[发明专利]一种基于时间同步的便携式水下宽带扩频信标导航定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于时间同步的便携式水下宽带扩频信标定位方法，其将高精度的姿态传感器MRU和罗经与声学基阵一体化集成到便携式声头内部，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：利用高精度时间同步技术对便携式声头和声信标进行时间同步；

步骤二：经过严格时间同步的声信标定时发射扩频水声信号；

步骤三：声头接收到扩频信号后，经过信号解算、斜距计算、高精度测向及位置解算得到声信标的位置；

步骤四：通过连续应答、解算、定位便可以绘制出声信标的运动轨迹，实现对水下设备进行精确定位和导航；

其中，步骤一中高精度时间同步方法过程如下：

(1)系统利用GPS产生的PPS脉冲进行时间同步，目前GPS和北斗的授时系统PPS脉冲上升沿能够提供精度小于100ns的时间同步信号，完全能够满足水声定位系统的要求；

(2)GPS的PPS脉冲同时接入到声头和应答器，为声头时钟和应答器时钟提供时间同步基准，并校准高精度晶振的时钟；

(3)应答器断开PPS脉冲，利用内部高精度晶振时钟进行守时。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤二中声信标定时发射扩频水声信号的方法如下：

利用伪随机GOLD码对定位信号进行扩频调制，声信标经过严格时间同步后，定时发射宽带扩频水声信号，用于定位和导航，

GOLD码生成过程描述如下：

(1)选择GOLD码阶数n；

(2)查表选择本原多项式，生成2个n阶m序列；

(3)循环移位，生成2^n-1个GOLD伪随机码，

m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列；由于反馈线位置不同将出现不同周期的不同序列，确定线性反馈的位置，能使移存器产生的序列最长，即达到周期P＝2n-1。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

GOLD码阶数包括：4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：

步骤三中声头接收到扩频信号后，测距过程如下：

相关计算：设输入序列x(n)长为N₁，参考GOLD码序列y(n)长为N₂，对两个有限长序列利用FFT求线性相关的步骤如下：

●为了使两个有限长序列的线性相关可用其圆周相关代替而不产生混淆，选择周期N≥N₁+N₂-1，且N＝2^m，以便使用FFT，将x(n)，y(n)补零至长为N，即：

x(n)=x(n)n=0,1,...,N1-10n=N1,N1+1,...,N-1]]>

y(n)=y(n)n=0,1,...,N2-10n=N2,N2+1,...,N-1]]>

●用FFT计算序列x(n)的傅里叶变换X(k)，y(n)的傅里叶变换Y(k)(k＝0，1…，N-1)：

X(k)＝FFT{x(n)}

Y(k)＝FFT{y(n)}

其中，FFT{}表示快速傅里叶变换计算，得到序列的傅里叶变换值，

●计算互相关的傅里叶变换：

R(k)＝X^*(k)Y(k)

●对R(k)作IFFT，得到r(n)(n＝0，1，…，N-1)：

r(n)＝IFFT{R(k)}

其中，IFFT{}表示快速傅里叶反变换计算，r(n)为输入序列x(n)和参考GOLD码序列y(n)的互相关。