[发明专利]一种广播式水下导航定位系统及方法

说明书

本发明公开了一种广播式水下导航定位系统及方法，该系统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。本发明所公开的水下导航定位系统及方法可以拓展基站服务范围、增加用户终端容量、提升区域声速产品的精度。

技术领域

本发明属于水下导航定位领域，特别涉及一种广播式水下导航定位系统及方法。

背景技术

受到海水的衰减和阻隔，卫星导航定位(GNSS)信号无法用于水下及海底的导航定位。水下导航定位技术主要有声学、惯性、匹配(地形、重力、磁力等)等。受制于技术本身的缺陷，惯性导航存在漂移、需定期标校，匹配导航需要背景场和特征环境、匹配误差大、可用性低。目前，声学是水下导航定位主要的技术方法。然而，水声导航定位中存在基站服务范围小、作用距离短、终端用户容量小、定位精度低的问题，具体如下。

(1)基站服务范围小：目前建立的局域水声定位系统中，受到声线负弯曲(贴近海底)的影响，海底基站之间距离一般只设计为1～2km，基站高度一般为2～3m，并且为了声线通视，为了基站之间相互测距与通信，基站间距每增加1km，基站高度必须提高约3m，这大大增加了基站建设的难度和维护成本。在这种配置下，水下定位系统如果要服务大范围(例如几十、几百公里)的用户，则需要建设大量基站并进行位置标校作业，成本极高，效率极低。

(2)终端用户容量小。目前水下定位主要采用的应答式定位模式，需要区分不同用户终端发射询问信号，同时服务的用户数量极为有限，并且有源模式容易暴露用户位置，不适应大量水下作业目标的同步工作和隐蔽性要求。

(3)定位精度低。目前海水声速测量误差一般不低于5cm/s，水下声学导航定位的声速测量误差及其时空变化、观测几何强度低，导致终端三维定位精度差、作业效率低等问题。

由此可见，影响终端水下定位性能的主要因素为水下基站的时空基准维持、终端的观测几何图形结构、声速误差及其时空变化。针对上述三个问题，需要重点解决三个关键技术，即水下基站的服务区域的扩展，广播式定位中的基站之间、基站与用户终端之间的精密时间同步，以及声速误差的精细处理与改正。

随着远距离、高精度的深海应用的增加(如海底资源勘探、近底多波束测量、AUV组网等)，需要研究宽覆盖的水声测量技术，在保证高精度的同时，增加终端用户容量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种广播式水下导航定位系统及方法，以达到拓展基站服务范围、增加用户终端容量、提升区域声速结构的精度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种广播式水下导航定位系统，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。

上述方案中，所述锚系声呐上还集成有温盐深测量仪、压力计和海流计和压力计，所述用户终端还配置有惯性测量单元二。

一种广播式水下导航定位方法，采用上述的一种广播式水下导航定位系统，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；