CN101545972A - 一种水下定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种水下定位系统，包括控制中心、用于定位信息处理的处理中心以及声纳装置，控制中心连接处理中心和声纳装置，处理中心连接声纳装置；处理中心依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧、并将所封装的发射信息帧发送给声纳装置、还将从声纳装置接收到的反射信息帧进行处理以获取相应定位信息；声纳装置用于实现带时间戳的单载波信息帧的水下收发；控制中心用于控制声纳装置收发信息帧，以及用于控制处理中心封装发射信息帧、分析反射信息帧、计算定位信息。本发明还涉及根据该系统的定位方法。本发明有效解决了目前水下定位中所面临的码间干扰、回波识别、连续定位以及最大可测距离等问题。

Description

一种水下定位系统及方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种水下定位系统及方法。

背景技术

伴随着海洋开发活动的日益发展，海底地貌勘测、水文数据采集、水下搜索以及水下机器人、军事潜艇等等，都使得水下定位技术越来越受到人们的重视，也在海底作业中发挥着越来越重要的作用。

众所周知，水下无线通信大都是通过声波来传送信息的，陆地上普遍使用的全球定位系统(GPS)采用的是无线电波，其无法穿透到水下；而在以往的水下定位技术中，是采用回声探测法来计算水下目标位置，即声纳装置发送短脉冲，接收端根据接收到的相应反射短脉冲，测量超声短脉冲从发射到接收的时间(滞后时间)，在已知水下超声声速的前提下，从而计算得到水下目标的相对位置。由于水声信道是一个极其复杂的时间—空间—频率变参的随机窄带信道，具有高衰减、强多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点，并且由于不同水域的密度、深度、温度以及杂质影响等，都会对声音的传播以及接收检测造成一定的干扰，从而使得该方法在定位方面极易出现误差，不够精准。

由于水声信道的强多径干扰，上述现有的采用声纳装置发送单一短脉冲、通过回声探测法来计算水下目标位置的水下定位方法，必须保证在一次水下定位过程当中只能发送一次短脉冲，在接收端检测接收到该返回短脉冲后，才能实施下一次定位，因此该方法的时效性较差；同时由于水声环境的高衰减性以及噪声干扰，都可能使得接收端难以准确捕捉返回的单一短脉冲，必要时必须对同一位置同一目标进行多轮短脉冲发送接收才能获得适当的定位效果，因此该方法的实时定位效果差，回波信号识别难度大，且定位过程需要消耗较大的工作强度。

中国发明专利申请“伪随机超声波测距的方法及其测距仪”(公开号：CN1129322A，公开日：1996年8月21日)提供了一种基于伪随机编码技术的陆地超声测距方案，利用发射和接收的超声波均为伪随机超声波，接收端将接收的伪随机信号波与发射存放的伪随机编码进行比较，从而提取信息予以识别。该方法具备一定的消除环境杂波干扰，也能够连续发送多个探测信号，接收端予以连续识别进行定位。但由于水声强多径干扰带来的码间干扰，很容易破坏伪随机超声波的自相关性能，从而造成接收端信号接收紊乱，无法准确与发射端存放的伪随机编码比较来进行信息识别。而伪随机序列是一种周期性序列，如果信号的周期小于滞后时间，将会产生距离模糊，因此限制了超声波水下定位时的最大可测距离。

中国发明专利申请“混沌脉冲序列超声测距方法和装置”(公开号：CN1888932A，公开日：2007年1月3日)提供了一种混沌脉冲序列陆地超声测距的方法，利用混沌脉冲序列调制超声波进行发送，同时存储该混沌脉冲序列，将接收的回波信号与存储的混沌脉冲序列进行相关运算，确定滞后时间以及测距。由于混沌脉冲序列具有一个尖锐的自相关函数，使得接收端能够有效判断接收回波是不是自己发射序列产生的，在陆地测距应用时，显示了较强的抗干扰能力，同时由于其非周期性增大了可测距离。但对于水下信道而言，强多径干扰的码间干扰同样容易破坏混沌脉冲序列的自相关性，从而接收端无法准确识别对应的回波信号进行相关运算，对定位精度带来极大的影响。

因此，在进行水下定位研究时，必须解决三个方面的问题：其一，必须能够有效克服水声信道强多径干扰带来的码间干扰问题；其二，接收端必须能够准确捕获识别回波信号并计算滞后时间，同时需要考虑定位的最大可测距离；其三，能够连续的进行定位计算以提高效率和扩展实际应用范围，而不是单一的发送-等待-再发送-再等待模式。

