一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法技术方案

本发明专利技术的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，面向海洋科考、勘探、作业、安防等对水下多用户、高精度的定位导航需求，包括信号设计和信号处理两个步骤，信号设计过程中采用直接扩频序列来设计信号，设计完成的信号通过长基线水声定位系统的发射电路和换能器发射出去，而信号处理过程采用与信号设计过程相同的参考直接扩频序列进行处理，可以同时得到多普勒频移和码相位，准确估计得到信号的发射时刻，可以保证较高测距精度，由于使用直接扩频序列技术设计信号，利用直接扩频序列码的自相关和互相关特性，区分不同信标，使水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。

A signal design and processing method for high precision underwater acoustic positioning system

【技术实现步骤摘要】
一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法
本专利技术涉及水下定位导航
，特别涉及一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法。
技术介绍
海洋是国家可持续发展的重要支撑，水下定位导航技术是海洋探索与开发的基础支撑技术，目前，水下定位导航应用比较多的有惯性导航、地形匹配、地磁导航、多普勒测速以及水声定位导航等，惯性导航设备具有隐蔽性好、导航信息连续、短期定位精度和稳定性高等优点，但受自身累积误差的影响，定位精度随时间发散严重；地形匹配和地磁导航技术均需要提前获取作业区域内的相关数据信息，因此在作业中的应用受到极大的限制；多普勒测速能够提供稳定可靠的速度信息，通过速度积分能够获得水下机器人的位移信息，目前大多数水下机器人也主要采用惯性导航与多普勒组合的定位导航模式；水声定位导航技术可以为水下机器人长期、实时、准确的提供高精度定位数据，从而成为海洋探测开发不可或缺的一种定位手段。根据测量基线的长度不同，水声定位导航系统可以分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统，长基线系统因为其基线较长，因而相对的定位精度较高，但传统的长基线系统在深水使用时，一般采用问答的双程工作模式，导致其定位精度仍然无法满足实际需求，而且限制了系统的用户数目，大大限制了长基线水声定位系统使用的范围。
技术实现思路
鉴以此，本专利技术提出一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，可以同时得到多普勒频移和码相位，从而可以准确估计得到信号的发射时刻，保证较高测距精度，同时，应用本专利技术的水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，从而缩短双程工作模式下信号传播的时间，提高系统的定位精度。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，包括以下步骤：步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。优选的，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：GP≥-(SL-TL-NL)；其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。优选的，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。优选的，所述步骤S3中的定位电文信息包括发送信号的时刻信息以及声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码。优选的，所述步骤S4中的模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。优选的，所述步骤S5中以BPSK方式调制载波信号的具体步骤为：在相邻的时间间隔上所传的序列为0或者1时，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输。优选的，所述步骤S6中从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4的采样时间控制法则为：采样时间下限为1个直接扩频序列周期持续时间，采样时间上限为1位定位电文信息持续时间。优选的，所述步骤S7中的同相参考载波信号序列X5的表达式为：X5＝cos(2π×(F0±N×Fstep)×t)；其中F0为载波信号的中心频率，N为自然数且满足max(N)＝[Fmax/Fstep]+1，t为采样点数，且t＝1，2，...；正交参考载波信号序列X6的表达式为：X6＝sin(2π×(F0±N×Fstep)×t)。优选的，所述步骤S8的具体步骤为：本地生成参考直接扩频序列后，对参考直接扩频序列进行采样并顺移一位采样点，然后分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8。优选的，所述步骤S10中的检测阈值Vt的取值不低于20dB。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，利用直接扩频序列，通过信号处理可以获得多普勒频移和码相位，可以准确估计得到信号的时延，提高了系统的测距精度，另一方面，利用直接扩频序列的自相关和互相关特性，区分不同信标，应用本专利技术的水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，不仅可以缩短双程工作模式下信号传播的时间，还可以提高系统的定位精度，同时可以解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法的流程图；图2为直接扩频序列为127位Gold码序列的仿真图；图3是定位电文信息与Gold码序列经过模二加运算后，调制的载波数据仿真图；图4是考虑高斯白噪声时发射信号仿真图；图5是本专利技术接收信号处理结果仿真图。具体实施方式为了更好理解本专利技术
技术实现思路
，下面提供一具体实施例，并结合附图对本专利技术做进一步的说明。参见图1，本专利技术提供的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，基于长基线水声定位系统来进行使用，使用中涉及到系统中的发射电路、换能器、水听器还有接收机等现有装备，方法主要分为两部分，第一部分为信号设计过程，第二部分为信号处理过程，信号设计过程包括步骤S1-步骤S5：步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；步骤S4、对定位电文本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；/n步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；/n步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；/n步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；/n步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；/n步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；/n步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值F

【技术特征摘要】
1.一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；
步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；
步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；
步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；
步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；
步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；
步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；
步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；
步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；
步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。


2.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：
GP≥-(SL-TL-NL)；
其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。


3.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。


4.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈斌坚，吕成财，田川，刘立昕，张胜宗，赵强，
申请(专利权)人：中国科学院深海科学与工程研究所，
类型：发明
国别省市：海南;46