[发明专利]一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法及其系统

摘要

一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括：步骤1.船基对海底信标节点进行布放，通过短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定，并将定位结果发送至海底信标节点；步骤2.海底信标节点将自身的经度、纬度、深度等信息组合成定位报文，以一定的时间间隔发送；步骤3.建立系统直角坐标系辅助移动节点的位置解算；步骤4：水下移动节点通过自身的航位信息与接收到的定位报文进行位置解算。本发明还包括实施本发明方法的系统。定位过程中水下移动节点不发送任何信号，无需获取速度，移动节点与信标节点的时钟无需同步。

主权项

1.一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：步骤1‑1.船基在目标海域布放海底信标节点；步骤1‑2.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基；步骤1‑3.船基收到海底信标节点的沉底信息后，通过搭载的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定；海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位系统发送询问信号；海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号；根据该应答信号，船基的短基线水声定位系统获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度Lo₀、纬度La₀与深度Z₀，并发送给海底信标节点；步骤1‑4.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态；步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：步骤2‑1.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将经度、纬度、深度等信息生成定位报文；步骤2‑2.海底信标节点以时间间隔T₀发送定位报文；海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency‑shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；步骤3.建立系统直角坐标系，具体步骤为：步骤3‑1.选取水平面上一个经度和纬度已知的位置点B作为系统直角坐标系原点；假设此位置点的经度为Lo_B，纬度为La_B；步骤3‑2.X轴指向正北方向，Y轴指向正东方向，Z轴指向重力方向，构建右手系；步骤4.水下移动节点的位置解算，具体步骤为：步骤4‑1.水下移动节点在时刻k，主控模块通过航位模块获取当前时刻的航位信息，并传输给解算模块；移动平台在时刻k获取的航位信息包括：a)移动平台的主轴与水平面的夹角为姿态角，记作β[k]，且取向下为正；b)姿态角与攻角之和为滑翔角θ[k]，表示移动节点速度与水平面的夹角；c)移动节点速度的水平分量与正北方向的夹角，记作航向角且d)移动节点所处的深度，记作Z[k]；步骤4‑2.解算模块根据航位信息，计算从时刻(k‑1)到时刻k，移动节点在X、Y和Z方向上的位移Δx[k‑1]、Δy[k‑1]和Δz[k‑1]；其中，Δz[k‑1]＝z[k]‑z[k‑1]        (1)步骤4‑3.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态；假设移动节点收到第n个定位报文时，在系统直角坐标系中的坐标为(X[n],Y[n],Z[n])，定位报文的到达时刻为t[n]，记作状态n；步骤4‑4.水下移动节点的解算模块计算并存储移动节点从状态(n‑1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移ΔX[n‑1]、ΔY[n‑1]和ΔZ[n‑1]；其中，其中，表示取下整；步骤4‑5.水下移动节点的主控模块解读定位报文内容，并将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块；步骤4‑6.水下移动节点的解算模块将信标节点的经度、纬度和深度转换为系统直角坐标系坐标(X₀,Y₀,Z₀)；信标节点在系统直角坐标系中的坐标转换公式为X₀＝111322(Lo₀‑Lo_B)                  (7)Y₀＝111322(La₀‑La_B)cos(La_B)                (8)步骤4‑7.水下移动节点根据存储的相邻状态的位移、定位报文的到达时刻与信标节点在系统直角坐标系中的位置坐标完成位置解算；具体的解算步骤为：步骤4‑7‑1.假设移动节点收到第n个定位报文时，存储了前l(3≤l≤n‑1)个状态的定位报文到达时刻与位移，将这l个状态称为状态n的缓存状态；步骤4‑7‑2.建立当前状态和缓存状态的测距方程步骤4‑7‑3.根据相邻状态的位移信息，步骤472中的测距方程可化为其中，d_i[n]＝(Z[n‑i+1]‑Z₀)²,1≤i≤l+1；e_i[n]＝c[t[n‑i+1]‑t[n]+(i‑1)T₀],2≤i≤l+1；步骤4‑7‑4.进一步整理步骤4‑7‑3中的方程，可得A[n]ξ[n]＝b[n]          (17)其中，步骤4‑7‑5.根据最小二乘法，步骤4‑7‑4中方程的解为ξ[n]＝(A^T[n]A[n])^‑1A^T[n]b[n]       (18)步骤4‑8.水下移动节点的解算模块将解算得到的系统直角坐标(X[n],Y[n])转换为经度Lo_M[n]、纬度La_M[n]，并与当前状态的深度Z[n]结合，作为定位结果；移动节点经度Lo_M[n]和纬度La_M[n]的转换公式为