单载波系统是一种很成熟的传输系统，目前大部分通信系统均属于单载波传输体系，而单载波频域均衡是无线传输中一种很有效的对抗多径的方法，单载波信息帧中通过引入循环前缀，能够有效消除多径干扰带来的码间干扰，同时单载波频域均衡对多普勒频偏敏感度小，能有效实现水声数据传输。

通常，网络通信传输的带时间的信息叫做时间戳。通过选择一个参考时钟，原节点生成数据流时依据参考时钟上的时间给每个数据信息帧都打上时间戳，目标节点读取数据块上的时间戳，同时参考当前参考时钟上的时间来安排信息帧处理次序先后问题；同时，途径路由器通过记录信息帧上的时间戳，从而可以准确知道信息帧传输路径以及传输时间等信息，进一步可以分析网络通信传输质量、状态等。

所以，有必要将时间戳机制引入到单载波频域均衡的信息帧中，将时间戳作为单载波信息帧的负载信息，通过基于带时间戳的单载波信息帧实施水下无线通信技术来实现水下定位，该方案能够很好的解决水下定位时面临的上述三个方面的问题。

发明内容

为了解决现有水下定位技术所存在的上述技术问题，本发明的首要目的在于提供一种水下定位系统，有效解决了目前水下定位中所面临的码间干扰、回波识别、连续定位以及最大可测距离等问题。

本发明的另一目的在于提供一种水下定位方法。

本发明的首要目的通过以下技术方案实现：一种水下定位系统，包括控制中心、用于定位信息处理的处理中心以及声纳装置，控制中心连接处理中心和声纳装置，处理中心连接声纳装置，其特征在于：所述处理中心为依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧、并将所封装的发射信息帧发送给声纳装置、还将从声纳装置接收到的反射信息帧进行处理以获取相应定位信息的处理中心；所述声纳装置为用于实现带时间戳的单载波信息帧的水下收发的声纳装置；所述控制中心为用于控制声纳装置收发信息帧，以及用于控制处理中心封装发射信息帧、分析反射信息帧、计算定位信息的控制中心。

在本发明水下定位系统的一个优选实施例中，所述处理中心包括：定位单元，与数据处理单元连接，用于接收数据处理单元提取的反射信息帧中的时间信息，并用于与当前参考时钟比较、信息融合，进而得到相应的定位信息；数据处理单元，与信息收发单元和定位单元连接，用于依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧以及提取反射信息帧中时间信息；信息收发单元，与数据处理单元和声纳装置连接，用于依据控制中心的控制指令与数据处理单元进行数据交互，把数据处理单元所封装的发射信息帧发送至声纳装置，以及把从声纳装置接收到的反射信息帧送入数据处理单元。

实现本发明另一目的的技术方案，是根据上述系统的水下定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，数据处理单元依据参考时钟连续封装带时间戳的单载波发射信息帧，每帧间隔时间Δt，并对时间戳内容进行计数，计数值为一个等差数列；

步骤2，封装后的单载波信息帧通过信息收发单元，由声纳装置连续发送至水声信道；

步骤3，声纳装置接收水下目标返回的单载波信息帧；再由信息收发单元将单载波反射信息帧送入数据处理单元，提取时间戳，通过时间戳的计数值获取时间信息；

步骤4，在步骤3中所获取的时间信息送入定位单元与当前参考时钟比较，计算信息帧水下定位传输时间，并根据水声速度计算水下目标的相对位置，获取定位信息。

作为本发明水下定位方法的一个优选方案，步骤4所述的定位信息为本次定位信息；且所述水下定位方法还包括：步骤5，将步骤4所述的本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行融合处理，获得水下目标的实时定位信息。

优选地，步骤5所述的融合处理指本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行数据交互处理。

作为本发明水下定位方法的另一个优选方案，步骤1所述带时间戳的单载波发射信息帧中，时间戳的前面加入循环前缀UW序列，其中UW序列长度大于水声信道最大时延长度；在步骤3提取时间戳之前，对反射信息帧进行去除循环前缀UW序列、单载波频域均衡、判决处理。

