CN101975949A - 一种多用户水下超短基线定位设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户水下超短基线定位设备与方法，其特征在于：所述设备包括五元十字阵超短基线定位与导航系统和信标系统两部分，所述方法包括信标发射方法和信号接收与超短基线定位方法。本发明利用混沌调频调相扩频信号进行精确定位与导航，可以有效地减少多用户同时进行定位与导航时互干扰影响，可以有效地提高多用户定位与导航的准确度和成功率。本发明的设备可以与水声通信设备结合一体，通过通信反馈定位信息，能够满足多用户同时精确定位与导航的交互要求，可以与现有蛙人装备相结合，便于蛙人携带，也可用于水下无人潜水器编队使用。本发明的部分技术不仅适用于水声超短基线定位系统，还适用于陆上超短基线定位系统。

Description

一种多用户水下超短基线定位设备与方法

技术领域    本发明属于便携式通信与定位声纳装备领域，特别涉及一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位声纳设备与方法。本发明主要用于水下潜水作业蛙人和水下无人潜水器的中近程定位与导航中。

背景技术    蛙人或无人潜水器在进行潜水作业时，出于操作与安全的考虑，水面基地必须对蛙人或无人潜水器所处的位置进行实时的监控。水下定位与导航系统按基线长度分类，一般分为长基线(100m～6000m)、短基线(1m～50m)以及超短基线(＜1m)三类，其中长基线和短基线由于设备复杂且尺寸庞大并不适用于蛙人或无人潜水器水下定位与导航，而超短基线系统一般尺寸较小设备便于携带，因此是比较理想的蛙人水下定位与导航方式，但一般的超短基线存在定位精度较低的问题。目前，适于蛙人潜水作业或水下无人潜水器工作使用的基线系统主要以短基线/超短基线系统为主，如美国IXSEA公司的GAPS系统，一般仅支持单个用户使用或者多个窄带用户使用，在大型作业中往往需要多个潜水员或水下无人潜水器编队工作，同时需要各编队成员的高精度的定位信息，因此需要同时满足多个宽带用户精确定位与导航的超短基线系统。本发明利用混沌调频调相序列进行宽带超短基线精确定位与导航，所设计的便携式水下定位设备可以与水声通信设备结合一体，能够满足多用户同时提供精确定位与导航的要求。

发明内容    本发明的第一个目的是提供一种利用混沌调频调相序列进行超短基线精确定位，来满足水下蛙人或无人潜水器中近程多用户同时定位与导航的便携式水下定位声纳设备，本发明的再一个目的是提供一种利用混沌调频调相序列进行超短基线精确定位，来满足水下蛙人或无人潜水器中近程多用户同时定位与导航的便携式水下定位声纳的方法。本发明通过混沌调频调相序列信标，多脉冲检测与用户标识以及五元十字阵宽带超短基线方法，来完成水面基地对蛙人或无人潜水器多用户的实时高精度定位与导航。

实现本发明第一个目的的技术方案是这样的：

一种多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述设备包括五元十字阵超短基线定位与导航系统和信标系统两部分，其中：

所述的五元十字阵超短基线定位与导航系统包括五元十字阵、定位与导航系统密封电子分系统、姿态仪、卫星定位接收模块和显示控制中心，所述的五元十字阵、姿态仪分别通过线缆与定位与导航系统密封电子分系统相连；所述的定位与导航系统密封电子分系统与姿态仪通过水密缆与显示控制中心相连；卫星定位接收模块通过屏蔽线缆与显示控制中心相连。

所述的信标系统包括控制模块、信标系统密封电子分系统以及信标用收发共置换能器，所述的控制模块通过线缆与所述的信标系统密封电子分系统相连，所述的信标用收发共置换能器与信标系统密封电子分系统相连。

所述的五元十字阵包括一个收发共置换能器、四个接收换能器，其中收发共置换能器位于阵列中心，四个接收换能器分别位于以收发共置换能器为几何中心的正方形顶点，该五元十字阵通过线缆与所述的定位与导航系统密封电子分系统相连。

