[发明专利]一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法

摘要

一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法，涉及高精度水下距离估计和定位技术。本发明是为了解决现有水下距离估计方法计时精度低、误差大的问题。本发明所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法，采用基于时间戳的精密计时装置及方法，考虑并消除了节点处理数据包所用的时间产生的误差，达到了声呐信号传输时间精密计时的目的；同时，基于时间戳的精密计时装置及方法，采用介质访问层的时间戳技术，在高频率、高精度时钟信号的驱动下，捕捉测距时往返传输的声呐信号，获得准确度较高的传输计时，能够达到纳秒级的计时精度，为精密的距离估计奠定技术基础。本发明适用于水下的高精度测距和定位。

主权项

一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，它包括以下装置：发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点的单元；发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T0的单元；接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1的单元；接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包的单元；接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2的单元；发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3的单元；接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；发送节点利用时间数据戳信息T0、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度v，获得发送节点和接收节点间的距离d的单元；所述基于时间戳的精密计时装置包括：微控制器(1)和FPGA(2)，所述微控制器(1)与FPGA(2)之间通过MII接口连接，所述的微控制器(1)包括声呐传输物理层(1‑1)、介质访问层(1‑2)、网络层(1‑3)、传输层(1‑4)和应用层(1‑5)，所述声呐传输物理层(1‑1)与介质访问层(1‑2)之间设置有MII接口，所述的FPGA(2)内嵌入有固件实现的配置&控制模块(2‑1)、信号捕捉单元(2‑2)、精密计时单元(2‑3)和高频率时钟源(2‑4)；所述的声呐传输物理层(1‑1)：用于发送或接收声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元(2‑2)；应用层(1‑5)：用于向配置&控制模块(2‑1)发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对信号捕捉单元(2‑2)和精密计时单元(2‑3)进行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模块(2‑1)发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度；高频率时钟源(2‑4)：用于为信号捕捉单元(2‑2)和精密计时单元(2‑3)持续提供1GHz或更高频率的时钟信号；信号捕捉单元(2‑2)：用于在时钟信号的驱动下，捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元(2‑3)发送捕捉指示信号；精密计时单元(2‑3)：用于在时钟信号的驱动下，进行计时，并在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块(2‑1)；配置&控制模块(2‑1)：用于将接收到的时间戳信息发送给应用层(1‑5)。