[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

说明书

技术领域

本发明涉及水声定位技术领域，特别是涉及一种基于时间同步和宽带扩频的便携式水下信标实时导航定位方法和系统。

背景技术

水下定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基础支撑技术。海洋勘探、海洋工程、环境监测及水下军事活动都需要能够对水下设备进行精确定位和导航。

传统的水下目标定位跟踪的主要手段主要是依赖于几何原理的水声学定位方法。根据测量基线的长度不同，水声定位系统可分为超短基线系统(USBL)、短基线系统(SBL)和长基线系统(LBL)。其中，超短基线定位系统是指基线长度极小(小到几厘米)，多个阵元刚性固定为一体、阵元间距恒定的定位系统。超短基线水声定位系统是20世纪70年代发展起来的用于短距离高精度导航的便携式小型声呐基阵。超短基线阵定位是利用小孔径声呐基阵对远场声源测向原理，对远场声源进行定位。超短基线阵将发射换能器和多个水听器组合在一个整体中，利用发射信号和应答信号的时延确定应答器相对水声基阵的距离。利用各换能器接收信号的相位差来测量应答器的方位，从而完成对水下应答器的定位。超短基线系统具有尺寸特别小、安装方便、机动性好等优点，广泛应用于海底电缆定位，水下机器人导航，水下设备导航定位等工作。然而，传统的水下目标定位系统也存在几方面的不足：

一方面，传统应答式水声定位系统在对声信标定位时，需要声头首先发射定位信号。应答器接收并解算定位信号后，发射应答信号。声头定位接收应答信号后，经过计算，得到声信标的位置。应答式定位需要进行声学信号的往返传输，系统延迟较大，完成一次定位的时间间隔较大(对于3000米的系统，通常定位时间间隔大于5s)。同时声信标需要解算扩频信号，计算量较大，减小了声信标工作时间。难以实现高精度的时间同步。

另一方面，传统的超短基线水声定位系统主要是发射CW脉冲，从单一参数或从回波强度等来实现目标定位和探测。但由于CW脉冲声波承载的信息有限，进行多参数识别的可能性难度很大，在复杂声学环境下定位精度难以保证。

此外，声头和应答器间的距离根据声头发射分组扩频信号到接收到应答器定位扩频信号之间的时延得到的。现有系统由于其声信标信号的编解码方式计算量较大，导致测距的时延精度不够、多径处理抗干扰能力不强、测向精度不高等缺点。

针对上述不足，本发明进行了以下多方面的技术创新，以解决现有系统存在的问题：

一方面，本发明使用了高精度时间同步技术，采用GPS(Global Position System)产生的PPS(Pulse Per Second)脉冲进行便携式声头和声信标的严格时间同步，一方面很好地解决了水下信标低功耗的问题，使得水下信标定位的续航能力进一步提高，另一方面缩短了两次定位之间的时间间隔，极大地提高了实时性。

另一方面，本发明利用宽带扩频技术对定位和应答的信号进行GOLD编码，宽带扩频信号具备强抗干扰性的特性使得便携式的水下定位与导航更为精确、作用距离更远，较好地解决了抗干扰能力与发射功率限制的矛盾。

另一方面，本发明声信标利用伪随机GOLD码对定位信号进行扩频调制，利用GOLD码的良好相关特性，通过多径处理、多普勒补偿和码序列同步等处理，可准确估计到信号时延，从而达到了较高的测距、测向精度。

另一方面，本发明采用MUSIC方法对声信标信号进行测向，有效提高了测向精度。

发明内容

本发明提出了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。

此外，设计了基于时间同步的便携式水下宽带扩频信标定位系统，具有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装置：

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的高精度同步时钟装置；

经过严格时间同步的声信标定时发射扩频水声信号的水声信号处理器；

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的定位处理器；