[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

说明书

一种基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括：步骤1.船基依次对海底信标节点进行编号、时钟同步驯服与布放，并通过短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定，将定位结果发送至相应海底信标节点；步骤2.海底信标节点将自身的序号、经度、纬度、深度等信息组合成定位报文；根据定位报文的发送时序，处于一个正方形栅格顶点的海底信标节点同时通过综合定位/通信功能的声学收发模块发送定位报文；步骤3.水下无人设备接收海底信标节点的定位报文，将定位报文中的经度、纬度、深度和定位报文到达时刻传输给解算模块。当接收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算。本发明还包括实施本发明方法的系统。

技术领域

本发明属于水下无人设备定位领域，具体涉及一种采用短基线水声定位系统实现海底信标节点的定位，并基于海底信标节点实现水下无人设备无源自主定位的方法与系统。

背景技术

在新国际形势下，各国面临日益严峻的海洋权益问题，水下安防成为大国博弈的关键。因此，建立海洋环境立体监测系统成为各国一项紧迫的战略任务。同时，随着水下无人设备在海洋勘探、工程建设和海底救捞等海洋活动中的广泛应用，水下无人设备的定位技术得到了普遍关注。

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System,BDS)等卫星定位系统通过电磁波实现陆地和海面设备的精确定位。但是，由于海水对电磁波的强吸收作用，这些系统无法用于水下无人设备的定位。

声波在水下环境具有良好的传播特性，可作为水下长距离信息传输的载体。因此，水下无人设备的定位常采用水声定位系统。根据基线的长度，水声定位系统可分为长基线、短基线和超短基线。长基线定位系统通常需要在海底部署多个基线阵元，基线长度在几百米至几千米之间。系统通过测量水下无人设备与海底信标节点之间的距离实现定位解算。长基线定位系统的优点是定位精度较高；缺点是基线阵元的布放、校准和回收过程较为繁琐。短基线定位系统将基线阵元安装在载体上，基线长度在几米至几十米之间。系统通过测量声波的传播时间获取斜距，并通过声波传播到不同基线阵元的时间差或相位差获取方位角，从而实现定位解算。短基线定位系统的优点是系统组成相对简单，使用方便；缺点是载体上的基线阵元需要精确调校以构成良好的几何形状，且容易受到载体噪声的干扰。超短基线定位系统将基线阵元安装在载体上，基线长度通常在厘米级。系统通过测量声波传播到各个基线阵元的相位差获取方位角实现定位解算。超短基线定位系统的优点是系统集成度高，使用方便；缺点是测量距离较近，定位精度低于上述两种系统。

基于上述原理，业界提出几种基于海底信标节点的水声定位系统。经检索，哈尔滨工程大学公开了一种基于多个海底信标节点的水声定位系统，但局限性在于假设水下无人设备与海底信标节点的时钟同步，在实际中很难做到；中国人民解放军91388部队公开了一种基于小孔径基阵的水声定位系统，相比于长基线水声定位系统，该系统能获得较高的定位精度，但系统组成复杂，海底信标节点的布放难度较大；上海交通大学公开了一种基于等效声速的水下声学定位方法，该方法利用达到时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)计算等效声速，并通过卡尔曼滤波减小背景噪声的影响，提高定位精度，但该方法需要多次迭代，计算复杂度较高。

另外，现有的水声定位系统大多存在以下问题：

1.定位过程需要水下无人设备发送应答信号。因水下无人设备由电池供电，出于节能的考虑，一些水下无人设备未配备信号发射装置，无法发送应答信号。另外，在特殊安全需求的场景中，出于隐蔽性考虑，水下无人设备不能发送信号。

2.解算算法假设声速固定不变。在水下环境，声速随温度、盐度和深度变化，如果按照固定声速解算会降低定位的准确度。

3.解算算法假设声线沿直线传播。在水下环境，声线向具有较小声速的水层方向弯曲，如果按照直线传播的模型处理会降低定位的准确度。