从以上技术方案可知，本发明将时间戳机制引入到单载波信息帧中，将时间戳作为单载波信息帧的负载信息，通过基于带时间戳的单载波信息帧实施水下无线通信技术来实现水下定位，与现有技术相比具有如下优点：

1、针对一般水下定位方法无法有效克服水声信道强多径干扰带来的码间干扰问题。本发明方法将单载波频域均衡技术引入水下定位系统中，单载波信息帧通过循环前缀能有效消除水声信道的码间干扰，实现负载信息的准确传输，保证了反射负载信息帧内容的正确性，进而保证了定位计算精准性。

2、针对一般水下定位方法在强多径干扰水声环境下，接收端难以准确捕获识别回波信号。本发明方法将时间戳机制引入到单载波信息帧中，时间信息作为单载波信息帧的负载信息，保证了接收端能够准确有序捕获识别回波信号，提取接收时间信息，从而准确知道信息帧水下传输状态，不会造成信息提取紊乱；

3、有效解决了由周期性序列的信号周期小于滞后时间所导致的定位时产生距离模糊的问题。本发明方法的单载波信息帧的负载信息为时间戳，是根据参考时钟获得；时间戳的非周期性有效扩大水下定位范围，增大了水下定位距离。

4、根据参考时钟，可采用连续时间戳单载波信息帧封装，同时接收端连续提取的时间信息与相应参考时钟进行定位计算，摈弃了单一的发送-等待-再发送-再等待模式，时效性好，且扩大了实际应用范围。

附图说明

图1是本发明水下定位系统的结构框图。

图2是本发明中带时间戳的单载波信息帧封装以及提取的结构流程图。

图3是本发明中带时间戳的单载波信息帧封装帧格式的结构图。

图4是本发明水下定位方法的流程图。

图5是本发明实现水下定位的示意图。

具体实施方式

本发明方法将时间戳机制引入到单载波频域均衡信息帧中，并将时间戳作为单载波信息帧的负载信息，每帧信息头部引入UW循环前缀，有效消除水声信道的码间干扰，接收的反射信息帧通过移除UW循环前缀、频域均衡，提取相应时间戳信息进行定位计算，从而实现水下定位。

下面结合附图来对本发明做进一步介绍。

图1给出了本发明的水下定位系统结构，包括三个单元模块，即控制中心2、用于定位信息处理的处理中心3以及声纳装置1。其中控制中心2连接处理中心3以及声纳装置1；控制中心2是整个定位系统的控制源：控制处理中心3的单载波信息帧处理、定位计算以及声纳装置1进行信息帧收发，从而保证了整个定位方法的有序进行。声纳装置1与处理中心3相连，用于实现带时间戳的单载波信息帧的水下收发。处理中心3是整个定位系统的核心，连接控制中心2以及声纳装置1，它包括定位单元31、数据处理单元32、信息收发单元33。数据处理单元32依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧，并由信息收发单元33发送至声纳装置1进入水声信道；同时，信息收发单元33还将从声纳装置1接收到的来自水下目标的反射信息帧送入数据处理单元32进行时间信息提取，并在定位单元31中与当前参考时钟比较、信息融合，获取当前相应的定位信息。

图1的控制中心2可由计算机或者其他控制设备予以实现。声纳装置1包括水下发射换能器和水下接收换能器，必要时需要加入功率放大电路实现远距离的水下定位。处理中心3可以是计算机或者高速数字信号处理器(DSP)，其配置要求能够满足上述的定位、数据处理以及信息收发等功能。

图2所示为上述的带时间戳的单载波信息帧封装以及提取的结构流程图；信息帧的封装及提取可由高速数字信号处理器(DSP)予以实现。数据处理单元32依据参考时钟，每一Δt间隔时间生成一时间戳，其中Δt时间可取1毫秒或者其他时间。相继的单载波信息帧时间戳信息通过计数值来表示对应的参考时钟，计数增加1位，表示增加一个间隔时间Δt。对于每一Δt间隔时间的时间戳信息，在其信息头部插入UW循环前缀，形成带时间戳的单载波发射信息帧，封装帧格式如图3所示。连续单载波发射信息帧负载信息计数值连续变化，表示时间信息随参考时钟以Δt间隔时间连续变化，该发射信息帧经调制后通过声纳装置进入水声信道。相应地，声纳装置接收的反射信息帧经解调、同步处理后，移除每帧信息的UW循环前缀，再经过频域均衡、判决处理可以准确提取对应的时间戳信息。对应的时间戳信息也表现为计数值形式，连续提取的时间戳所对应时间信息与其当前参考时钟比较，由信息帧传输时间差，在已知水下超声波声速的前提下计算水下定位信息，依据本次反射信息帧提取的时间信息计算的定位信息，融合先前连续信息帧的定位信息，可获知水下目标位置变化状态下的当前位置状态信息。由于单载波信息帧中的时间戳作为反射回波信号的识别标志，不会因为水声环境的高衰减性以及噪声干扰等因素，造成回波信号捕获识别困难。

