[发明专利]基于海底信标的水下无人设备无源定位方法及其系统

权利要求书

1.基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括以下步骤：

步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：

步骤11.海底信标节点编号，将序号写入各个海底信标节点的主控模块；

步骤12.海底信标节点同步驯服，使海底信标节点的时钟保持同步；

步骤13.船基在目标海域布放第1个海底信标节点；

步骤14.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基；

步骤15.船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过搭载的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定；

步骤16.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态；

步骤17.重复步骤13-16，完成所有海底信标节点的布放与位置标定；

步骤13中，海底信标节点部署拓扑为：如果海底信标节点为4个，4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域；

步骤15中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位系统发送询问信号，海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号；根据该应答信号，船基的短基线水声定位系统获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度与深度信息，并发送给相应的海底信标节点；

步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：

步骤21.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将节点序号、经度、纬度、深度的信息生成定位报文；

步骤22.根据定位报文发送的时序设计，一个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；

步骤22中，海底信标节点的定位报文发送时序设计为：

步骤221.对拓扑的正方形栅格编号；

步骤222.第1个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；

步骤223.经过固定时间间隔，第2个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；

步骤224.依此类推，直至所有正方形栅格的海底信标节点发送定位报文，完成第一轮定位报文的发送；

步骤225.重复步骤222-224，开始下一轮定位报文的发送；

步骤22中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；

步骤3.水下无人设备的位置解算，具体步骤为：

步骤31.水下无人设备的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态，一旦收到海底信标节点的定位报文，记录定位报文的到达时刻；当收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算；

步骤32.水下无人设备的主控模块解读定位报文内容，将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块；

步骤33.水下无人设备的解算模块将海底信标节点的经度、纬度和深度转换为世界大地坐标系(world geodetic system s4,WGSs4)坐标；

步骤34.水下无人设备的解算模块根据4个海底信标节点的WGSs4坐标与4个定位报文的到达时刻解算自身位置的WGSs4坐标；

步骤35.水下无人设备的解算模块将计算得到的WGSs4坐标转换为经度、纬度与深度，作为定位结果；

步骤33中，WGSs4的定义是：原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向国际时间局(Bureau International de l'Heure,BIH)定义的协议地极(Conventional TerrestrialPole,CTP)方向；x轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点；y轴和z轴，x轴构成右手坐标系；

步骤34中，具体解算步骤为：

步骤341.水下无人设备收到一个正方形栅格中4个海底信标节点的定位报文，解算模块将第i个海底信标节点的经度、纬度与深度转换为WGSs4坐标(x_i,y_i,z_i)，其中，i＝1,2,3,4；水下无人设备在WGSs4的待求坐标为(x,y,z)；

步骤342.假设海底信标节点在t₀时刻同时发送定位报文，水下无人设备收到第i个海底信标节点定位报文的时刻为t_i，海底信标节点与水下无人设备之间未同步的时间差为τ，第i个海底信标节点与水下无人设备之间的距离为ρ_i，声速为c；

步骤343.根据测距方程可得

消去定位报文的发送时刻t₀和未同步的时间差τ，将上式改写为

上式中，Δt_i1＝t_i-t₁；

将上式平方，两两作差得到

上式中,

步骤344.以ρ₁作为主元，将(x,y,z)表示为关于ρ₁的一次函数

上式中

步骤345.将代入测距方程(5)，得到关于ρ₁的一元二次方程

上式中β＝2[a₁₁(a₁₂-x₁)+a₂₁(a₂₂-y₁)+a₃₁(a₃₂-z₁)]，γ＝(a₁₂-x₁)²+(a₂₂-y₁)²+(a₃₂-z₁)²；

步骤346.求解上述方程，将回代到得到水下无人设备的WGSs4坐标(x,y,z)。

2.实施如权利要求1所述的基于海底信标的水下无人设备无源定位方法的系统，其特征在于：由至少4个海底信标节点、水下无人设备和船基组成；

所述海底信标节点包括第一主控模块、短基线水声定位系统的应答器、综合定位/通信功能的第一声学收发模块、压力传感器，负责发送定位报文；

所述水下无人设备包括第二主控模块、综合定位/通信功能的声学第二接收模块、第二解算模块；

所述船基包括短基线水声定位系统、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的第三声学收发模块、第三解算模块，船基为辅助定位系统，部署于海底信标节点覆盖的海域内，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测；

海底信标节点至少为4个，部署拓扑为：4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域；

海底信标节点的定位信号发送时序为：以正方形栅格为单位，位于一个正方形栅格上的4个海底信标节点同时发送定位报文；经过固定时间间隔，下一个正方形栅格顶点上的海底信标节点发送定位报文；直至所有正方形栅格发送定位报文，则完成第一轮定位报文的发送；重复上述步骤，开始下一轮定位报文的发送；

海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，位于一个正方形栅格顶点的4个海底信标节点同时发送定位报文，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；

水下无人设备的定位解算过程如下：

当水下无人设备的综合定位/通信功能的第二声学接收模块收到4个海底信标节点的定位报文时，水下无人设备的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度的信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下无人设备的第二解算模块；水下无人设备的第二解算模块将收到的信息代入测距方程，完成自身位置的解算。