[发明专利]一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法

摘要

本发明公开了一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法，所述系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成。浮标接收GPS信号，浮标之间相互无线通讯，实现DGPS定位。浮标向水中广播导航信号。用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用。水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，通过接收浮标的导航信号，解算出自身在地球坐标内的位置以及相对于基站的精确位置，并实现与UTC时间同步。系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。本发明可以用于水下勘探、水下施工、水下安防、水下导航等领域。

主权项

一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，该系统由GNSS卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成，其中：所述DGPS浮标，通过GPS天线接收现有GNSS卫星信号，实现自身位置定位；各DGPS浮标之间通过无线通讯天线相互通讯，传送GNSS卫星数据，组成差分GPS系统，即DGPS系统，实现各个DGPS浮标相对地球坐标的定位，以及各DGPS浮标之间相对位置的精确定位；通过GNSS卫星授时功能，实现DGPS浮标时间与UTC时间同步；所述DGPS浮标，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用；所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的DGPS浮标信号，解算出自身位置，并实现与UTC时间同步；系统中有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制；设DGPS浮标记为S_i，其中i＝1,2,…,m，其中m为DGPS浮标数量，m≥4，DGPS浮标的位置坐标分别为S_ci＝(x_i,y_i,z_i)；浮标之间的时钟同步，记为t₀；导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或‑1，分别对应二进制的0和1；所述导航信号包含测距码、导航电文信息：所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P；每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码，即为测距码P_i，不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足根据测距码P_i即能确定其对应的DGPS浮标S_i；所述导航电文包含DGPS浮标时间、DGPS浮标位置信息，导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍；所述DGPS浮标发射导航信号步骤，具体如下：①生成导航电文，记为D_i，导航电文由同步帧和信息帧组成，同步帧是一组固定的二进制数据，记为T；信息帧包含了DGPS浮标时间和DGPS浮标位置坐标；②利用测距码作为扩频码，对导航电文进行扩频，得到扩频信号，记为K_i，K_i＝D_i×P_i；③利用扩频后的信号K_i，对载波进行调制：因为所有DGPS浮标与UTC时间同步，可实现载波同步，即所有DGPS浮标的载波频率相位同步，记为C，导航信号记为X_i，X_i＝C×K_i＝C×D_i×P_i；④将导航信号X_i通过DGPS浮标发射到水中；所述水下定位导航接收机接收DGPS浮标信号并进行定位导航解算，具体如下：定位导航接收机在水下，其坐标为R_ci＝(x,y,z)，与DGPS浮标之间的距离为开始的时候，接收机的时间，记为t，与DGPS浮标时间t₀不同步，其时间差为Δt＝t₀‑t；接收到DGPS浮标发射的导航信号，记为Y，系统中有多个DGPS浮标，接收到的信号Y包含了多个DGPS浮标发射的信号，然后进行定位导航解算；所述定位导航解算，具体步骤如下：①信号解调分离：利用测距码P_i的正交性，将各个DGPS浮标的信号解调并分离出来；即：依次将各个测距码P_i与信号Y进行相关运算，如果相关运算的结果大于设定的阈值，则该Y信号对应了第i个DGPS浮标发射，经过水体传播后，被接收机接收到的信号，记为Y_i；②信号跟踪：实现信号分离之后，对各路信号Y_i分别跟踪；即在t时刻，将信号Y_i依次与对应的测距码P_i进行相关运算，测出相关峰值相对于开始位置的时间，称为码相位③帧同步及导航电文解析：接收到的信号Y_i与同步帧T比对，确定导航电文的开始时刻，记为t_Si，从t_Si时刻开始，对测距码进行整周期计数，计数值记为N_i；依次对导航电文进行解析，得到DGPS浮标位置和DGPS浮标时间；④伪距测量：利用计数值N_i和码相位计算出导航信号从DGPS浮标S_i到接收机的传播时间T_i，根据声波在水中的传播速度c计算DGPS浮标S_i到接收机的伪距L_i，L_i＝c×T_i；传播时间T_i包含了接收机与DGPS浮标的时间差Δt，伪距L_i、DGPS浮标S_i到接收机之间的实际距离L_Si关系为：L_i＝L_Si+cΔt；⑤定位解算：水下定位导航接收机接收到一个DGPS浮标的信号，即得到一个伪距，接收到全部m个DGPS浮标信号之后，即获得m个伪距方程，组成如下方程组：$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_2\\ .\\ .\\ .\\ \sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}+c\mathrm{\Δ}t=L_i\end{array}\right.$以上方程组有4个未知数：x,y,z,Δt，方程组中独立方程的个数m≥4，求解方程组，获得接收机的位置坐标x,y,z以及与DGPS浮标的时间差Δt，利用Δt对接收机时间进行修正，即实现接收机时间t与DGPS浮标时间t₀同步。