在上述信息帧中，所添加的循环前缀UW序列长度，必须大于信道最大时延长度，这样才能有效抵抗水声信道的码间干扰；同时要求循环前缀UW序列具有很好的相关性以及平稳的频率响应。满足条件的循环前缀UW序列可以是Frank-Zadoff或Chu序列。上述频域均衡处理可由傅立叶变换(FFT)及反变换(IFFT)实现。

采用图1所示系统实现本发明水下定位方法的处理流程，如图4所示。由图4可知，本发明水下定位方法包括以下几个步骤：

步骤1，处理中心3的数据处理单元32依据参考时钟连续封装带时间戳的单载波发射信息帧，每帧间隔时间Δt，并对时间戳内容进行计数，计数值为一个等差数列。在本实施例中，时间戳内容通过计数值连续增1予以表示，且首个时间戳计数值为0，即计数值为一个公差为1、第一项为0的递增等差数列。

步骤2，封装后单载波信息帧通过信息收发单元33由声纳装置1连续发送至水声信道。

步骤3，声纳装置1接收水下目标返回的单载波信息帧；再由信息收发单元33将单载波反射信息帧送入数据处理单元32，提取时间戳，通过时间戳的计数值获取时间信息。

步骤4，步骤3中所获取的时间信息送入定位单元31与参考时间比较，计算本次定位信息。由于数据处理以及器件延迟时间问题，所以在依据时间信息计算定位信息时，需要把延迟时间考虑进去，从而提高定位精度。如果水下目标是静止的，则到步骤4为止，即已计算出其水下位置。

步骤5，将本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行融合处理，获得水下目标的实时定位信息；从而实时地对水下目标进行连续的定位，并获知水下目标位置变化状态下的当前位置状态信息。所述的融合处理指本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行数据交互处理。如果水下目标是运动的，则步骤4、5所计算的是该目标连续变换的位置信息。

图5是本发明中，采用带时间戳的单载波信息帧实现水下定位的示意图。若参考时钟为0时，发出单载波信息帧时间戳0(即时间戳的计数值为0)，间隔时间Δt(取1毫秒或者其他时间)后，发出单载波信息帧时间戳1；依次类推，连续发送信息帧。当参考时钟为T时，发出单载波信息帧时间戳N，同时接收到反射的单载波信息帧时间戳0，依据时间戳0计数值表示的时间信息与当前参考时钟比较，由信息帧传输时间差计算水下目标定位信息。同样，当接收单载波信息帧时间戳i，依据连续信息帧间隔时间Δt，由计数值获知时间戳i所表示的时间信息与当前参考时钟比较，从而计算当前水下目标定位信息。该定位信息具体是通过定位单元31处理，融合先前信息帧的定位信息，可获得处于变化状态下的水下目标的实时定位信息。

更具体的，如图5所示的本发明水下定位过程为：

(1)在发送端，在参考时钟等于0时，控制中心2开启定位系统，处理中心3的数据处理单元32封装单载波信息帧时间戳0。此时该帧负载信息时间戳内容通过计数值予以表现，即时间戳0的计数值为0。且信息帧头部插入了循环前缀UW，其中循环前缀UW采用Frank-Zadoff或Chu序列。封装好的单载波信息帧时间戳0经由信息收发单元33，由声纳装置1的水下发射换能器发送，进入水声信道。

紧接着，参考时钟等于1ms时(设Δt时间取1ms)，处理中心3的数据处理单元32封装单载波信息帧时间戳1，根据参考时钟相应的时间戳计数值为1。同样在信息帧头部插入循环前缀UW，并且完成信息帧的封装后，将信息帧发送到水声信道。

