CN103823229B - 一种基于dgps浮标的水下定位导航系统和方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及水下定位导航领域,尤其涉及水下目标隐蔽情况下的定位导航以及时间同步技术。
背景技术
水下导航定位导航技术在海洋监测、海洋勘探、海洋维权、水下考古、水下施工、水下安保及军事等领域有非常重要的应用价值。基于声学的水下定位导航系统按照水声信号的传播路径,主要分为两类:双程模式和单程模式。
双程模式又称作应答模式,需要水下定位设备配置收发应答器。浮标和应答器之间双向收发水声信号实现定位。传统的长基线、短基线和超短基线定位系统大都是双程模式。双程模式的优点是水下应答器和浮标之间不需要时间同步。缺点是:1.水下应答器需要向外界发射声波信号,增加了功耗,隐蔽性差。2.由于需要双向收发信号,水下应答器的数目受制与浮标的处理能力,不能无限增加。
单程模式又称非应答模式。浮标和水下定位设备之间单向传送信号即可实现定位。目前单程定位系统都是水下信标向浮标发送信号,浮标根据接收到信号的特征解算出水下信标的位置。这种模式下,水下信标的数目也受制于浮标处理能力。
目前的单程和双程模式,其信标的位置解算都是在浮标或者船基、岸基完成。信标不能直接获得自身位置。如果水下设备(如水下潜航器)需要根据自身位置实现自主航行,则需要通过额外的通信链路,将位置信息从浮标发送给水下设备。
经检索,中国专利申请号CN200310118440的发明专利公开了一种水下GPS定位导航方法和系统,可以实现水下目标定位导航与授时。该方法有以下局限性:1.系统所需部件庞大,需要至少5个浮标(浮标),数据中心、海面无线通信链路,水下无线通信链路。2.水下导航接收机与浮标需要双向通信。水下定位导航接收机需要向外发射水声信号,功耗大且不利于隐蔽。3.水下定位导航接收 机数量不能无限增加。4.水下导航接收机无法直接获得自身位置。数据中心解算出位置之后,通过水声通信链路发送给水下定位导航接收机。增加了定位所需的时间,降低了可靠性。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法,实现基于扩频通讯广播模式的单程水下定位导航。
根据本发明的一个方面,提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统,该系统由GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)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(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。
优选地,所述DGPS浮标的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,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PZ,周期为PP。每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码,记为Pi,不同的Pi相互准正交,即它们的互相关函数的峰值PCMi与自相关函数的峰值PCSi之间的关系满足
根据测距码Pi即可确定其对应的DGPS浮标Si;
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PP的整数倍。
根据本发明的第二方面,提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航方法,
该方法包含:DGPS浮标发射导航信号、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;
所述DGPS浮标发射导航信号,具体如下:
①生成导航电文,记为Di,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Ki,Ki=Di×Pi;
③利用扩频后的信号Ki,对载波进行调制,所有DGPS浮标与UTC时间同步,可以实现载波同步,即所有DGPS浮标的载波频率相位同步,记为C,导航信号记为Xi,Xi=C×Ki=C×Di×Pi;
④将导航信号Xi通过DGPS浮标的水声换能器发射到水中;
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Rci=(x,y,z),与浮标之间的距离为 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。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明通过以上方法,水下定位导航接收机获得了自身相在地球坐标的位置,以及相对于DGPS浮标的精确位置坐标,并实现了与UTC时间同步。水下定位导航接收机不需要向外发射信号。水下定位导航接收机数量不受限制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明一实施例的系统原理框图。
图2是本发明一实施例中浮标的原理框图。
