一种网络化水声定位节点系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括：矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，并根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于水声信号处理领域，特别涉及一种网络化水声定位节点系统及方法。
技术介绍
水下声学定位技术随着声纳的专利技术开始出现，逐渐形成了基于基线的水下定位方法，匹配场被动定位方法，水下GPS定位方法以及基于矢量水听器的目标检测与定位方法 坐寸ο基于基线的水下定位方法包括超短基线定位系统(USBL/SSBL)、短基线定位系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)。基于基线的水下定位方法都是相对定位系统，并且多为对合作目标的定位，不同的声学定位系统定位精度不同。长基线定位系统的定位精度较高，但是不易铺设。匹配场被动定位方法所采用的数学模型精确，可以充分利用声场的各种信息，可以得到较远的作用距离和较高的精度，特别是在浅海中有很大的应用价值。但是，该方法计算量大，而且对外界条件的变化十分敏感，对环境参数的测量有很高的要求。水下GPS定位系统将GPS系统和水下声学系统集成在一起，完成卫星定位与水声测量功能，并提供无线电通讯链路，实现整个系统的协同工作。但是，该系统需要浮标天线作为接收GPS信号的装置，不易于隐蔽，而且浮标设计技术难度较高，存在风险。水声接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，或标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，传统的方法采用的是标量换能器(声压换能器)，只能测量声场中的标量参数。矢量换能器不仅可以测量声压信号，还可测量声场中的矢量参数，即x，y，z方向的振速信号。矢量传感器获得了更多声场信息，丰富了一系列基于矢量信号的探测与定位算法。基于单矢量传感器的探测算法需要传感器的姿态参数作为辅助信息，即除了矢量传感器信号外，探测节点还需要配备罗经或其它姿态传感器并通过一定的协议采集该传感器信号。因此，做好矢量传感器数据与姿态传感器数据的同步融合是实现单矢量传感器探测算法基本要求。网络化定位技术是由多个基于矢量传感器的节点组成的网络联合探测实现定位的，网络化定位技术集成了矢量传感器探测技术，水声通信技术、网络技术等，具有目标定位准，作用范围大，成本相对低廉等优点，市场前景和应用范围广泛。在单节点探测的基础上实现网络化定位的前提就是做好各节点的数据同步。节点在水下工作时间长，工作环境相对恶劣，给数据的精确同步(精确到us)提出了更高的要求。
技术实现思路
本技术的目的在于，为解决上述问题，提出一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，并根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。优选地，本技术的节点系统中，所述的电子系统包括可编程逻辑器件(FPGA)，用干与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。 优选地，本技术的节点系统中，所述的DSP为ADSP-BF548，并移植uClinux嵌入式操作系统。优选地，本技术的节点系统中，所述的电子系统还包括以下外设PATA硬盘、SD 卡、100M 以太网、RS485/RS232 接口和 GPIO0优选地，本技术的节点系统中，所述的保持装置包括浮球、沉块及收放装置。优选地，本技术的节点系统中，所述的姿态传感器是三维同振球形矢量水听器，含有三个正交矢量通道和一个声压通道。优选地，本技术的节点系统中所述矢量通道采用集成压电加速度计作为传感器。优选地，本技术的节点系统中，所述每个矢量通道采用的加速度计为2个，且采用差分方式输出。优选地，本技术的节点系统中，所述声压通道采用8只压电陶瓷球形声压水听器并联，或者所述声压通道采用4只压电陶瓷球形声压水听器并联。本技术的优点在于，它设计了节点的电子系统，该电子系统采用先进的低功耗数字信号处理器(DSP)作为控制核心，并开发了嵌入式操作系统，使得整个节点工作更加稳定；本技术还设计了网络节点同步方法，使用GPS授时作为节点开始工作的绝对时刻，并用铷原子钟代替普通的晶振作为系统的时钟源，为多节点协同探測算法的实现提供了严格的同步；本技术还设计了数据融合机制，采用可编程逻辑器件(FPGA)采集矢量水听器的信号并与姿态传感器数据、时间戳融合后再打包上传到DSP的机制，增强了系统的灵活性，使系统层次明晰，工作便捷。附图说明图I是根据本技术的一个实施例的节点系统的整体的示意图；图2是图I的实施例中的电子系统的功能框图；以及图3是根据本技术的节点系统的网络化定位示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术的实施方式进行详细的说明。根据本技术的一个实施例，本技术的基于水听器的网络化水声定位节点系统包括矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，井根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。DSP用于处理矢量传感器提供的矢量信号和姿态传感器提供的姿态信号。在ー个优选实施例中，DSP为ADSP-BF548，并移植uClinux嵌入式操作系统。由于BF548具有丰富的外设接口，且uClinux具有出色的稳定性，这两大优势使得本技术的节点系统可以实现可靠、稳定、低功耗、便捷地工作。根据此实施例，节点系统主要的外设有PATA硬盘，SD卡，IOOM以太网，RS485/RS232接口，GPIO等。根据此实施例，节点系统包括可编程逻辑器件(FPGA)，用于与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。具体地，FPGA通过异步串行接口(UART)协议与罗盘、温度计等传感器通信，采集系统姿态、环境温度等信息；通过SPI协议采集多路信号。然后，按照一定格式将上述数据发送给DSP，DSP收到数据后做相关处理。此实施例 中的电子系统以GPS授时作为开始工作的起始时刻。GPS的标准输出有两个部分时间方位信息和秒脉冲(PPS)。当GPS定位(搜到定位卫星)后，从下一秒开始连续输出周期为Is的脉冲信号，脉冲信号长度为50ms。用FPGA采集时间方位信息直至GPS输出第一个秒脉冲，该时刻为上述时间方位信息的下一秒。以该时刻作为整个系统工作的起始时刻，采用具有2E-12精度的铷原子钟代替普通的晶振计时，并且FPGA给每包数据打上时间戳，这样能够保证系统时间与起始时刻的精确对准。此实施例中，矢量传感器的信号经过前置放大、滤波、二次放大后转换为数字信号，ADC与FPGA的接口协议为SPI协议。姿态传感器与电子系统的电气接口为异步串行接口，FPGA通过RS232协议与姿态传感器通讯，发送控制命令，采集传感器信息。基于单矢量传感器的探测算法需要实时的姿态信息作为辅助参量，为了与矢量传感器数据同步，在FPGA中对数据进行融合，并将融合的数据打上由铷原子钟计时器确定的时间戳。此实施例中，矢量水听器为三维同振球形矢量水听器，包括三个正交矢量通道和一个声压通道。矢本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.12.30 CN 201010623323.81.一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括 矢量传感器，用于提供矢量信号； 姿态传感器，用于提供姿态信号； 保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态； 电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，井根据处理结果进行定位， 其特征在于所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。2.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的电子系统包括可编程逻辑器件FPGA，用干与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。3.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的DSP为具有多种外部设备接ロ，适用于系统控制并可以移植...

【专利技术属性】
技术研发人员：支绍龙，曾雄飞，吴玉泉，李宇，尹力，黄海宁，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：实用新型
国别省市：