随着参考时钟的变化，连续封装相应的单载波信息帧时间戳，对应时间戳的计数值，根据参考时钟连续计数改变。相邻时间戳的计数值相隔为1，代表1个间隔时间Δt。

(2)在接收端，声纳装置1的水下接收换能器识别回波信号，经由信息收发单元33送入数据处理单元32，连续读取反射单载波信息帧，并根据信息帧的时间戳计数值提取时间信息到定位单元进行定位计算。

在参考时钟等于T时，若检测到反射的单载波信息帧时间戳0，提取该时间戳计数值0，对应发射时的参考时钟0。在已知水下超声波声速c的前提下，可计算水下目标定位信息 $s=\frac{\mathrm{cT}}{2}.$ 在参考时钟等于T′时，检测到反射的单载波信息帧时间戳1，提取该时间戳计数值1，对应发射参考时中1ms，可计算水下目标定位信息 $s=\frac{c(T\′-1\mathrm{ms})}{2}.$ 同样，对于参考时钟等于T″时接收到的单载波信息帧时间戳i，可计算水下目标定位信息 $s=\frac{c(T\′\′-\mathrm{ims})}{2}.$

定位单元31将当前的定位信息与先前连续反射单载波信息帧中所获得的定位信息融合处理，能够实时地对水下目标进行连续定位，并获得处于变化状态下的水下目标的实时定位信息。

当开启新一轮定位时，只需将单载波信息帧时间戳计数值清零后，重新发送即可。

以上所述，仅为本发明方法较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种水下定位系统，包括控制中心、用于定位信息处理的处理中心以及声纳装置，控制中心连接处理中心和声纳装置，处理中心连接声纳装置，其特征在于：

所述处理中心为依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧、并将所封装的发射信息帧发送给声纳装置、还将从声纳装置接收到的反射信息帧进行处理以获取相应定位信息的处理中心；

所述声纳装置为用于实现带时间戳的单载波信息帧的水下收发的声纳装置；

所述控制中心为用于控制声纳装置收发信息帧，以及用于控制处理中心封装发射信息帧、分析反射信息帧、计算定位信息的控制中心。

2.根据权利要求1所述的水下定位系统，其特征在于所述处理中心包括：

定位单元，与数据处理单元连接，用于接收数据处理单元提取的反射信息帧中的时间信息，并用于与当前参考时钟比较、信息融合，进而得到相应的定位信息；

数据处理单元，与信息收发单元和定位单元连接，用于依据参考时钟封装带时间戳的单载波发射信息帧以及提取反射信息帧中时间信息；

信息收发单元，与数据处理单元和声纳装置连接，用于依据控制中心的控制指令与数据处理单元进行数据交互，把数据处理单元所封装的发射信息帧发送至声纳装置，以及把从声纳装置接收到的反射信息帧送入数据处理单元。

3.一种根据权利要求1所述系统的水下定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，数据处理单元依据参考时钟连续封装带时间戳的单载波发射信息帧，每帧间隔时间Δt，并对时间戳内容进行计数，计数值为一个等差数列；

步骤2，封装后的单载波信息帧通过信息收发单元，由声纳装置连续发送至水声信道；

步骤3，声纳装置接收水下目标返回的单载波信息帧；再由信息收发单元将单载波反射信息帧送入数据处理单元，提取时间戳，通过时间戳的计数值获取时间信息；

步骤4，在步骤3中所获取的时间信息送入定位单元与当前参考时钟比较，计算信息帧水下定位传输时间，并根据水声速度计算水下目标的相对位置，获取定位信息。

4.根据权利要求3所述的水下定位方法，其特征在于步骤4所述的定位信息为本次定位信息；且所述水下定位方法还包括：

步骤5，将步骤4所述的本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行融合处理，获得水下目标的实时定位信息。

5.根据权利要求4所述的水下定位方法，其特征在于：步骤5所述的融合处理指本次定位信息与先前依次获取的定位信息进行数据交互处理。

6.根据权利要求3或4所述的水下定位方法，其特征在于：步骤1所述带时间戳的单载波发射信息帧中，时间戳的前面加入循环前缀UW序列，其中UW序列长度大于水声信道最大时延长度；在步骤3提取时间戳之前，对反射信息帧进行去除循环前缀UW序列、单载波频域均衡、判决处理。

7.根据权利要求6所述的水下定位方法，其特征在于：所述循环前缀UW序列为Frank-Zadoff或Chu序列。

8.根据权利要求3或4所述的水下定位方法，其特征在于：所述计数值为一个公差为1、第一项为0的等差递增数列。

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