本发明专利技术公开了基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法。定位系统包括水下磁感应发射机中的定位信号产生模块、磁感应发送模块和水下磁感应接收机中的磁感应接收模块、定位信号处理模块和位置估计模块。首先水下磁感应发射机将处理后的定位信号依次加载在三向发送天线的三个线圈上，水下磁感应接收机从三向接收天线获取信号后进行处理，估计出接收信号强度和多路接收信号之间的相对相位信息，计算得到估计的发送端在接收坐标系中的位置。本发明专利技术定位系统实现复杂度低，且具有与水下磁感应通信系统的兼容性；采用的定位方法的计算复杂度低，且能在通信的同时直接在接收端估计出发送端的位置，避免了位置信息反馈额外带来的通信开销。额外带来的通信开销。额外带来的通信开销。
【技术实现步骤摘要】
基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法
[0001]本专利技术属于水下磁感应通信
，特别是水下磁感应通信中的定位
涉及一种基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法，在接收端实现对发送端的位置估计。
技术介绍
[0002]随着日益增长的海洋资源勘探和环境监测的需求，水下无线通信技术成为热点方向。无线磁感应通信作为一种近场通信，有着传播时延低、信道响应稳定、多径效应可忽略等优点，能够在水下环境中实现高速的近距离传输。在水下磁感应通信中，如果一个磁感应通信节点能够获取与之通信的另一个节点的位置，则可以带来诸多增益，例如向着该节点的位置移动，或通过调整发送时的馈电策略，使发送信号的能量更为集中地到达接收端从而提高通信可靠性等。因此，如何在通信的同时实现位置估计，具有较高的现实意义。
[0003]通常情况下，单个点对点天线无法实现在三维空间中的定位，但使用三向天线则可以较好地解决这个问题。三向天线中存在三个相互正交的线圈，具有一定的空间位置分辨能力。传统的磁感应定位方法在接收端处理接收到地发送天线阵列发出的信号，从而估计出自身在发送坐标系中的位置。例如，申请号201711455499.5的中国专利技术专利申请了一种地下空间三维磁感应定位系统，申请号202011303948.6的中国专利技术专利申请了一种基于磁感应强度与特征矢量的磁信标定位方法及系统，但其局限均在于仅在接收端对自身位置进行了估计。在水下磁感应通信中，假设有两个磁感应节点，分别为节点A和节点B，节点A向节点B发送数据请求报文，节点B在返回数据时需要知道节点A的位置信息以调整馈电策略。上述定位方法需要在通信开始前，执行从节点A到节点B的数据请求报文发送，从节点B到节点A的定位信号发送，以及从节点A到节点B的位置信息反馈的步骤，带来了额外的通信开销。如果在节点A向节点B发送请求报文后，节点B能够直接根据接收到的信号估计出节点A的位置，则避免了上述繁琐的信息交换。
[0004]也有一些现有的方法对发送端进行了定位，例如，申请号201911086599.4的中国专利技术专利申请了一种基于信号方向的磁感应透地定位方法，申请号201911086621.5的中国专利技术专利申请了一种基于路径损耗的磁感应透地定位方法，但其局限均在于接收机包含两个三向天线，且仅实现了垂直定位，即仅能确定发送端在地下的垂直深度。
[0005]综上可知，现有水下磁感应通信位置估计方法仍存在以下问题：
[0006](1)大多磁感应定位方法专注于在接收端实现对自身位置的估计，但这对于在发送端获得接收端位置或在接收端获得发送端位置的应用场景，需要进行位置信息的反馈，引入了额外的通信开销。
[0007](2)对发送端位置进行估计的方法中，并未实现三维空间定位，尚停留在单个维度的垂直定位。
[0008](3)大部分磁感应定位方法需要在发送端或接收端采用多个天线，且对天线安放的位置有要求，但在单个水下磁感应节点上，难以部署具有较大面积的天线阵列，因此这些
方法具有一定的实现复杂度，不适用于水下环境。
[0009]因此，在水下磁感应通信中天线结构简单且能量有限的情况下，实现无需反馈的发送端位置估计是非常必要的。
技术实现思路
[0010]本专利技术的一个目的是针对通信与定位可同时进行，且设计复杂度较低的需求，提供一种三向天线水下磁感应通信发送端定位系统。
[0011]本专利技术的定位系统为融合在磁感应通信系统中的子系统，定位系统包括任意位置和姿态的水下磁感应发送节点和水下磁感应接收节点。水下磁感应发送节点和水下磁感应接收节点的工作角频率相同，能够相互通信。
[0012]水下磁感应发送节点内置定位信号产生模块和磁感应发送模块。定位信号产生模块用于产生定位信号序列；磁感应发送模块包括发送端处理模块和三向发送天线；发送端处理模块用于对定位信号序列进行处理，包括频谱搬移、数模变换和功率放大，执行发送线圈选择，将模拟定位信号作为激励源，分时依次加载在三向发送天线的三个发送线圈；三向发送天线包括线圈平面相互垂直、匝数相同、线圈半径相同的三个发送线圈，三向发送天线在空间中产生磁场，发送模拟定位信号。
[0013]水下磁感应接收节点内置磁感应接收模块、定位信号处理模块和定位模块。磁感应接收模块包括三向接收天线和接收端处理模块；三向接收天线包括线圈平面相互垂直、匝数相同、线圈半径相同的三个接收线圈，用于接收水下磁感应发送节点发送的模拟定位信号；接收端处理模块对三个接收线圈的接收到的三路接收信号进行模数转换，得到三路数字定位信号。定位信号处理模块对三路数字定位信号进行处理，得到定位模块所需的接收信号强度信息和相对相位信息。定位模块用于执行定位算法，对水下磁感应发送节点进行定位。
