基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法及其系统技术方案

一种基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括：步骤1.海面信标节点接收北斗卫星导航系统广播的定位导航信号，实时更新自身位置，并与北斗时钟保持同步；处于一个三角形栅格顶点的3个海面信标将自身位置和序号等信息组合成定位报文，根据自身发送定位报文的时序表，同时广播给水下移动节点；步骤2.当水下移动节点接收到定位报文时，利用3个定位报文的到达时刻和报文内容，用滤波算法解算其当前时刻的位置；当水下移动节点没有接收到定位报文时刻，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。本发明专利技术还包括实施本发明专利技术方法的系统。

Passive location method for underwater mobile nodes based on Beidou beacon and its system

A passive location method of underwater mobile node based on beacon beacon, including: step 1. the sea surface beacon node receives the positioning and navigation signal broadcast by the Beidou satellite navigation system, updates its own position in real time, and synchronize with the Beidou clock, and the 3 sea surface beacons at the vertex of a triangular grid will make their position and serial number The information is combined into a location message, and the timing table of the location of the message is sent according to itself, and the underwater mobile node is broadcast at the same time; step 2., when the underwater mobile node receives the location message, uses the filtering algorithm to calculate the location of the current time by using the filtering algorithm. When the location message is received, the location of the current time can be estimated by using the filtering algorithm. The invention also includes a system for implementing the method of the invention.

【技术实现步骤摘要】
基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法及其系统
本专利技术涉及水下移动节点的无源定位方法及其系统，具体涉及到采用北斗卫星定位导航系统实现海面信标节点的定位，基于多个海面信标节点定位信号实现水下移动节点无源定位的方法与系统。
技术介绍
随着人类日益频繁开展海洋活动，如海洋资源探查、灾害预防警告、海洋战争等，水下无人设备得到广泛应用。因此，水下无人设备的定位与导航受到广泛关注。在水下环境中，由于无线电信号与光信号衰落较快，无法满足长距离传播要求，而声音在水中传播是透明的，因此，一般采用声波进行长距离传输，从而水声定位成为水下无人设备定位的常用手段。但是，水声定位方法仍面临许多挑战。首先，声波在传输中带宽较小，导致传输速率远低于射频信号；其次，声波的传播速度在1500m/s左右，会有较大的传播时延，并且不均匀介质会导致水下声波传播速度不是一个常数，进而使传播轨迹不是一条直线；另外，水下时变的信道条件和多径传播现象，导致链路传输质量较差。因此，高精度的水下定位是一个需要解决的难题。陆地与海面设备的定位导航有很多成熟技术，如卫星导航(GPS,北斗等)。这些定位导航系统采用电磁波定位，因为海水对电磁波的强吸收作用，导致这些陆地与海面的定位系统在水下失去其应有的定位效果。目前广泛应用的水声定位系统按基线长短可分为长基线、短基线和超短基线。其中，现有的长基线定位系统可用于水下无人设备的自主定位，要在海底布设传感器阵列，采用应答机制进行测距，从而得到较高的定位精度，但是需要固定水域内的部署水声应答装置，而且应答器节点位置标定难度高，使其实现代价较高；短基线水声定位系统需要在载体平台上布放传感器阵列，水下无人设备安装应答器，可对水下无人设备进行定位，但是无法实现水下无人设备自主定位；超短基线水声定位系统需要在载体平台上布放声学基线阵列，水下无人设备安装应答器，采用应答机制实现对水下无人设备定位，但是同样无法实现水下无人设备的自主定位。另外，短基线和超短基线水声定位系统的基线尺度远小于长基线，作用范围有限，无法满足大区域海域的定位要求。水下无人设备定位导航的另一种实现方式是惯性导航系统，但是其水下定位误差会积累，且没有很好的消除机制，随着时间的推移会逐渐恶化，从而导致很难实现精确定位；同时，高精度的惯性测量单元体积庞大，价格高昂。惯性导航系统与卫星定位导航系统组合定位也是一种惯用手段，卫星定位导航信号的引入可以使浮出水面的水下无人设备实现位置修正，实现较好的定位效果。但是，设备的上浮与下沉过程会中断水下无人设备的任务降低作业效率，同时消耗能源，更不利于水下无人设备的隐蔽性。目前也有提出基于海面信标节点的水下目标定位技术，即首先利用卫星定位导航系统实现海面信标节点的定位，然后基于多个海面信标节点定位信号实现水下移动节点的定位。已有基于海面信标节点的定位系统中，经检索，美国专利号US7512036B2公开的一种水下定位的系统和方法和美国专利号US5119341公开的一种扩展GPS水下应用的方法，两者的局限性在于假设海面信标节点和水下目标节点之间时间同步，同时未考虑水下节点时钟会出现偏移问题，导致定位误差的增大；中国专利申请号CN200310118440专利技术公开的一种无高稳定频标的水下GPS定位导航系统和方法与中国专利申请号201210065951专利技术公开的一种基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及系统,两者的局限在于利用了双程测距解决信标节点和目标节点之间无法一直保持同步问题，即水下节点需要发送请求定位信号，与海面定位信标进行交互。但双程测距会导致水下目标的隐蔽性差，功耗增加，且会使实现定位的水下节点数目受到限制；中国专利申请号201410073253公开了一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法,局限在于该系统默认为信标节点和目标节点之间存在固定的时间差,未考虑水下目标的时钟会出现的频偏和相偏。另外，上述系统都没有考虑水声传播路径弯曲问题。本专利技术要解决的技术问题是在无法保证海面信标节点与水下移动节点时钟同步，且不采用应答机制测距情况下，实现水下移动节点的无源自主定位。
技术实现思路
本专利技术要克服现有技术的上述技术缺点，提供了一种基于北斗海面信标的水下移动节点无源定位方法及其系统。一种基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控系统，并校准主控系统时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控系统把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文。根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学系统广播定位报文；2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学系统完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控系统；水下移动节点的主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控系统的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控系统的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。步骤1中，海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位系统的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；步骤1中，海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；步骤1中,3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(CodeShiftKeying,CSK)相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信。每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列。步骤2中，由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰(MultipleAccessInterference，MAI)，恢复期望的定位报文信息。步骤2中，水下移动节点位置解算方法如下：a.当水下移动节点的声学接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括如下步骤：步骤1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控系统，并校准主控系统时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控系统把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学系统广播定位报文；海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位系统的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址CDMA方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控CSK相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列；步骤2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学系统完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控系统；水下移动节点的主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控系统的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控系统的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰MAI，恢复期望的定位报文信息。水下移动节点位置解算方法如下：a.当水下移动节点的声学接收系统接收到3个定位报文时：(1)解算模块会接收到来自主控系统的经度、维度、高程、定位报文到达时刻Ti(i＝1,2,3指代信标序号)与水下移动节点的深度信息；以T1为参考时间，得到不同定位报文到达时间差：ΔT12＝T2‑T1和ΔT13＝T3‑T1；(2)解算模块利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系，结合高程作为信标节点的三维坐标位置(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,3指代信标序号；水下移动节点位置设为(Xt,Yt,Zt)，t指代水下移动节点，其中Zt为深度信息，通过压力传感器获取，作为已知量；海面信标节点i到水下移动节点之间距离表示为...

