一種基于時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)及方法技術(shù)方案

一種基于時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，其利用高精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時間同步。經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號。定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)的位置。計算出坐標(biāo)后得到聲信標(biāo)的位置，通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及水聲定位
，特別是涉及。
技術(shù)介紹
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(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(jì)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(yuǎn)場聲源測向原理，對遠(yuǎn)場聲源進(jìn)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(jī)動性好等優(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:—方面，傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在對聲信標(biāo)定位時，需要聲頭/定位浮標(biāo)基陣首先發(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/定位浮標(biāo)基陣定位接收應(yīng)答信號后，經(jīng)過計算，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(biāo)需要解算擴(kuò)頻信號，計算量較大，減小了聲信標(biāo)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)度等來實現(xiàn)目標(biāo)定位和探測。但由于CW脈沖聲波承載的信息有限，進(jìn)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/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)頻信號到接收到應(yīng)答器定位擴(kuò)頻信號之間的時延得到的。現(xiàn)有系統(tǒng)由于其聲信標(biāo)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(qiáng)、測向精度不聞等缺點(diǎn)O針對上述不足，本專利技術(shù)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)存在的問題:一方面,本專利技術(shù)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(jìn)行定位浮標(biāo)基陣和聲信標(biāo)的嚴(yán)格時間同步，一方面很好地解決了水下信標(biāo)低功耗的問題，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間間隔，極大地提高了實時性。另一方面，本專利技術(shù)利用寬帶擴(kuò)頻技術(shù)對定位和應(yīng)答的信號進(jìn)行GOLD編碼，寬帶擴(kuò)頻信號具備強(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，本專利技術(shù)聲信標(biāo)利用偽隨機(jī)GOLD碼對定位信號進(jìn)行擴(kuò)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(bǔ)償和碼序列同步等處理，可準(zhǔn)確估計到信號時延，從而達(dá)到了較高的測距、測向精度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提出了一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位方法，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標(biāo)聲源到各個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:利用高精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時間同步；步驟二:經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號；、步驟三:定 位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)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(biāo)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。此外，設(shè)計了一種基于時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)，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標(biāo)聲源到各個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:利用聞精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲?目標(biāo)進(jìn)行時間同步的聞精度同步時鐘裝置；經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號的水聲信號處理器；定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)的位置的定位處理器；該系統(tǒng)通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。【附圖說明】為了更好地闡述本專利技術(shù)的內(nèi)容，具體涉及附圖如下:圖1基于時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)圖，其中，1-1#定位基陣浮標(biāo)；2-2#定位基陣浮標(biāo);3-3#定位基陣浮標(biāo);4-4#定位基陣浮標(biāo)；5_聲信標(biāo)；圖2線性反饋移位寄存器；圖3 Gold序列發(fā)生器；圖4聲學(xué)坐標(biāo)模型。【具體實施方式】基于時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)如圖1所示，該系統(tǒng)利用高精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時間同步。經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號。定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)的位置。以下詳細(xì)說明系統(tǒng)處理的各個技術(shù)環(huán)節(jié)及方法。1.高精度時間同步基于時間同步的水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)利用高精度時間同步技術(shù)，具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在對聲信標(biāo)定位時，需要定位基陣浮標(biāo)首先發(fā)射定位信號。聲信標(biāo)接收并解算定位信號后，發(fā)射應(yīng)答信號。定位基陣接收應(yīng)答信號后，經(jīng)過計算，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(biāo)需要需要解算擴(kuò)頻信號，計算量較大，減小了聲信標(biāo)工作時間。為克服這些弱點(diǎn)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了便定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)的嚴(yán)格時間同步。時間同步方法過程如下:(I)系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)GPS (Global Positioning System)產(chǎn)生的秒脈沖PPS (Pulse Per Second)進(jìn)行時間同步，目前GPS和北斗的授時系統(tǒng)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(tǒng)的要求。