所述的收发共置换能器和接收换能器通过空心支架固定，且其连接线缆通过支架内心导出并接入定位与导航系统密封电子分系统。

所述的定位与导航系统密封电子分系统包括接收模块、相关检测器、副本生成器、混沌序列发生器、同步发生器、用户识别器、时延估计器、相对方位测算器、绝对方位映射器、姿态校正器、深度计、发射模块、消息调制模块以及用户消息发生器；所述接收模块将五元十字阵所采集的模拟信号进行滤波放大后转换成五路数字信号，并传送给相关检测器；所述相关检测器根据副本生成器所产生的混沌调频调相序列副本和同步发生器提供的同步时钟，进行副本相关、峰值检测以及用户归类，将检测结果分别发送至用户识别器和时延估计器；所述副本生成器根据由混沌序列发生器获得的混沌序列产生混沌调频调相序列副本；所述混沌序列发生器根据显示控制中心所提供的待检测用户信息根据混沌序列映射产生相应的混沌序列；所述同步发生器产生同步时钟提供给相关检测器和时延估计器使用；所述用户识别器根据相关检测器提供的检测结果确定用户信息，并将用户信息发送给相对方位测算器和绝对方位测算映射器；所述时延估计器根据相关检测器提供的对应用户的五路峰值检测结果进行相对时延估计；所述相对方位测算器根据时延估计器提供的对应用户相对时延估计值和姿态校正器提供的姿态校正数据根据五元十字阵位置关系，计算对应用户的相对方位；所述绝对方位映射器根据相对方位测算器所提供的对应用户的相对方位和卫星定位接收模块所提供的绝对地理坐标，映射对应用户的绝对方位坐标；所述姿态校正器根据姿态仪数据产生姿态校正数据；所述的深度计获得五元十字阵在水中的深度；所述用户消息发生器根据反馈用户消息产生用户反馈消息；所述消息调制模块将用户反馈消息进行通信调制，产生用户反馈信号；所述发射模块将用户反馈信号进行发射匹配和功率放大后，通过收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中。

所述的姿态仪采集所述的五元十字阵相对水面接收船的姿态信息提供给所述的姿态校正器。

所述的卫星定位接收模块通过卫星获得所述的五元十字阵超短基线定位与导航系统所在的绝对方位坐标信息。

所述的显示控制中心完成三项功能：显示用户的绝对方位坐标，发送待检测用户信息给混沌序列发生器，发送反馈用户信息给用户消息发生器。

如信标系统用于蛙人时，则所述的控制模块安装于蛙人腰带上，通过旋钮设置信标指令控制发射信标信号。

如信标系统用于无人潜水器时，所述的控制模块安装于无人潜水器内部，通过接受无人潜水器指控系统内部指挥控制指令设置信标指令控制发射信标信号。这种情况下整个信标系统除信标用收发共置换能器外均可安装在无人潜水器内部。

所述的信标系统密封电子分系统包括用户标识器、混沌序列发生器、信标发生器、发射模块、接收模块以及消息解调模块，所述用户标识器根据控制模块设置指令将所述设备唯一确定的用户标识发送给混沌序列发生器；所述的混沌序列发生器根据用户标识产生与之相对应的混沌序列；所述信标发生器根据混沌序列发生器产生的混沌序列产生混沌调频信号；所述发射模块将所述的混沌调频信号进行发射匹配和功率放大后，通过信标用收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中；所述接收模块处理并检测信标用收发共置换能器所接收到的定位与导航系统反馈信号；所述消息解调模块将接收模块检测到的定位与导航系统反馈信号进行通信解调，将反馈消息发送给控制模块提示蛙人。

所述信标用收发共置换能器发射信标信号并接收定位与导航系统反馈信号。

本发明技术方案中所述的线缆均指多芯屏蔽水密电缆，以下同。

实现本发明第二个目的的技术方案是这样的：

一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述方法包括信标发射方法和信号接收与超短基线定位方法，其中：

所述的信标发射方法包括如下步骤：

1)用户根据信标系统设定的用户信息，确定相应混沌序列；

2)通过相应的混沌序列产生对应的基于混沌调频调相序列的信标信号；

3)通过发射模块和信标用收发共置换能器将信标信号发射到水声信道中；

所述的信号接收与超短基线定位方法包括如下步骤：

4)五元十字阵超短基线定位与导航系统的五元十字阵接收水声数据并转换成五个通道的数字数据进行处理；

5)各个通道的数字数据经过混沌调频调相序列副本相关、峰值检测得到用户信标信号，并按用户归类后进行时延估计；

6)根据时延估计值计算对应用户的相对方位，并映射成绝对方位坐标；

7)显示控制中心显示用户的绝对方位坐标，产生用户反馈消息发送给用户，用户接收消息并确认。

所述步骤1)中，所述混沌序列是根据混沌映射关系由系统设定初始值产生，其中系统设定初始值由多用户定位与导航的超短基线定位声纳的信标系统设备确定，每个设备有唯一确定的初始值，初始值的取值范围0至1；混沌映射关系如下：根据一个或两个混沌映射模型(如Quadratic映射、Chebyshev映射、Second-Order映射)，由不同初始值生成用户之间相互正交的混沌序列。

所述步骤2)中，所述混沌调频调相序列的混沌调频值和混沌调相值是根据上述步骤1)中一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值。

所述步骤3)中，所述信标信号的发射参数如下：发射频段(10kHz～15kHz)，发射脉宽(10ms～1s)等。

所述步骤4)中，所述五元十字阵包括一个收发共置换能器、四个接收换能器，其中收发共置换能器位于阵列中心，四个接收换能器分别位于以收发共置换能器为几何中心的正方形顶点，所述位于阵列中心的收发共置换能器，与其它四个接收换能器的距离L相同，L的取值范围为：50mm～400mm，而且对五元十字阵的数字采样为同时采样，采样频率为300kHz～3MHz。

