(chǎn)生的PPS(Pulse Per Second)脈沖進(jìn)行定位浮標(biāo)基陣和聲信標(biāo)的嚴(yán)格時(shí)間同步，一方面很好地解決了水下信標(biāo)低功耗的問(wèn)題，使得水下信標(biāo)定位的續(xù)航能力進(jìn)一步提高，另一方面縮短了兩次定位之間的時(shí)間間隔，極大地提高了實(shí)時(shí)性。

另一方面，本發(fā)明利用寬帶擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)定位和應(yīng)答的信號(hào)進(jìn)行GOLD編碼，寬帶擴(kuò)頻信號(hào)具備強(qiáng)抗干擾性的特性使得水下定位與導(dǎo)航更為精確、作用距離更遠(yuǎn)，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(biāo)利用偽隨機(jī)GOLD碼對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，利用GOLD碼的良好相關(guān)特性，通過(guò)多徑處理、多普勒補(bǔ)償和碼序列同步等處理，可準(zhǔn)確估計(jì)到信號(hào)時(shí)延，從而達(dá)到了較高的測(cè)距、測(cè)向精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于時(shí)間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位方法，其基于長(zhǎng)基線水聲定位，利用測(cè)量水下目標(biāo)聲源到各個(gè)基元間的距離確定目標(biāo)的位置，包含兩部分，一部分是安裝在水下設(shè)備上的聲信標(biāo)，另一個(gè)部分是布放在海面的定位基陣浮標(biāo)，定位基陣?yán)酶呔菺PS確定其精確位置，并作為定位基準(zhǔn)；定位基陣浮標(biāo)之間的距離構(gòu)成基線；其特征在于包含以下步驟：

步驟一：利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步；

步驟二：經(jīng)過(guò)嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)；、

步驟三：定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)解算、距離計(jì)算及位置解算得到聲信標(biāo)的位置；

步驟四：通過(guò)連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。

此外，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其基于長(zhǎng)基線水聲定位，利用測(cè)量水下目標(biāo)聲源到各個(gè)基元間的距離確定目標(biāo)的位置，包含兩部分，一部分是安裝在水下設(shè)備上的聲信標(biāo)，另一個(gè)部分是布放在海面的定位基陣浮標(biāo)，定位基陣?yán)酶呔菺PS確定其精確位置，并作為定位基準(zhǔn)；定位基陣浮標(biāo)之間的距離構(gòu)成基線；其特征在于包含以下裝置：