[发明专利]一种水下定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种水下定位系统及方法。

背景技术

伴随着海洋开发活动的日益发展，海底地貌勘测、水文数据采集、水下搜索以及水下机器人、军事潜艇等等，都使得水下定位技术越来越受到人们的重视，也在海底作业中发挥着越来越重要的作用。

众所周知，水下无线通信大都是通过声波来传送信息的，陆地上普遍使用的全球定位系统(GPS)采用的是无线电波，其无法穿透到水下；而在以往的水下定位技术中，是采用回声探测法来计算水下目标位置，即声纳装置发送短脉冲，接收端根据接收到的相应反射短脉冲，测量超声短脉冲从发射到接收的时间(滞后时间)，在已知水下超声声速的前提下，从而计算得到水下目标的相对位置。由于水声信道是一个极其复杂的时间—空间—频率变参的随机窄带信道，具有高衰减、强多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点，并且由于不同水域的密度、深度、温度以及杂质影响等，都会对声音的传播以及接收检测造成一定的干扰，从而使得该方法在定位方面极易出现误差，不够精准。

由于水声信道的强多径干扰，上述现有的采用声纳装置发送单一短脉冲、通过回声探测法来计算水下目标位置的水下定位方法，必须保证在一次水下定位过程当中只能发送一次短脉冲，在接收端检测接收到该返回短脉冲后，才能实施下一次定位，因此该方法的时效性较差；同时由于水声环境的高衰减性以及噪声干扰，都可能使得接收端难以准确捕捉返回的单一短脉冲，必要时必须对同一位置同一目标进行多轮短脉冲发送接收才能获得适当的定位效果，因此该方法的实时定位效果差，回波信号识别难度大，且定位过程需要消耗较大的工作强度。

中国发明专利申请“伪随机超声波测距的方法及其测距仪”(公开号：CN1129322A，公开日：1996年8月21日)提供了一种基于伪随机编码技术的陆地超声测距方案，利用发射和接收的超声波均为伪随机超声波，接收端将接收的伪随机信号波与发射存放的伪随机编码进行比较，从而提取信息予以识别。该方法具备一定的消除环境杂波干扰，也能够连续发送多个探测信号，接收端予以连续识别进行定位。但由于水声强多径干扰带来的码间干扰，很容易破坏伪随机超声波的自相关性能，从而造成接收端信号接收紊乱，无法准确与发射端存放的伪随机编码比较来进行信息识别。而伪随机序列是一种周期性序列，如果信号的周期小于滞后时间，将会产生距离模糊，因此限制了超声波水下定位时的最大可测距离。

中国发明专利申请“混沌脉冲序列超声测距方法和装置”(公开号：CN1888932A，公开日：2007年1月3日)提供了一种混沌脉冲序列陆地超声测距的方法，利用混沌脉冲序列调制超声波进行发送，同时存储该混沌脉冲序列，将接收的回波信号与存储的混沌脉冲序列进行相关运算，确定滞后时间以及测距。由于混沌脉冲序列具有一个尖锐的自相关函数，使得接收端能够有效判断接收回波是不是自己发射序列产生的，在陆地测距应用时，显示了较强的抗干扰能力，同时由于其非周期性增大了可测距离。但对于水下信道而言，强多径干扰的码间干扰同样容易破坏混沌脉冲序列的自相关性，从而接收端无法准确识别对应的回波信号进行相关运算，对定位精度带来极大的影响。

因此，在进行水下定位研究时，必须解决三个方面的问题：其一，必须能够有效克服水声信道强多径干扰带来的码间干扰问题；其二，接收端必须能够准确捕获识别回波信号并计算滞后时间，同时需要考虑定位的最大可测距离；其三，能够连续的进行定位计算以提高效率和扩展实际应用范围，而不是单一的发送-等待-再发送-再等待模式。

单载波系统是一种很成熟的传输系统，目前大部分通信系统均属于单载波传输体系，而单载波频域均衡是无线传输中一种很有效的对抗多径的方法，单载波信息帧中通过引入循环前缀，能够有效消除多径干扰带来的码间干扰，同时单载波频域均衡对多普勒频偏敏感度小，能有效实现水声数据传输。

通常，网络通信传输的带时间的信息叫做时间戳。通过选择一个参考时钟，原节点生成数据流时依据参考时钟上的时间给每个数据信息帧都打上时间戳，目标节点读取数据块上的时间戳，同时参考当前参考时钟上的时间来安排信息帧处理次序先后问题；同时，途径路由器通过记录信息帧上的时间戳，从而可以准确知道信息帧传输路径以及传输时间等信息，进一步可以分析网络通信传输质量、状态等。

所以，有必要将时间戳机制引入到单载波频域均衡的信息帧中，将时间戳作为单载波信息帧的负载信息，通过基于带时间戳的单载波信息帧实施水下无线通信技术来实现水下定位，该方案能够很好的解决水下定位时面临的上述三个方面的问题。