所述步骤5)中，所述混沌调频调相序列副本相关方法如下：产生所有待检测用户的混沌调频调相序列副本，每个副本分别与五元十字阵的各通道水声数据进行副本相关，结果取绝对值后输出；所述峰值检测以及用户归类方法如下：对所有待检测用户进行副本相关后得到的收发换能器通道结果进行峰值检测，所获得的峰值与设定阈值进行比较；如果某用户峰值大于阈值，说明检测到此用户的信标信号，则将对应用户的五元十字阵的五通道相关峰值时刻归为一类；如果某用户峰值小于阈值，说明未检测到此用户的信标信号，则不再检测与判决对应用户的其它通道峰值；所述时延估计方法如下：将所有已检测用户的相关峰值时刻按用户分类，五个一组进行时延估计，每组以位于五元十字阵中心的收发换能器对应的相关峰值时刻为时延估计原点，估计其它通道峰值时刻相对于时延估计原点的相对时延估计值。

所述步骤6)中，根据对应用户的相对时延估计值和五元十字阵各阵元经过姿态仪校正的相对位置，通过超短基线定位方法进行对应用户信标相对于五元十字阵的相对位置解算。解算得到的对应用户相对位置坐标通过卫星定位与导航模块(GPS系统，北斗系统以及伽利略系统中任意一种)提供的五元十字阵超短基线定位与导航系统所处经纬度信息以及深度计提供的深度信息映射成绝对方位坐标。

所述步骤7)中，显示控制中心根据对应用户的绝对方位坐标信息，将对应用户绝对方位显示在人机交互界面上，同时，显示控制中心根据五元十字阵超短基线定位与导航系统和对应用户的绝对方位坐标换算两者之间的距离与方位信息，并将信息与用户标识信息编制成数据包，并调制成对应用户信标系统可接收的通信信号，发送反馈给对应用户信标系统；对应用户信标系统通过通信解调获取反馈信息，确认自己的位置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明利用混沌调频调相扩频信号进行精确定位与导航，因为混沌调频调相扩频信号之间相互正交且可并发信号数目多，可以有效地减少多用户同时进行定位与导航时互干扰影响，可以有效地提高多用户定位与导航的准确度和成功率。

2、本发明所设计的便携式水下定位设备可以与水声通信设备结合一体，通过通信反馈定位信息，能够满足多用户同时精确定位与导航的交互要求。

3、本发明的设备可以与现有蛙人装备相结合，便于蛙人携带。

4、本发明的设备也适于水下无人潜水器编队使用。

5、本发明的部分技术不仅适用于水声超短基线定位系统，还适用于陆上超短基线定位系统。

附图说明    图1是本发明的设备结构示意图；

图2是本发明中五元十字阵超短基线定位与导航系统框图；

图3本发明中五元十字阵超短基线定位与导航系统结构示意图；

图4是本发明中五元十字阵结构示意图；

图5是本发明中信标系统框图；

图6是本发明实施例1中信标系统应用结构示意图；

图7表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列时序图；

图8表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列自相关图；

图9表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列互相关图；

图10表示一维混沌序列直接映射示意图；

图11表示基于五元十字阵的超短基线定位立体直角坐标系示意图；

图12表示多用户水下超短基线定位声纳的用户信息反馈流程框图；

图13是本发明实施例2中信标系统应用结构示意图。

具体实施方式    为使贵审查员及公众能进一步了解本发明的特征及其有益效果，特以实施例对本发明的具体实施方式详细描述如下：

实施例1：

本发明的设备由五元十字阵超短基线定位与导航系统和可以与蛙人用便携式水声通信声纳集成的信标系统两部分组成，其结构组成如图1所示。

图2是五元十字阵超短基线定位与导航系统的系统框图，图3则是该五元十字阵超短基线定位与导航系统实施例结构示意图，五元十字阵超短基线定位与导航系统由五元十字阵、定位与导航系统密封电子分系统、姿态仪、卫星定位接收模块和显示控制中心组成。所述的五元十字阵、姿态仪分别通过线缆与定位与导航系统密封电子分系统相连；所述的定位与导航系统密封电子分系统与姿态仪通过水密缆与显示控制中心相连；卫星定位接收模块通过屏蔽线缆与显示控制中心相连。

由一个收发共置换能器和四个接收换能器组成一个五元十字阵，接收各个用户信标系统所发出的信标信号，同时收发共置换能器将系统反馈信号发射给各个用户。五元十字阵结构如图4所示，其中收发共置换能器位于阵列中心，四个接收换能器分别位于以收发共置换能器为几何中心的正方形顶点，五个换能器通过空心支架固定，且其连接线缆通过空心支架内心导出并接入定位与导航系统密封电子分系统。

