[發明專利]基于接收信號強度的三向天線水下磁感應定位系統及方法

在審

• 申請號: 202210448076.5
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114827893A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 陳惠芳;朱家瑩;謝磊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W64/00;H01Q1/22;H01Q1/36;H04B13/02;G01S5/04
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 陳煒

本發明公開了基于接收信號強度的三向天線水下磁感應定位系統及方法。定位系統包括水下磁感應發射機中的定位信號產生模塊、磁感應發送模塊和水下磁感應接收機中的磁感應接收模塊、定位信號處理模塊和位置估計模塊。首先水下磁感應發射機將處理后的定位信號依次加載在三向發送天線的三個線圈上，水下磁感應接收機從三向接收天線獲取信號后進行處理，估計出接收信號強度和多路接收信號之間的相對相位信息，計算得到估計的發送端在接收坐標系中的位置。本發明定位系統實現復雜度低，且具有與水下磁感應通信系統的兼容性；采用的定位方法的計算復雜度低，且能在通信的同時直接在接收端估計出發送端的位置，避免了位置信息反饋額外帶來的通信開銷。

技術領域

本發明屬于水下磁感應通信技術領域，特別是水下磁感應通信中的定位技術領域涉及一種基于接收信號強度的三向天線水下磁感應定位系統及方法，在接收端實現對發送端的位置估計。

背景技術

隨著日益增長的海洋資源勘探和環境監測的需求，水下無線通信技術成為熱點方向。無線磁感應通信作為一種近場通信，有著傳播時延低、信道響應穩定、多徑效應可忽略等優點，能夠在水下環境中實現高速的近距離傳輸。在水下磁感應通信中，如果一個磁感應通信節點能夠獲取與之通信的另一個節點的位置，則可以帶來諸多增益，例如向著該節點的位置移動，或通過調整發送時的饋電策略，使發送信號的能量更為集中地到達接收端從而提高通信可靠性等。因此，如何在通信的同時實現位置估計，具有較高的現實意義。

通常情況下，單個點對點天線無法實現在三維空間中的定位，但使用三向天線則可以較好地解決這個問題。三向天線中存在三個相互正交的線圈，具有一定的空間位置分辨能力。傳統的磁感應定位方法在接收端處理接收到地發送天線陣列發出的信號，從而估計出自身在發送坐標系中的位置。例如，申請號201711455499.5的中國發明專利申請了一種地下空間三維磁感應定位系統，申請號202011303948.6的中國發明專利申請了一種基于磁感應強度與特征矢量的磁信標定位方法及系統，但其局限均在于僅在接收端對自身位置進行了估計。在水下磁感應通信中，假設有兩個磁感應節點，分別為節點A和節點B，節點A向節點B發送數據請求報文，節點B在返回數據時需要知道節點A的位置信息以調整饋電策略。上述定位方法需要在通信開始前，執行從節點A到節點B的數據請求報文發送，從節點B到節點A的定位信號發送，以及從節點A到節點B的位置信息反饋的步驟，帶來了額外的通信開銷。如果在節點A向節點B發送請求報文后，節點B能夠直接根據接收到的信號估計出節點A的位置，則避免了上述繁瑣的信息交換。

也有一些現有的方法對發送端進行了定位，例如，申請號201911086599.4的中國發明專利申請了一種基于信號方向的磁感應透地定位方法，申請號201911086621.5的中國發明專利申請了一種基于路徑損耗的磁感應透地定位方法，但其局限均在于接收機包含兩個三向天線，且僅實現了垂直定位，即僅能確定發送端在地下的垂直深度。

綜上可知，現有水下磁感應通信位置估計方法仍存在以下問題：

(1)大多磁感應定位方法專注于在接收端實現對自身位置的估計，但這對于在發送端獲得接收端位置或在接收端獲得發送端位置的應用場景，需要進行位置信息的反饋，引入了額外的通信開銷。

(2)對發送端位置進行估計的方法中，并未實現三維空間定位，尚停留在單個維度的垂直定位。

(3)大部分磁感應定位方法需要在發送端或接收端采用多個天線，且對天線安放的位置有要求，但在單個水下磁感應節點上，難以部署具有較大面積的天線陣列，因此這些方法具有一定的實現復雜度，不適用于水下環境。

因此，在水下磁感應通信中天線結構簡單且能量有限的情況下，實現無需反饋的發送端位置估計是非常必要的。

發明內容

本發明的一個目的是針對通信與定位可同時進行，且設計復雜度較低的需求，提供一種三向天線水下磁感應通信發送端定位系統。