[发明专利]基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法

说明书

本发明公开了基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法。定位系统包括水下磁感应发射机中的定位信号产生模块、磁感应发送模块和水下磁感应接收机中的磁感应接收模块、定位信号处理模块和位置估计模块。首先水下磁感应发射机将处理后的定位信号依次加载在三向发送天线的三个线圈上，水下磁感应接收机从三向接收天线获取信号后进行处理，估计出接收信号强度和多路接收信号之间的相对相位信息，计算得到估计的发送端在接收坐标系中的位置。本发明定位系统实现复杂度低，且具有与水下磁感应通信系统的兼容性；采用的定位方法的计算复杂度低，且能在通信的同时直接在接收端估计出发送端的位置，避免了位置信息反馈额外带来的通信开销。

技术领域

本发明属于水下磁感应通信技术领域，特别是水下磁感应通信中的定位技术领域涉及一种基于接收信号强度的三向天线水下磁感应定位系统及方法，在接收端实现对发送端的位置估计。

背景技术

随着日益增长的海洋资源勘探和环境监测的需求，水下无线通信技术成为热点方向。无线磁感应通信作为一种近场通信，有着传播时延低、信道响应稳定、多径效应可忽略等优点，能够在水下环境中实现高速的近距离传输。在水下磁感应通信中，如果一个磁感应通信节点能够获取与之通信的另一个节点的位置，则可以带来诸多增益，例如向着该节点的位置移动，或通过调整发送时的馈电策略，使发送信号的能量更为集中地到达接收端从而提高通信可靠性等。因此，如何在通信的同时实现位置估计，具有较高的现实意义。

通常情况下，单个点对点天线无法实现在三维空间中的定位，但使用三向天线则可以较好地解决这个问题。三向天线中存在三个相互正交的线圈，具有一定的空间位置分辨能力。传统的磁感应定位方法在接收端处理接收到地发送天线阵列发出的信号，从而估计出自身在发送坐标系中的位置。例如，申请号201711455499.5的中国发明专利申请了一种地下空间三维磁感应定位系统，申请号202011303948.6的中国发明专利申请了一种基于磁感应强度与特征矢量的磁信标定位方法及系统，但其局限均在于仅在接收端对自身位置进行了估计。在水下磁感应通信中，假设有两个磁感应节点，分别为节点A和节点B，节点A向节点B发送数据请求报文，节点B在返回数据时需要知道节点A的位置信息以调整馈电策略。上述定位方法需要在通信开始前，执行从节点A到节点B的数据请求报文发送，从节点B到节点A的定位信号发送，以及从节点A到节点B的位置信息反馈的步骤，带来了额外的通信开销。如果在节点A向节点B发送请求报文后，节点B能够直接根据接收到的信号估计出节点A的位置，则避免了上述繁琐的信息交换。

也有一些现有的方法对发送端进行了定位，例如，申请号201911086599.4的中国发明专利申请了一种基于信号方向的磁感应透地定位方法，申请号201911086621.5的中国发明专利申请了一种基于路径损耗的磁感应透地定位方法，但其局限均在于接收机包含两个三向天线，且仅实现了垂直定位，即仅能确定发送端在地下的垂直深度。

综上可知，现有水下磁感应通信位置估计方法仍存在以下问题：

(1)大多磁感应定位方法专注于在接收端实现对自身位置的估计，但这对于在发送端获得接收端位置或在接收端获得发送端位置的应用场景，需要进行位置信息的反馈，引入了额外的通信开销。

(2)对发送端位置进行估计的方法中，并未实现三维空间定位，尚停留在单个维度的垂直定位。

(3)大部分磁感应定位方法需要在发送端或接收端采用多个天线，且对天线安放的位置有要求，但在单个水下磁感应节点上，难以部署具有较大面积的天线阵列，因此这些方法具有一定的实现复杂度，不适用于水下环境。

因此，在水下磁感应通信中天线结构简单且能量有限的情况下，实现无需反馈的发送端位置估计是非常必要的。

发明内容

本发明的一个目的是针对通信与定位可同时进行，且设计复杂度较低的需求，提供一种三向天线水下磁感应通信发送端定位系统。