定位与导航系统密封电子分系统由接收模块、相关检测器、副本生成器、混沌序列发生器、同步发生器、用户识别器、时延估计器、相对方位测算器、绝对方位映射器、姿态校正器、深度计、发射模块、消息调制模块以及用户消息发生器组成，这些组成部分被放置在一个密封电子罐内，如图3中所示，通过线缆分别与五元十字阵、显示控制中心相连。该密封电子罐能够满足水密要求，在水中可以承受1到10MPa的水压。所述接收模块将五元十字阵所采集的模拟信号进行滤波放大后转换成五路数字信号，并传送给相关检测器；所述相关检测器根据副本生成器所产生的混沌调频调相序列副本和同步发生器提供的同步时钟，进行副本相关、峰值检测以及用户归类，将检测结果分别发送至用户识别器和时延估计器；所述副本生成器根据由混沌序列发生器获得的混沌序列产生混沌调频调相序列副本；所述混沌序列发生器根据显示控制中心所提供的待检测用户信息根据混沌序列映射产生相应的混沌序列；所述同步发生器产生同步时钟提供给相关检测器和时延估计器使用；所述用户识别器根据相关检测器提供的检测结果确定用户信息，并将用户信息发送给相对方位测算器和绝对方位测算映射器；所述时延估计器根据相关检测器提供的对应用户的五路峰值检测结果进行相对时延估计；所述相对方位测算器根据时延估计器提供的对应用户相对时延估计值和姿态校正器提供的姿态校正数据根据五元十字阵位置关系，计算对应用户的相对方位；所述绝对方位映射器根据相对方位测算器所提供的对应用户的相对方位和卫星定位接收模块所提供的绝对地理坐标，映射对应用户的绝对方位坐标；所述姿态校正器根据姿态仪数据产生姿态校正数据；所述的姿态仪采集所述的五元十字阵相对水面接收船的姿态信息提供给所述的姿态校正器；所述的卫星定位接收模块通过卫星获得所述的五元十字阵超短基线定位与导航系统所在的绝对方位坐标信息。所述的深度计获得五元十字阵在水中的深度；所述用户消息发生器根据反馈用户消息产生用户反馈消息；所述消息调制模块将用户反馈消息进行通信调制，产生用户反馈信号；所述发射模块将用户反馈信号进行发射匹配和功率放大后，通过收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中。所述的显示控制中心完成三项功能：显示用户的绝对方位坐标，发送待检测用户信息给混沌序列发生器，发送反馈用户信息给用户消息发生器。显示控制中心可以采用标准显控平台、工控机、服务器等计算机设备。

图5是本发明中信标系统框图。图6则是该信标系统实施例结构示意图，该信标系统可以与蛙人用便携式水声通信声纳集成，其由控制模块、信标系统密封电子分系统以及信标用收发共置换能器组成，所述的控制模块通过线缆与所述的信标系统密封电子分系统相连，所述的信标用收发共置换能器与信标系统密封电子分系统相连。

图6中控制模块安装于蛙人腰带上，通过旋钮设置信标指令控制发射信标信号。

信标系统密封电子分系统包括用户标识器、混沌序列发生器、信标发生器、发射模块、接收模块以及消息解调模块，这些组成部分被放置在一个圆柱状细长水密罐内，通过线缆分别与控制模块、信标用收发共置换能器相连，如图6中所示，该圆柱状细长水密罐满足水密要求，在水中可以承受1到10MPa的水压。所述用户标识器根据控制模块设置指令将所述设备唯一确定的用户标识发送给混沌序列发生器；所述的混沌序列发生器根据用户标识产生与之相对应的混沌序列；所述信标发生器根据混沌序列发生器产生的混沌序列产生混沌调频信号；所述发射模块将所述的混沌调频信号进行发射匹配和功率放大后，通过收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中；所述接收模块处理并检测信标用收发共置换能器所接收到的定位与导航系统反馈信号；所述消息解调模块将接收模块检测到的定位与导航系统反馈信号进行通信解调，将反馈消息发送给控制模块提示蛙人。所述信标用收发共置换能器发射信标信号并接收定位与导航系统反馈信号。

上述多用户水下超短基线定位设备可利用本发明提供的利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法来实现，该方法包括信标发射方法和信号接收与超短基线定位方法两个部分，其中：

所述信标发射方法包括如下步骤：

1)用户根据信标系统设定的用户信息，确定相应混沌序列；

2)通过相应的混沌序列产生对应的基于混沌调频调相序列的信标信号；

3)通过发射模块和信标用收发共置换能器将信标信号发射到水声信道中；

所述的信号接收与超短基线定位方法包括如下步骤：

4)五元十字阵超短基线定位与导航系统的五元十字阵接收水声数据并转换成五个通道的数字数据进行处理；

5)各个通道的数字数据经过混沌调频调相序列副本相关、峰值检测得到用户信标信号，并按用户归类后进行时延估计；

6)根据时延估计值计算对应用户的相对方位，并映射成绝对方位坐标；

7)显示控制中心显示用户的绝对方位坐标，产生用户反馈消息发送给用户，用户接收消息并确认。

上述技术方案中，所述步骤1)中，所述混沌序列是根据混沌映射关系由系统设定初始值产生，其中系统设定初始值由多用户定位与导航的超短基线定位声纳的信标系统设备确定，每个设备有唯一确定的初始值，初始值的取值范围0至1。所谓混沌是在非线性动态系统中出现的确定性但是具有类随机性的过程，这个过程是非周期的、不收敛但有界，并且对初始值极度敏感。混沌序列的类随机特性非常适用于扩频调制通信机制，且由于对初始值极其敏感，初始值稍有不同就能形成互不相关的序列，因此混沌映射可以提供大量的、相互正交的、类随机又可以确定再现的混沌序列。混沌映射关系如下：根据一个或两个混沌映射模型，由不同初始值生成用户之间相互正交的混沌序列。混沌映射模型有很多，如Quadratic映射、Chebyshev映射、Second-Order映射等，不同混沌映射模型得到的混沌序列，其相关特性有所不同。本实施例中采用Quadratic映射，所谓Quadratic映射方程可以表示为：

g(m+1)＝P-Qg²(m)    (1)