【技术特征摘要】
1.基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括如下步骤：步骤1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控系统，并校准主控系统时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控系统把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学系统广播定位报文；海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位系统的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址CDMA方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控CSK相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列；步骤2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学系统完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控系统；水下移动节点的主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控系统的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控系统的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰MAI，恢复期望的定位报文信息。水下移动节点位置解算方法如下：a.当水下移动节点的声学接收系统接收到3个定位报文时：(1)解算模块会接收到来自主控系统的经度、维度、高程、定位报文到达时刻Ti(i＝1,2,3指代信标序号)与水下移动节点的深度信息；以T1为参考时间，得到不同定位报文到达时间差：ΔT12＝T2-T1和ΔT13＝T3-T1；(2)解算模块利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系，结合高程作为信标节点的三维坐标位置(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,3指代信标序号；水下移动节点位置设为(Xt,Yt,Zt)，t指代水下移动节点，其中Zt为深度信息，通过压力传感器获取，作为已知量；海面信标节点i到水下移动节点之间距离表示为(3)由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化,声速剖面表示为c(z)，z表示深度变量；利用Snell定律，建立海面信标节点i(i＝1,2,3)和水下移动节点之间的水平距离、传播延时与传播常数之间的关系,并离散化可得：其中ρi、τi和ni表示海面信标节点i(i＝1,2,3)到水下移动节点对应的水平距离，传播时延和传播常数；N表示c(z)上的采样点数量，在深度Zi和Zt之间均匀采样，j表示采样点序号，zj表示采样点处的深度，c(zj)表示深度zj对应的声速，海面信标节点i和水下移动节点直线距离与传播时延之间比值表示为：由于各项之间变化量较小，上式可简化成：根据泰勒展开，上式可进一步简化成：由于信标节点都位于海面，信标节点之间深度差别较小，因此认为不同海面信标节点和水下移动节点的直线距离与传播时延之间比值相等，并表示为m，即：基于上式，当得到不同海面信标节点定位报文的传播时延之间的差值后，可以得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13，以节点1为参考，即：(4)基于步骤(3)可知，解算模块得到了不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13；建立扩展卡尔曼滤波的观测方程和状态方程：θt,k＝θt,k-1+TkVk-1+wk(8)其中，下标k-1和k表示卡尔曼滤波中引入的时刻标量，为k-1和k时刻，ΔD12,k，ΔD13,k表示k时刻的观测量，即k时刻不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；θt,k和θt,k-1分别表示k时刻和k-1时刻的状态矢量，即水下移动节点的二维坐标(Xt,k,Yt,k)和(Xt,k-1,Yt,k-1)；Zt,k表示k时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈惠芳，谢磊，方国灿，徐文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33