本发明专利技术公开一种基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及系统，在水面上增设多个定位浮标，该定位浮标上携带的GNSS接收机和水声应答机。水下航行器上携带有水声问答机。定位浮标利用GNSS卫星定位技术先完成自身的定位和授时。当水下航行器需要定位时，其上的水声问答机发射的询问信号经由定位浮标上的水声应答器应答后返回至水声问答机。当水下航行器同时获得水面上布设的至少3个定位浮标以及一定的解算关系最终获得水下航行器的三维位置坐标。本发明专利技术能够利用水声相对定位技术将GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标，且定位精度可以保证与GNSS水面定位精度在同一量级。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下航行器定位领域，具体涉及一种基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及系统。
技术介绍
水下航行器有时需要在一定海水深度下长时间航行，但由于目前水下航行器的定位手段和定位设备的局限性，使得航行器航行一段时间以后必须上浮校正位置。目前，航行器主要是以惯导为主的综合水下定位方式来进行定位，由于惯性导航系统的累积误差的影响，航行一段时间以后必须上浮水面来校正其位置，这就严重破坏其正常工作。因此，水下航行器的水下自主快速精确绝对定位一直是世界性难题。GNSS卫星定位系统使整个地球表面以及地球的大部分外部空间实现了全天候定位、导航，广泛应用在交通运输、地形测图、精准农业、防灾减灾等诸多领域。但无线电波无法穿透水，特别是海水，所有卫星定位导航技术在海洋水体内部“失灵”，水下成了 GNSS的 “盲区”。因此，GNSS不能直接满足江河、湖泊、海洋等水下导航和定位的需求。而声音信号在海水中有很好的传播特性，通过水声信号在水中的传播，可以实现水下定位、导航、探测等。因此，若能把GNSS定位技术、水声定位和水下通讯结合起来则有望解决水下航行器水下长时间航行的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用水声相对定位技术将GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标，且定位精度可以保证与GNSS水面定位精度在同一量级的基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及系统。为解决上述问题，本专利技术是通过以下方案实现的本专利技术基于GNSS卫星的水下航行器定位方法，包括如下步骤(I)在水面上布设至少3个定位浮标，上述每个定位浮标上均携带有GNSS接收机和水声应答机；(2)水下航行器上携带有水声问答机；(3)定位浮标的GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机；(4)当水下航行器需要定位时，水下航行器的水声问答机便产生问答信号，并将该问答信号转换为声信号后发送出去；(5)定位浮标的水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去；(6)水下航行器的水声问答机接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定；(7)当水下航行器的水声问答机同时得到至少3个定位浮标到水下航行器的距离时，就可以计算出水下航行器的绝对位置坐标。步骤(4)中水声问答机将问答信号转换为声信号和/或步骤(5)中水声应答机将应答信号为声信号的过程具体如下(a)信息编码将问答信号进行纠错编码和交织编码；(b)扩频调制采用m序列对信息编码后的问答信号进行直接序列扩频；(c)载波调制采用相位想干调制方式对扩频调制后的问答信号进行调制；(d)发射带通滤波将载波调制后的问答信号进行带通滤波；(e)数模转换将滤波后的问答信号进行模数转换；(f)发射放大将模数转换后的问答信号进行发达后发送出去。在步骤￠)中，水声问答机是采用双向单程测距方法实现定位浮标到水下航行器的距离测定的，即(a)定位浮标上的水声应答机通过捕获跟踪水下航行器上的水声问答机发出的反向测距信号，获得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T1 ；(b)水下航行器的水声问答机通过捕获跟踪定位浮标的水声应答机发出的反向测距信号，获得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T2 ；(c)将上述步骤所得时延T1和时延T2,分别带入式③和式④即可得到定位浮标和水下航行器的距离D和时钟差Λ tD+乃)_(々2+,21)].吻Δ = — · @上式中，定位浮标到水下航行器的单向时延迟t12和水下航行器到定位浮标的单向时延迟t12均通过标校获得，c为声波在水中传播的速度。在步骤(7)中，水下航行器的水声问答机将同时得到的至少3个定位浮标到水下航行器的距离D带入式⑤后，能够获得3个或3个以上的定位方程，此后水声问答机通过联立求解这3个或3个以上的定位方程即可计算出水下航行器的绝对位置坐标，其中 D = ^xt-xu)2+(yi-yu)2+(zt-zu)2(5)上式中，(xu,yu,zu)为定位浮标的三维坐标，(X^yijZi)为水下航行器的三维坐标。 本专利技术基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其主要由至少3颗GNSS卫星、布设在水面上的至少3个定位浮标、以及水下航行器组成；其中定位浮标上携带有GNSS接收机和水声应答机；GNSS接收机的接收端与GNSS卫星相连，GNSS接收机的输出端与水声应答机的输入端相连；上述GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机；上述水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去；水下航行器上携带有水声问答机；水声问答机的收发端与水声应答机的收发端连接；上述水声问答机在水下航行器需要定位时，首先将其产生的问答信号转换为声信号后发送出去，然后接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定，最后将同时获得的至少3个定位浮标到水下航行器的距离计算出水下航行器的绝对位置坐标。所述GNSS接收机主要由卫星天线、低噪声放大模块、下变频模块、模数转换模块和基带信号处理模块组成；其中卫星天线接收GNSS卫星信号、其输出端与低噪声放大模块的输入端相连，低噪声放大模块的输出端依次经由下变频模块和模数转换模块与基带信号处理模块的输入端连接，基带信号处理模块的输出端与水声应答机连接。所述水声应答机和/或水声问答机均由收发天线、换能器和信号处理模块组成； 信号处理模块经由换能器连接收发天线；其中水声应答机上的信号处理模块的输入端与 GNSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理模块的输出端与水下航行器上的显示设备连接。所述水声应答机和/或水声问答机上的信号处理模块均包括有发送单元和接收单元；其中发送单元包括发送数据模块、信息解码模块、扩频调制模块、载波调制模块、发送带通滤波模块、数模转换模块、以及发送放大模块；信息解码模块的输入端连接发送数据模块，信息解码模块的输出端依次经由扩频调制模块和载波调制模块与发送带通滤波模块的输入端相连，发送带通滤波模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端经由发送放大模块与换能器的输入端相连；接收单元包括接收放大模块、模数转换模块、接收带通滤波模块、捕获模块、跟踪模块、相干组合模块、解码模块、载波频率和码相位提取模块、以及提取数据和定位模块；接收放大模块的输入端与换能器的输出端相连，接收放大模块的输出端经由模数转换模块与接收带通滤波模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和相干组合模块的输出端均与捕获模块的输入端连接，捕获模块的输出端连接跟踪模块，跟踪模块的输出端分为2路，一路经解码模块与提取数据和定位模块连接，另一路经载波频率和码相位提取模块与提取数据和定位模块连接。本专利技术在水面上增设多个定位浮标，该定位浮标的GNSS接收机利用GNSS卫星定位技术先完成水面上各定位浮标的定位和授时，另外，在水下航行器上配以水声问答机，当水下航行本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙希延，纪元法，符强，王守华，严素清，邓洪高，吴孙勇，张瑞霞，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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