其中，当3/4＜PQ＜2时，g(m)∈(-2/Q，2/Q)，本实施例里取Q＝2，P＝1，g(0)∈(-1，1)，g(m)∈(-1，1)。

图7为Quadratic映射方程所产生的混沌序列，序列长度为1024，初始值为0.8501，其自相关特性如图8所示，自相关旁瓣峰值为0.0651；其互相关特性如图9所示，另一个混沌序列的初始值为0.8564，互相关峰值为0.085。

上述技术方案中，所述步骤2)中，所述混沌调频调相序列的混沌调频值和混沌调相值是根据步骤1)中一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值。如图10所示。采用步骤2)的Quadratic映射方程可以生成M组长度为N的混沌序列记做：

G¹，G²，...，G^m，...，G^M    (2)

其中， $G^m=[g_1^m,g_2^m,\·\·\·,g_n^m,\·\·\·,g_N^m].$

如果设带宽范围为B，由上述公式可以得到混沌调频值：

$f_n^m=g_n^m*B/2---\left(2\right)$

由此可得，M组混沌调频值序列F¹，F²，...，F^m，...，F^M，且

同理可以得到混沌调相值：

${\mathrm{\ρ}}_n^m=(g_n^m+1)*\mathrm{\π}/2---\left(4\right)$

由此可得，M组混沌调相值序列Ω¹，Ω²，...，Ω^m，...，Ω^M，且

对应某个特定用户，可以从M组混沌调频值和调相值序列中，选取一个混沌调频值和混沌调相值组合(F^m，Ω^m)作为与特定用户唯一确定的混沌调频调相序列。

基于混沌调频调相序列的信标信号的表达式为：

s^m(t)＝Acos[ω₀t+∫c^m(t)dt+k^m(t)]  0≤t≤T    (5)

其中，A为信号幅值，ω₀＝2πf₀为中心角频率，f₀为中心频率，c(t)为频率调制函数，有：

$c^m\left(t\right)=2{\mathrm{\πf}}_n^m{\mathrm{\ξ}}_n\left(t\right)---\left(6\right)$

这里，ξ_n(t)＝u[t-nT₀]-u[t-(n+1)T₀]为持续时间为T₀的单位脉冲函数，u(t)为阶跃函数，

$k^m\left(t\right)={\mathrm{\ρ}}_n^m{\mathrm{\ξ}}_n\left(t\right)---\left(7\right)$

因此，M组混沌序列可以产生M组相互正交的信标信号。因为每个用户唯一确定一组信标信号，所以通过混沌调频调相可以支持M个用户同时工作，一般M的取值可以是1～8192。

上述技术方案中，所述步骤3)中，所述信标信号的发射参数如下：发射频段(10kHz～15kHz)，发射脉宽(10ms～1s)等。

上述技术方案中，所述步骤4)中，所述五元十字阵如图4所示，位于阵列中心的收发共置换能器，与其它四个接收换能器的距离L相同，取值范围为：50mm～400mm。而且对五元十字阵的数字采样为同时采样，采样频率为300kHz～3MHz。五元十字阵五个通道所接收到的数据表达式为：

$r_k\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}^m(t+{\mathrm{\τ}}_k^m)+n\left(t\right),k=\mathrm{0,1,2,3,4}---\left(8\right)$

其中，k＝0表示收发共置换能器所接收的信号，k＝1，2，3，4表示接收换能器k所接收的信号。

上述技术方案中，所述步骤5)中，混沌调频调相序列副本相关方法如下：产生所有待检测用户的混沌调频调相序列副本，每个副本分别与五元十字阵的各通道水声数据进行副本相关，结果取绝对值后输出。峰值检测以及用户归类方法如下：对所有待检测用户进行副本相关后得到的收发换能器通道结果进行峰值检测，所获得的峰值与设定阈值进行比较；如果某用户峰值大于阈值，说明检测到此用户的信标信号，则将对应用户的五元十字阵的五通道相关峰值时刻归为一类；如果某用户峰值小于阈值，说明未检测到此用户的信标信号，则不再检测与判决对应用户的其它通道峰值。时延估计方法如下：将所有已检测用户的相关峰值时刻按用户分类，五个一组进行时延估计，每组以位于五元十字阵中心的收发换能器对应的相关峰值时刻为时延估计原点，估计其它通道峰值时刻相对于时延估计原点的相对时延估计值。其数学描述如下：

首先，根据M组混沌调频值和调相值序列，产生M组混沌调频调相序列副本rep^m(t)，对五元十字阵的各个通道的分别进行副本相关检测，然后去绝对值即：

$d_k^m\left(t\right)=|{\∫r}_{\text{k}}\left(t\right)*{\mathrm{rep}}^m(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}|---\left(9\right)$

