一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法，所述系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成。浮标接收GPS信号，浮标之间相互无线通讯，实现DGPS定位。浮标向水中广播导航信号。用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用。水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，通过接收浮标的导航信号，解算出自身在地球坐标内的位置以及相对于基站的精确位置，并实现与UTC时间同步。系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。本发明专利技术可以用于水下勘探、水下施工、水下安防、水下导航等领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法，所述系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成。浮标接收GPS信号，浮标之间相互无线通讯，实现DGPS定位。浮标向水中广播导航信号。用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用。水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，通过接收浮标的导航信号，解算出自身在地球坐标内的位置以及相对于基站的精确位置，并实现与UTC时间同步。系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。本专利技术可以用于水下勘探、水下施工、水下安防、水下导航等领域。【专利说明】一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法
本专利技术涉及水下定位导航领域，尤其涉及水下目标隐蔽情况下的定位导航以及时间同步技术。
技术介绍
水下导航定位导航技术在海洋监测、海洋勘探、海洋维权、水下考古、水下施工、水下安保及军事等领域有非常重要的应用价值。基于声学的水下定位导航系统按照水声信号的传播路径，主要分为两类:双程模式和单程模式。双程模式又称作应答模式，需要水下定位设备配置收发应答器。浮标和应答器之间双向收发水声信号实现定位。传统的长基线、短基线和超短基线定位系统大都是双程模式。双程模式的优点是水下应答器和浮标之间不需要时间同步。缺点是:1.水下应答器需要向外界发射声波信号，增加了功耗，隐蔽性差。2.由于需要双向收发信号，水下应答器的数目受制与浮标的处理能力，不能无限增加。单程模式又称非应答模式。浮标和水下定位设备之间单向传送信号即可实现定位。目前单程定位系统都是水下信标向浮标发送信号，浮标根据接收到信号的特征解算出水下信标的位置。这种模式下，水下信标的数目也受制于浮标处理能力。目前的单程和双程模式，其信标的位置解算都是在浮标或者船基、岸基完成。信标不能直接获得自身位置。如果水下设备(如水下潜航器)需要根据自身位置实现自主航行，则需要通过额外的通信链路，将位置信息从浮标发送给水下设备。经检索，中国专利申请号CN200310118440的专利技术专利公开了一种水下GPS定位导航方法和系统，可以实现水下目标定位导航与授时。该方法有以下局限性:1.系统所需部件庞大，需要至少5个浮标(浮标)，数据中心、海面无线通信链路，水下无线通信链路。2.水下导航接收机与浮标需要双向通信。水下定位导航接收机需要向外发射水声信号，功耗大且不利于隐蔽。3.水下定位导航接收机数量不能无限增加。4.水下导航接收机无法直接获得自身位置。数据中心解算出位置之后，通过水声通信链路发送给水下定位导航接收机。增加了定位所需的时间，降低了可靠性。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法，实现基于扩频通讯广播模式的单程水下定位导航。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，该系统由GNSS (GlobalNavigationSatelliteSystem)卫星、至少4个DGPS浮标和至少I个水下定位导航接收机组成，其中:所述DGPS浮标，通过GPS天线接收现有GNSS卫星信号，实现自身位置定位；各DGPS浮标之间通过无线通讯天线相互通讯，传送GNSS卫星数据，组成差分GPS(DGPS)系统，实现各个DGPS浮标相对地球坐标的定位，以及各DGPS浮标之间相对位置的精确定位；通过GNSS卫星授时功能，实现DGPS浮标时间与UTC时间同步；所述DGPS浮标，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用；所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的DGPS浮标信号，解算出自身位置，并实现与UTC时间同步，系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。优选地，所述DGPS浮标的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的O和1，导航信号包含测距码、导航电文信息:所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为Pz，周期为PP。每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码，记为Pi,不同的Pi相互准正交，即它们的互相关函数的峰值Pcii与自相关函数的峰值Pesi之间的关系满足【权利要求】1.一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，该系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少I个水下定位导航接收机组成，其中: 所述DGPS浮标，通过GPS天线接收现有GNSS卫星信号，实现自身位置定位；各DGPS浮标之间通过无线通讯天线相互通讯，传送GNSS卫星数据，组成差分GPS系统，即DGPS系统，实现各个DGPS浮标相对地球坐标的定位，以及各DGPS浮标之间相对位置的精确定位；通过GNSS卫星授时功能，实现DGPS浮标时间与UTC时间同步； 所述DGPS浮标，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用； 所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的DGPS浮标信号，解算出自身位置，并实现与UTC时间同步；系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。2.根据权利要求1所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，其特征在于，所述DGPS浮标的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的O和1，导航信号包含测距码、导航电文信息: 所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为Pz，周期为Pp;每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码，记为Pi,不同的Pi相互准正交，即它们的互相关函数的峰值Pqh与自相关函数的峰值Prai之间的关系满足 3.根据权利要求1或2所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，其特征在于，所述DGPS浮标的绝对位置或者相对位置已知，DGPS浮标之间保持时钟同步。4.根据权利要求1或2所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，其特征在于，所述DGPS浮标布置在水面、水中或水底，DGPS浮标的位置固定或者移动。5.根据权利要求1或2所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，其特征在于，所述DGPS浮标以声波的形式，向水下发射导航信号，信号调制模式采用扩频通信模式。6.一种基于DGPS浮标的水下定位导航方法，该方法包括DGPS浮标发射导航信号步骤、水下定位导航接收机接收DGPS浮标信号并进行定位导航解算步骤； DGPS浮标记为Si，其中i = 1，2，...，m，其中m为DGPS浮标数量，m≤4，DGPS浮标的位置坐标分别Sei = (Xi, Yi, Zi)； 所述DGPS浮标发射导航信号步骤，具体如下: ①生成导航电文，记为Di,导航电文由同步帧和信息帧组成，同步帧是一组固定的二进制数据，记为T ;信息帧包含了 DGPS浮标时间和DGPS浮标位置坐标； ②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为Hi= DiXPi ； ③利用扩频后的信号Ki,对载波进行调制:因为所有DGPS浮标与UTC时间同步，可实现载波同步，即所有DGPS浮标的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为Xi, Xi = CXKi =CXDiXPi ；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，该系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成，其中： 所述DGPS浮标，通过GPS天线接收现有GNSS卫星信号，实现自身位置定位；各DGPS浮标之间通过无线通讯天线相互通讯，传送GNSS卫星数据，组成差分GPS系统，即DGPS系统，实现各个DGPS浮标相对地球坐标的定位，以及各DGPS浮标之间相对位置的精确定位；通过GNSS卫星授时功能，实现DGPS浮标时间与UTC时间同步； 所述DGPS浮标，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用； 所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的DGPS浮标信号，解算出自身位置，并实现与UTC时间同步；系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：关新平，赵健康，王红雨，贺超峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31