[发明专利]一种水声定位与授时浮标及其工作方法

说明书

本发明公开了一种水声定位与授时浮标及其工作方法，属于水声定位技术领域，其解决了现有基于海面浮标的水声定位方式中浮标姿态信息的缺失引入了系统性的观测误差；使用SPP算法限制了系统定位、授时精度和可靠性的进一步提高的不足。该水声定位与授时浮标，包括GNSS接收机、IMU、USBL设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；GNSS接收机用于获取浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；IMU给出浮标的角速度和加速度信息，并通过IMU算法根据一组起始的位置、速度和姿态信息，附加误差地连续推算之后任意时刻的位置、速度和姿态；USBL设备发射信号并接收水下载体换能器的返回信号，从而计算两者间的往返传播时间和信号在阵元间的相对传播时间。

技术领域

本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种水声定位与授时浮标及其工作方法。

背景技术

对于海面以上一般载体的定位、导航与授时，通常可以使用GPS、北斗等GNSS技术来实现，并且其定位、导航与授时的精度、可用性和隐蔽性等均较佳。而水面以下的定位与授时一直缺少有效的解决方案。一种常用的水下定位方法是使用水声测距来实现的水声定位方法。该方法使用对声波传递进行计时来测量某些空间实体间的距离，通过几何或最小二乘等方法进行位置的解算。具体来说，水声定位方法主要分为三种形式：在载体上安装一台接收/发射换能器，在空间中相隔较远的几个点安装位置已知的发射/接收换能器，并测量发射换能器发射的信号到接收换能器的传播时间，称之为长基线(LBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到他们各自的传播时间，或该信号到主接收换能器的传播时间以及在接收换能器之间的时间差，称之为短基线(SBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到主接收换能器的传播时间和信号在接收换能器之间的相位差，称之为超短基线(USBL)系统。

一般而言，由于水声定位要求空间中存在位置已知的换能器，因此通常通过固定于海底的沉标或者使用GNSS方法进行定位的海面浮标或其他载体来搭载换能器。这两种方法中，海底沉标虽然可以兼顾地壳形变监测等用途，但具有布放和校准困难、功耗受限、无法对载体精确授时等缺点，海面浮标则相反。

在常规的USBL海面浮标方法中，浮标上通常只搭载单天线的GNSS接收机和USBL水声定位设备，并且GNSS定位算法使用的是精度较低的SPP(标准单点定位)算法。这一通用设计存在如下几点问题：(1)浮标自身仅使用单个GNSS天线进行定位，而未考虑浮标的姿态(航向、横滚角、俯仰角)，这一未经考虑的姿态误差对USBL定位精度的影响非常显著且会随深度增加越来越大；(2)SPP定位算法的精度、可靠性等均较差，会限制水声定位的精度和可靠性。从前述内容可知，目前常用的基于海面浮标的水声定位方式主要存在两类问题：(1)浮标姿态信息的缺失引入了系统性的观测误差；(2)使用SPP算法限制了系统定位、授时精度和可靠性的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种通过多天线GNSS数据和IMU数据的组合，从而获得兼顾GNSS绝对精度和IMU高采样率的位置、姿态和钟差信息，进而进行USBL非同步定位，并将计算得到的载体位置和时间信息使用水声通讯方法传递给载体的水声定位与授时浮标及其工作方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种水声定位与授时浮标，包括GNSS接收机、IMU、USBL设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；

GNSS接收机用于获取浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；

IMU给出浮标的角速度和加速度信息，并通过IMU算法根据一组起始的位置、速度和姿态信息，附加误差地连续推算之后任意时刻的位置、速度和姿态；

USBL设备发射信号并接收水下载体换能器的返回信号，从而计算两者间的往返传播时间和信号在阵元间的相对传播时间；