由于，各组混沌调频调相序列之间是相互正交，而混沌调频调相序列与噪声信号之间也是正交的，因此当且仅当接收数据存在第m个用户的信标信号时，使用第m组混沌调频调相序列副本进行副本相关检测，才能在输出结果中出现峰值，即：

其中，D是检测阈值，

为峰值时刻。

如果通道中存在P个用户，则可以得到P组峰值时刻组合

其中p表示第p组用户。

如果以位于五元十字阵中心的收发共置换能器对应的相关峰值时刻为时延估计原点，则可以得到用户p的相对时延估计值：

$T_k^p={\mathrm{\τ}}_k^p-{\mathrm{\τ}}_0^p,k=\mathrm{1,2,3,4}---\left(11\right)$

上述技术方案中，所述步骤6)中，根据对应用户的相对时延估计值和五元十字阵各阵元经过姿态仪校正的相对位置，通过超短基线定位方法进行对应用户信标相对于五元十字阵的相对位置解算。其数学描述如下：

以收发共置换能器位置为中心，水平经纬轴为x-y轴，建立立体直角坐标系如图11所示，根据姿态仪的姿态数据和五元十字阵中心到接收换能器的距离(中心距)L，可以得到五元十字阵连接接收换能器的中心距在x-y平面上的映射长度分别为L1，L2，L3，L4。如果设用户p位置在设定立体直角坐标系下，距离为R，方位角为

俯仰角为θ，则用户信标与五元十字阵之间的几何位置关系有：

这里c为声音在水下传播的速度。

将式(12)的四个方程相加，可求得距离R等于：

$R=\frac{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Θ}}{2\mathrm{c\Ψ}-2\mathrm{\Δ}}---\left(13\right)$

其中，

Θ＝L1²+L2²+L3²+L4²，

将式(12)中第一和第三个方程、第二和第四个方程分别相加可得：

式(14)和(15)相除可得：

由式(16)进行反正切变换，可以得到方位角

。

将方位带回到式(14)或(15)并进行反正弦变换，可以得到俯仰角θ。

根据距离R、方位角

和俯仰角θ可以解算出用户p在设定立体直角坐标系中的相对位置坐标(x_p，y_p，z_p)：

重复同样的步骤可以解算出P个用户所对应相对坐标。

解算得到的对应用户相对位置坐标通过卫星定位与导航系统(GPS系统，北斗系统以及伽利略系统中任意一种)提供的五元十字阵超短基线定位与导航系统所处经纬度信息以及深度计提供的深度信息映射成绝对方位坐标。其原理如下：

若由卫星定位与导航系统获得的五元十字阵超短基线定位与导航系统所处经纬度以及由深度计获得的深度信息组合为(Lon，Lat，D)，则用户p的相对位置坐标(x_p，y_p，z_p)可以得到绝对方位坐标信息：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Lon}}_p=x_p+\mathrm{Lon}\\ {\mathrm{Lat}}_p=y_p+\mathrm{Lat}\\ D_p=y_p+D\end{array}\right.---\left(18\right)$

重复同样的步骤可以解算出P个用户所对应绝对方位坐标信息。

上述技术方案中，所述步骤7)中，显示控制中心根据对应用户的绝对方位坐标信息，将对应用户绝对方位显示在人机交互界面上，其中以经纬度坐标(Lon_p，Lat_p)为参考将用户p位置显示在二维地图上，并在对应用户位置显示绝对方位坐标信息(Lon_p，Lat_p，D_p)。

同时，显示控制中心根据五元十字阵超短基线定位与导航系统和对应用户的绝对方位坐标换算两者之间的距离与方位信息，并将信息与用户标识信息编制成数据包，并调制成对应用户信标系统可接收的通信信号，发送反馈给对应用户信标系统；对应用户信标系统通过通信解调获取反馈信息，辅助蛙人确认自己的位置，整个过程如图12所示。

实施例2：

本实施例提供的是信标系统用于辅助无人潜水器的水下超短基线定位声纳设备中，该信标系统除信标用收发共置换能器外均安装在无人潜水器内部，通过接受无人潜水器指控系统内部指挥控制指令设置信标指令控制发射信标信号，其应用结构如图13所示，所提供的五元十字阵超短基线定位与导航系统与实施例1相同。

信标系统由控制模块、信标系统密封电子分系统与信标用收发共置换能器组成。所述的控制模块通过线缆与所述的信标系统密封电子分系统相连，所述的信标用收发共置换能器与信标系统密封电子分系统相连，信标系统框图如图5所示。

信标系统密封电子分系统包括用户标识器、混沌序列发生器、信标发生器、发射模块、接收模块以及消息解调模块，这些组成部分被放置在一个圆柱状细长水密罐内，通过线缆分别与信标系统密封电子分系统、信标用收发共置换能器相连。该圆柱状细长水密罐应满足水密要求，在水中可以承受1到10MPa的水压。与实施例1不同之处在于所述控制模块连同放置有信标系统密封电子分系统的圆柱状细长水密罐均安装于无人潜水器内部，通过接受无人潜水器指控系统内部指挥控制指令设置信标指令控制发射信标信号。其它组成部分结构与功能与实施例1相同。