(2) GPS的PPS脈沖同時接入到定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)，為定位基陣浮標(biāo)時鐘和聲{目標(biāo)時鐘提供時間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)聞精度晶振的時鐘。(3)定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時鐘進(jìn)行守時。經(jīng)測試，該系統(tǒng)最大時間同步誤差不高于1ms。聲信標(biāo)定時發(fā)射定位信號，避免了傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)聲音雙向傳輸帶來的時間延遲。從而，提高了系統(tǒng)反應(yīng)時間，降低了聲信標(biāo)計算復(fù)雜度，減少了功耗，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。2.寬帶擴(kuò)頻水聲信號水下寬帶擴(kuò)頻聲信標(biāo)采用寬帶擴(kuò)頻水聲信號作為定位信號，具有抗干擾、抗多徑能力強(qiáng)、測距精確和作用距離大等技術(shù)優(yōu)勢。長基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度在幾公里到幾十公里的量級，利用測量水下目本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位方法，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標(biāo)聲源到各個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：利用高精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時間同步；步驟二：經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號；、步驟三：定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)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(biāo)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航；其中，步驟一中高精度時間同步方法過程如下：(1)系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)GPS產(chǎn)生的秒脈沖PPS進(jìn)行時間同步，目前GPS和北斗的授時系統(tǒng)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(tǒng)的要求；(2)GPS的PPS脈沖同時接入到定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)，為定位基陣浮標(biāo)時鐘和聲信標(biāo)時鐘提供時間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)高精度晶振的時鐘；(3)定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時鐘進(jìn)行守時。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于時間同步的大基陣水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位方法，其基于長基線水聲定位，利用測量水下目標(biāo)聲源到各個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:利用高精度時間同步技術(shù)對定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)進(jìn)行時間同步； 步驟二:經(jīng)過嚴(yán)格時間同步的聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號；、 步驟三:定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，經(jīng)過信號解算、距離計算及位置解算得到聲信標(biāo)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(biāo)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)對水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航； 其中，步驟一中高精度時間同步方法過程如下: (1)系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)GPS產(chǎn)生的秒脈沖PPS進(jìn)行時間同步，目前GPS和北斗的授時系統(tǒng)PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于IOOns的時間同步信號，完全能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的要求； (2)GPS的PPS脈沖同時接入到定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)，為定位基陣浮標(biāo)時鐘和聲信標(biāo)時鐘提供時間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)聞精度晶振的時鐘； (3)定位基陣浮標(biāo)和聲信標(biāo)斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時鐘進(jìn)行守時。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 步驟二中聲信標(biāo)定時發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號的方法如下: 利用偽隨機(jī)GOLD碼對定位信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，聲信標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格時間同步后，定時發(fā)射寬帶擴(kuò)頻水聲信號，用于定位和導(dǎo)航， GOLD碼生成過程描述如下: (1)選擇GOLD碼階數(shù)η； (2)查表選擇本原多項式,生成2個η階m序列； (3)循環(huán)移位，生成2~n-l個GOLD偽隨機(jī)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(chǎn)生的最長的碼序列；由于反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，確定線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長，即達(dá)到周期P = 2n-l。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于: 基線長度在500米至Ij 3000米之間，GOLD碼階數(shù)包括:4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于: 步驟三中定位浮標(biāo)基陣接收到擴(kuò)頻信號后，測距過程如下: 相關(guān)計算:設(shè)輸入序列X (η)長為N1，參考GOLD碼序列y (η)長為N2,對兩個有限長序列利用FFT求線性相關(guān)的步驟如下: 籲為了使兩個有限長序列的線性相關(guān)可用其圓周相關(guān)代替而不產(chǎn)生混淆，選擇周期N≥NfN2-1，且N = 2-，以便使用FFT，將x (n), y (η)補(bǔ)零至長為N，即:\χ{?) W = O5IvsJV1 -1Χ ⑷={ O ^ = \y{n) η = %\,...,Ν2-\y(n) =.{ [O η = Ν2,Ν2+1,...,Ν-1 ?用FFT計算序列χ(η)的傅里葉變換X(k)，y(n)的傅里葉變換Y(k) (k = 0,1-,N-l): X (k) = FFT {χ (η)} Y(k) = FFT {y (η)} 其中，F(xiàn)FT{}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(guān)的傅里葉變換: R(k) = X* (k) Y (k) ?對 R(k)作 IFFT，得到 r(n) (η = 0，1，…，Ν-1): r (n) = IFFT {R(k)} 其中，IFFTH表示快 速傅里葉反變換計算，r (η)為輸入序列χ(η)和參考G...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅宇，施劍，
申請(專利權(quán))人：羅宇，施劍，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11