[发明专利]一种水下定位导航系统和方法

权利要求书

1.一种水下定位导航系统，该系统由至少4个基站和至少一个水下定位导航接收机组成，其中：

所述基站之间时间同步，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用；

所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的基站信号，解算出自身位置，并实现与基站时间同步；系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。

2.根据权利要求1所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的0和1，导航信号包含测距码、导航电文信息：

所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P；每个基站对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i，不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足

根据测距码P_i即能确定其对应的基站S_i；

所述导航电文包含基站时间，基站位置信息，导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站的绝对位置或者相对位置已知，基站之间保持时钟同步。

4.根据权利要求1或2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站布置在水面、水中或水底，基站的位置固定或者移动。

5.根据权利要求1或2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述基站以声波的形式，向水下发射导航信号，信号调制模式采用扩频通信模式。

6.一种水下定位导航方法，该方法包括基站发射导航信号步骤、水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算步骤；

基站记为S_i，其中i=1,2,…,m，其中m为基站数量，m≥4，基站的位置坐标分别S_ci=(x_i,y_i,z_i)；

所述基站发射导航信号步骤，具体如下：

①生成导航电文，记为D_i，导航电文由同步帧和信息帧组成，同步帧是一组固定的二进制数据，记为T；信息帧包含了基站时间和基站位置坐标；

②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为K_i，K_i=D_i×P_i；

③利用扩频后的信号K_i，对载波进行调制，所有基站时间同步，实现载波同步，即所有基站的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为X_i，X_i=C×K_i=C×D_i×P_i；

④将导航信号X_i通过基站发射到水中；

所述水下定位导航接收机接收基站信号并进行定位导航解算，具体如下：

定位导航接收机在水下，其坐标为R_ci=(x,y,z)，与基站之间的距离为开始的时候，接收机的时间，记为t，与基站时间t₀不同步，其时间差为△t=t₀-t；接收到基站发射的导航信号，记为Y，系统中有多个基站，接收到的信号Y包含了多个基站发射的信号，然后进行定位导航解算。

7.根据权利要求6所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，所述定位导航解算，具体步骤如下：

①信号解调分离：利用码测距码P_i的正交性，将各个基站的信号解调并分离出来；即：依次将各个测距码P_i依次与信号Y进行相关运算，如果相关运算的结果大于设定的阈值，则该路信号对应了第i个基站发射，经过水体传播后，被接收机接收到的信号，记为Y_i；

②信号跟踪：实现信号分离之后，对各路信号Y_i分别跟踪；即在t时刻，将信号Y_i依次与对应的测码P_i进行相关运算，测出相关峰值相对于的开始位置的时间，称为码相位；

③帧同步及导航电文解析：接收到的信号Y_i与同步帧T比对，确定导航电文的开始时刻，记为t_Si，从t_Si时刻开始，对测距码进行整周期计数，计数值记为N_i；依次对导航电文进行解析，得到基站位置和基站时间；

④伪距测量：利用从帧同步开始的计数值N_i和码相位计算出导航信号从基站S_i到接收机的传播时间T_i，根据声波在水中的传播速度c计算基站S_i到接收机的伪距L_i，L_i=c×T_i；传播时间T_i包含了接收机与基站的时间差△t，伪距L_i、基站S_i到接收机之间的实际距离L_Si关系为：

L_i=L_Si+c△t；

⑤定位解算：水下定位导航接收机接收到一个基站的信号，即得到一个伪距，接收到全部m个基站信号之后，即获得m个伪距方程，组成如下方程组

(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2+cΔt=L1(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2+cΔt=L2...(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2+cΔt=Li]]>

以上方程组有4个未知数：x,y,z,△t，方程组中独立方程的个数m≥4，求解方程组，得获得接收机的位置坐标x,y,z以及与基站的时间差△t，利用△t对接收机时间进行修正，即实现接收机时间t与基站时间t₀同步。