本实施例提供的利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法与实施例1相同，包括信标发射方法和信号接收与超短基线定位方法，所述信标发射方法包括如下步骤：

1)用户根据信标系统设定的用户信息，确定相应混沌序列；

2)通过相应的混沌序列产生对应的基于混沌调频调相序列的信标信号；

3)通过发射模块和信标用收发共置换能器将信标信号发射到水声信道中；

信号接收与超短基线定位方法包括如下步骤：

4)五元十字阵超短基线定位与导航系统的五元十字阵接收水声数据并转换成五个通道的数字数据进行处理；

5)各个通道的数字数据经过混沌调频调相序列副本相关、峰值检测得到用户信标信号，并按用户归类后进行时延估计；

6)根据时延估计值计算对应用户的相对方位，并映射成绝对方位坐标；

7)显示控制中心显示用户的绝对方位坐标，产生用户反馈消息发送给用户，用户接收消息并确认。

上述技术方案中，所述步骤1)至6)中，各项详细说明均与实施例1相同。

上述技术方案中，所述步骤7)中，显示控制中心根据对应用户的绝对方位坐标信息，将对应用户绝对方位显示在人机交互界面上，其中以经纬度坐标(Lon_p，Lat_p)为参考将用户p位置显示在二维地图上，并在对应用户位置显示绝对方位坐标信息(Lon_p，Lat_p，D_p)，如图9所示。

同时，显示控制中心根据五元十字阵超短基线定位与导航系统和对应用户的绝对方位坐标换算两者之间的距离与方位信息，并将信息与用户标识信息编制成数据包，并调制成对应用户信标系统可接收的通信信号，发送反馈给对应用户信标系统；对应用户信标系统通过通信解调获取反馈信息，并发送至无人潜水器指控系统，辅助无人潜水器确认自己的位置，整个过程如图12所示。

最后所应说明的是，以上仅用以说明本发明理论原理和技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述设备包括五元十字阵超短基线定位与导航系统和信标系统两部分，其中：

所述的五元十字阵超短基线定位与导航系统包括五元十字阵、定位与导航系统密封电子分系统、姿态仪、卫星定位接收模块和显示控制中心，所述的五元十字阵、姿态仪分别通过线缆与定位与导航系统密封电子分系统相连；所述的定位与导航系统密封电子分系统与姿态仪通过水密缆与显示控制中心相连；卫星定位接收模块通过屏蔽线缆与显示控制中心相连。

所述的信标系统包括控制模块、信标系统密封电子分系统以及信标用收发共置换能器，所述的控制模块通过线缆与所述的信标系统密封电子分系统相连，所述的信标用收发共置换能器与信标系统密封电子分系统相连。

2.根据权利要求1所述的多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述的五元十字阵包括一个收发共置换能器、四个接收换能器，其中收发共置换能器位于阵列中心，四个接收换能器分别位于以收发共置换能器为几何中心的正方形顶点，该五元十字阵通过线缆与所述的定位与导航系统密封电子分系统相连。

3.根据权利要求2所述的多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述的收发共置换能器和接收换能器通过空心支架固定，且其连接线缆通过支架内心导出并接入定位与导航系统密封电子分系统。

4.根据权利要求1所述的多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述的定位与导航系统密封电子分系统包括接收模块、相关检测器、副本生成器、混沌序列发生器、同步发生器、用户识别器、时延估计器、相对方位测算器、绝对方位映射器、姿态校正器、深度计、发射模块、消息调制模块以及用户消息发生器；所述接收模块将五元十字阵所采集的模拟信号进行滤波放大后转换成五路数字信号，并传送给相关检测器；所述相关检测器根据副本生成器所产生的混沌调频调相序列副本和同步发生器提供的同步时钟，进行副本相关、峰值检测以及用户归类，将检测结果分别发送至用户识别器和时延估计器；所述副本生成器根据由混沌序列发生器获得的混沌序列产生混沌调频调相序列副本；所述混沌序列发生器根据显示控制中心所提供的待检测用户信息根据混沌序列映射产生相应的混沌序列；所述同步发生器产生同步时钟提供给相关检测器和时延估计器使用；所述用户识别器根据相关检测器提供的检测结果确定用户信息，并将用户信息发送给相对方位测算器和绝对方位测算映射器；所述时延估计器根据相关检测器提供的对应用户的五路峰值检测结果进行相对时延估计；所述相对方位测算器根据时延估计器提供的对应用户相对时延估计值和姿态校正器提供的姿态校正数据根据五元十字阵位置关系，计算对应用户的相对方位；所述绝对方位映射器根据相对方位测算器所提供的对应用户的相对方位和卫星定位接收模块所提供的绝对地理坐标，映射对应用户的绝对方位坐标；所述姿态校正器根据姿态仪数据产生姿态校正数据；所述的深度计获得五元十字阵在水中的深度；所述用户消息发生器根据反馈用户消息产生用户反馈消息；所述消息调制模块将用户反馈消息进行通信调制，产生用户反馈信号；所述发射模块将用户反馈信号进行发射匹配和功率放大后，通过收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中。

