[发明专利]基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明是通过以下方案实现的：

本发明基于GNSS卫星的水下航行器定位方法，包括如下步骤：

(1)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(6)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Δt