[0014]本专利技术的另一个目的是提供一种利用以上系统实现水下磁感应定位方法。
[0015]本专利技术方法包含以下步骤：
[0016]步骤(1)水下磁感应发送节点生成定位信号，并通过三向发送天线发送给水下磁感应接收节点，具体是：
[0017](1
‑
1)水下磁感应发送节点中的定位信号产生模块生成定位信号序列：如果定位信号兼做数据请求报文，则直接将数据请求报文的信号序列作为定位信号序列；如果定位信号仅用于定位，则产生固定长度的随机序列作为定位信号序列，为了保持一致性，随机序列长度为与数据请求报文长度相同；
[0018](1
‑
2)水下磁感应发送节点中的磁感应发送模块通过发送端处理模块将定位信号序列进行频谱搬移、数模变换和功率放大，转换为模拟定位信号；
[0019](1
‑
3)磁感应发送模块将模拟定位信号分时依次加载在三向发送天线的三个发送线圈上；三向发送天线在空间中产生磁场，三个发送线圈分时依次发送模拟定位信号。
[0020]步骤(2)水下磁感应接收节点侦听模拟定位信号：磁感应接收模块的三向接收天线接收水下磁感应发送节点发送的模拟定位信号，接收端处理模块对三个接收线圈的接收到的三路接收信号进行模数转换，得到三路数字定位信号；
[0021]步骤(3)定位信号处理模块对三路数字定位信号进行处理，得到定位模块所需的
接收信号强度信息和相对相位信息，具体是：
[0022](3
‑
1)定位信号处理模块对未接收数字定位信号的时隙进行噪声能量估计：对每一条接收链路的采样点计算平方和的平均，作为各条接收链路上的噪声能量E
n1
、E
n2
、E
n3
；
[0023](3
‑
2)水下磁感应发送节点的第i个发送线圈发送模拟定位信号时，水下磁感应接收节点的三个接收线圈上接收到的信号转换为三路数字定位信号分别y
wi1
、y
wi2
和y
wi3
，得到每路接收的纯信号能量E(y
ij
)＝E(y
wij
)...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统，包括任意位置和姿态的水下磁感应发送节点和水下磁感应接收节点，所述的水下磁感应发送节点和水下磁感应接收节点的工作角频率相同；其特征在于：所述的水下磁感应发送节点内置定位信号产生模块和磁感应发送模块；定位信号产生模块用于产生定位信号序列；所述的磁感应发送模块包括发送端处理模块和三向发送天线；发送端处理模块用于对定位信号序列进行处理，包括频谱搬移、数模变换和功率放大，执行发送线圈选择，将模拟定位信号作为激励源，分时依次加载在三向发送天线的三个发送线圈；三向发送天线包括线圈平面相互垂直、匝数相同、线圈半径相同的三个发送线圈，三向发送天线在空间中产生磁场，发送模拟定位信号；所述的水下磁感应接收节点内置磁感应接收模块、定位信号处理模块和定位模块；所述的磁感应接收模块包括三向接收天线和接收端处理模块；三向接收天线包括线圈平面相互垂直、匝数相同、线圈半径相同的三个接收线圈，用于接收水下磁感应发送节点发送的模拟定位信号；接收端处理模块对三个接收线圈的接收到的三路接收信号进行模数转换，得到三路数字定位信号；定位信号处理模块对三路数字定位信号进行处理，得到定位模块所需的接收信号强度信息和相对相位信息；定位模块用于执行定位算法，对水下磁感应发送节点进行定位。2.基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位方法，其特征在于：步骤(1)水下磁感应发送节点生成定位信号，并通过三向发送天线发送给水下磁感应接收节点，具体是：(1
‑
1)水下磁感应发送节点中的定位信号产生模块生成定位信号序列；(1
‑
2)水下磁感应发送节点中的磁感应发送模块通过发送端处理模块将定位信号序列进行频谱搬移、数模变换和功率放大，转换为模拟定位信号；(1
‑
3)磁感应发送模块将模拟定位信号分时依次加载在三向发送天线的三个发送线圈上；三向发送天线在空间中产生磁场，三个发送线圈分时依次发送模拟定位信号；步骤(2)水下磁感应接收节点侦听模拟定位信号：磁感应接收模块的三向接收天线接收水下磁感应发送节点发送的模拟定位信号，接收端处理模块对三个接收线圈的接收到的三路接收信号进行模数转换，得到三路数字定位信号；步骤(3)定位信号处理模块对三路数字定位信号进行处理，得到定位模块所需的接收信号强度信息和相对相位信息，具体是：(3
‑
1)定位信号处理模块对未接收数字定位信号的时隙进行噪声能量估计：对每一条接收链路的采样点计算平方和的平均，作为各条接收链路上的噪声能量E
n1
、E
n2
、E
n3
；(3
‑
2)水下磁感应发送节点的第i个发送线圈发送模拟定位信号时，水下磁感应接收节点的三个接收线圈上接收到的信号转换为三路数字定位信号分别y
wi1
、y
wi2
和y
wi3
，得到每路接收的纯信号能量E(y
ij
)＝E(y
wij
)
‑
E
nj
，i∈{1,2,3}表示三向发送天线的发送线圈编号，j∈{1,2,3}表示三向接收天线的接收线圈编号，E(
·
)表示对信号求能量的操作(计算平方和的平均)；根据纯信号能量估算得到纯信号幅度U
ij
即为编号i号发送线圈发送时，编号j号接收线圈得到的感应电压...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈惠芳，朱家莹，谢磊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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