5.根据权利要求1所述的多用户水下超短基线定位设备，其特征在于：所述的信标系统密封电子分系统包括用户标识器、混沌序列发生器、信标发生器、发射模块、接收模块以及消息解调模块，所述用户标识器根据控制模块设置指令将所述设备唯一确定的用户标识发送给混沌序列发生器；所述的混沌序列发生器根据用户标识产生与之相对应的混沌序列；所述信标发生器根据混沌序列发生器产生的混沌序列产生混沌调频信号；所述发射模块将所述的混沌调频信号进行发射匹配和功率放大后，通过信标用收发共置换能器转换成声信号发送到水声信道中；所述接收模块处理并检测信标用收发共置换能器所接收到的定位与导航系统反馈信号；所述消息解调模块将接收模块检测到的定位与导航系统反馈信号进行通信解调，将反馈消息发送给控制模块提示蛙人。

6.一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述方法包括信标发射方法和信号接收与超短基线定位方法，其中：

所述的信标发射方法包括如下步骤：

1)用户根据信标系统设定的用户信息，确定相应混沌序列；

2)通过相应的混沌序列产生对应的基于混沌调频调相序列的信标信号；

3)通过发射模块和信标用收发共置换能器将信标信号发射到水声信道中；

所述的信号接收与超短基线定位方法包括如下步骤：

4)五元十字阵超短基线定位与导航系统的五元十字阵接收水声数据并转换成五个通道的数字数据进行处理；

5)各个通道的数字数据经过混沌调频调相序列副本相关、峰值检测得到用户信标信号，并按用户归类后进行时延估计；

6)根据时延估计值计算对应用户的相对方位，并映射成绝对方位坐标；

7)显示控制中心显示用户的绝对方位坐标，产生用户反馈消息发送给用户，用户接收消息并确认。

7.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述混沌序列是根据混沌映射关系由系统设定初始值产生，其中系统设定初始值由多用户定位与导航的超短基线定位声纳的信标系统设备确定，每个设备有唯一确定的初始值，初始值的取值范围0至1；混沌映射关系如下：根据一个或两个混沌映射模型(如Quadratic映射、Chebyshev映射、Second-Order映射)，由不同初始值生成用户之间相互正交的混沌序列。

8.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述混沌调频调相序列的混沌调频值和混沌调相值是根据上述步骤1)中一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值。

9.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述信标信号的发射参数如下：发射频段(10kHz～15kHz)，发射脉宽(10ms～1s)等。

10.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述五元十字阵包括一个收发共置换能器、四个接收换能器，其中收发共置换能器位于阵列中心，四个接收换能器分别位于以收发共置换能器为几何中心的正方形顶点，所述位于阵列中心的收发共置换能器，与其它四个接收换能器的距离L相同，L的取值范围为：50mm～400mm，而且对五元十字阵的数字采样为同时采样，采样频率为300kHz～3MHz。

11.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述混沌调频调相序列副本相关方法如下：产生所有待检测用户的混沌调频调相序列副本，每个副本分别与五元十字阵的各通道水声数据进行副本相关，结果取绝对值后输出；所述峰值检测以及用户归类方法如下：对所有待检测用户进行副本相关后得到的收发换能器通道结果进行峰值检测，所获得的峰值与设定阈值进行比较；如果某用户峰值大于阈值，说明检测到此用户的信标信号，则将对应用户的五元十字阵的五通道相关峰值时刻归为一类；如果某用户峰值小于阈值，说明未检测到此用户的信标信号，则不再检测与判决对应用户的其它通道峰值；所述时延估计方法如下：将所有已检测用户的相关峰值时刻按用户分类，五个一组进行时延估计，每组以位于五元十字阵中心的收发换能器对应的相关峰值时刻为时延估计原点，估计其它通道峰值时刻相对于时延估计原点的相对时延估计值。

12.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤6)中，根据对应用户的相对时延估计值和五元十字阵各阵元经过姿态仪校正的相对位置，通过超短基线定位方法进行对应用户信标相对于五元十字阵的相对位置解算。解算得到的对应用户相对位置坐标通过卫星定位与导航模块提供的五元十字阵超短基线定位与导航系统所处经纬度信息以及深度计提供的深度信息映射成绝对方位坐标。

13.根据权利要求6所述的一种利用混沌调频调相序列进行多用户定位与导航的超短基线定位方法，其特征在于：所述步骤7)中，显示控制中心根据对应用户的绝对方位坐标信息，将对应用户绝对方位显示在人机交互界面上，同时，显示控制中心根据五元十字阵超短基线定位与导航系统和对应用户的绝对方位坐标换算两者之间的距离与方位信息，并将信息与用户标识信息编制成数据包，并调制成对应用户信标系统可接收的通信信号，发送反馈给对应用户信标系统；对应用户信标系统通过通信解调获取反馈信息，确认自己的位置。

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