[发明专利]一种广播式水下导航定位系统及方法

权利要求书

1.一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，包括分布于海底的多个水下基站组成的基站网和位于水下的待定位的用户终端，所述水下基站包括坐底声呐和锚系声呐，所述坐底声呐和锚系声呐之间通过缆绳连接、并通过水声信号测距和通信，所述锚系声呐上集成有惯性测量单元一，所述用户终端配置有被动声呐，所述被动声呐单向接收锚系声呐发出的水声信号进行测距和通信。

2.根据权利要求1所述的一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，所述锚系声呐上还集成有温盐深测量仪、压力计和海流计，所述用户终端还配置有惯性测量单元二。

3.一种广播式水下导航定位方法，采用如权利要求1所述的一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，利用GNSS-声学测距定位技术获取各坐底声呐的位置坐标；

步骤二，锚系声呐与坐底声呐通过水声信号进行应答式测量，根据锚系声呐测量的水声信号的时延，以及惯性测量单元一的观测值计算锚系声呐的位置坐标；

步骤三，锚系声呐按预定的时间间隔生成并播发水声测距信号和声速改正数据，用户终端的被动声呐接收锚系声呐播发的水声测距信号和声速改正数据后，解码获取水声测距信号发射时刻到水声测距信号接收时刻的水声时延和声速改正数据，根据水声时延和声速改正数据确定自身位置；在定位过程中，各水下基站的锚系声呐之间，以及用户终端与基站网之间进行定期时间同步。

4.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤二中，采用锚系声呐上集成的温盐深测量仪、压力计和海流计测量的数据辅助计算锚系声呐的位置坐标。

5.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，声速改正数据的生成方式包括如下步骤：

(1)利用多源数据计算声速，将声速分解为空间函数和时间函数，构建声速背景场；

(2)将构建的声速背景场作为先验值，以各水下基站的锚系声呐相互之间实时观测的水声测距信号的传播时延数据为输入，获取包含水平梯度的声速误差导致的水声测距信号传播时延；

(3)利用声速误差导致的水声测距信号传播时延，构建声速误差层析方程组，通过增加约束条件，进行区域声速误差反演；

(4)利用上一步得到的区域声速误差和基站系统自定义的声速基准，生成声速改正数据。

6.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，各水下基站的锚系声呐之间的时间同步通过两个锚系声呐之间的两次应答式测量，并利用海流计测量的流速流向进行修正，实现两个锚系声呐之间的时间同步，具体方法如下：

锚系声呐A发射一个脉冲信号，锚系声呐B接收该脉冲信号并处理得到时延t_B1；然后，锚系声呐B在约定的延时Δd后应答一个脉冲信号，锚系声呐A接收该脉冲信号；然后，锚系声呐A在相同的约定的延时Δd后再次应答一个脉冲信号，锚系声呐B接收到该脉冲信号处理得到锚系声呐B发收两个脉冲信号之间的时延t_B2；

设海流修正为Δc，若无海流观测则Δc＝0，则锚系声呐B根据测量的t_B1和t_B2计算得到锚系声呐B与锚系声呐A之间的同步时间偏差ΔT为：ΔT＝0.5*(t_B2-Δd)+Δc-t_B1；锚系声呐B根据同步时间偏差ΔT调整自身时钟，实现与锚系声呐A的时间同步；

利用同样的方法能得到其他锚系声呐与锚系声呐A之间的同步时间偏差，利用同样的方法得到任意两个相邻锚系声呐之间的同步时间偏差，进行同步偏差修正，从而实现所有锚系声呐之间的精密时间同步。