[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

摘要

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。

主权项

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,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、深度等信息生成定位报文。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 Terrestrial Pole,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(i＝1,2,3,4)个海底信标节点的经度、纬度与深度转换为WGSs4坐标(xi,yi,zi)；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ti，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ρi，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，Δti1＝ti‑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)。