图3是本发明一实施例中水下定位导航接收机的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,为本发明一实施例的定位导航系统框图,由GNSS卫星11、4个DGPS浮标15和1个水下定位导航接收机14组成。DGPS浮标(以下简称浮标)通过GPS天线12接收GNSS导航信号,实现在地球坐标系内的定位。同时,浮标之间通过无线通讯天线13相互通讯,传送GNSS数据,实现浮标之间相互位置精确定位。
本实施例中,所述GNSS卫星为现有的全球卫星导航系统,例如:美国的GPS系统、中国的北斗系统、欧洲的伽利略系统和俄罗斯的格洛纳斯系统。
本实施例中,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(DGPS)系统,实现各个浮标相对地球坐标的定位,以及各浮标之间相对位置的精确定位;通过GNSS卫星授时功能,实现浮标时间与UTC时间同步。
设浮标记为Si,其中i=1,2,…,m。其中,m为浮标数量,m≥4。下文中,i,m含义相同。浮标的位置坐标分别Sci=(xi,yi,zi)。浮标布置在水面、水中或者水底。浮标之间的时钟同步,记为t0。浮标以声波的形式向水中广播发 射导航信号。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。
导航信号包含以下信息。
①测距码。测距码是一组长度固定的伪随机码,其长度为PZ,周期为PP。每个浮标对应一个特定序列的伪随机码,记为Pi。不同的Pi相互准正交,即它们的互相关函数的峰值PCMi与自相关函数的峰值PCSi之间的关系满足
根据测距码Pi即可确定其对应的浮标Si。
②导航电文。导航电文包含浮标时间,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PP的整数倍。
浮标发射导航信号的方式如下:
①生成导航电文。记为Di。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。信息帧包含了浮标时间和浮标位置坐标。
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Ki。Ki=Di×Pi。
③利用扩频后的信号Ki,对载波进行调制。所有浮标与UTC时间同步,可以实现载波同步,即所有浮标的载波频率相位同步,记为C,导航信号记为Xi,Xi=C×Ki=C×Di×Pi。
④将导航信号Xi通过浮标的水声换能器发射到水中。
定位导航接收机在水下,其坐标为Rci=(x,y,z),与浮标之间的距离为 开始的时候,接收机的时间(记为t),与浮标时间t0不同步,其时间差为Δt=t0-t。接收到浮标发射的导航信号,记为Y。系统中有多个浮标,接收到的信号Y包含了多个浮标发射的信号。
图3是另一实施例中浮标原理框图。本实施例中,浮标主要由发射换能器21、阻抗匹配器22、功率放大器23、AD转换器24、嵌入式系统25、GPS天线26和无线通讯天线27组成。
GPS天线26接收现有GPS信号,实现浮标在地球坐标内定位。
无线通讯天线27进行浮标之间相互通讯。传送GPS数据,进行浮标之间差分GPS(DGPS)定位,实现浮标之间相对位置的精确定位。
嵌入式系统25实现以下功能:无线通讯,GPS及DGPS定位计算,测距码、导航电文、载波和导航信号的计算与生成。
AD转换器24将导航信号由数字形式转换为模拟形式。
功率放大器23、阻抗匹配器22和发射换能器21依次将模拟导航信号放大、阻抗匹配并发射到水中。
图3是另一实施例中水下定位导航接收机原理框图。本实施例中,水下定位导航接收机主要由接收换能器31、滤波放大器32,AD转换器33和嵌入式系统34组成。
接收换能器31将声波信号转换为电信号,经过滤波放大器32滤除干扰信号,再由AD转换器33将模拟电信号转换为数字信号。
嵌入式系统34对数字信号进行处理,实现测距码分离、跟踪、帧同步伪距测量、位置时间解算等。
本实施例中,按照以下方法进行定位导航解算:
①信号解调分离。利用码测距码Pi的正交性,将各个浮标的信号解调并分离出来。具体方法是,依次将各个测距码Pi依次与信号Y进行相关运算。如果相关运算的结果大于设定的阈值(阈值根据互相关函数的峰值PCMi选取),则该路信号对应了第i个浮标发射,经过水体传播后,被接收机接收到的信号,记为Yi。
②信号跟踪。实现信号分离之后,对各路信号Yi分别跟踪。方法是在t时刻,将信号Yi依次与对应的测码Pi进行相关运算,测出相关峰值相对于的开始位置的时间,称为码相位
③帧同步及导航电文解析。接收到的信号Yi与同步帧T比对,确定导航电文的开始时刻,记为tSi,从tSi时刻开始,对测距码进行整周期计数,计数值记为Ni。依次对导航电文进行解析,得到浮标位置和浮标时间。
④伪距测量。利用从帧同步开始的计数值Ni和码相位可以计算出导航信号从浮标Si到接收机的传播时间Ti,根据声波在水中的传播速度c可以计算浮标Si到接收机的伪距Li,Li=c×Ti。传播时间Ti包含了接收机与浮标的时间差Δt,所以伪距Li不是浮标Si到接收机之间的实际距离LSi,其关系为:Li=LSi+cΔt。
⑤定位解算。水下定位导航接收机接收到一个浮标的信号,即可得到一个伪距。接收到全部m个浮标信号之后,即可获得m个伪距方程,组成如下方程组
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,得获得接收机的位置坐标x,y,z以及与浮标的时间差Δt。利用Δt对接收机时间进行修正,即可实现接收机时间t与浮标时间t0同步。
当浮标个数m>4时,水下定位导航接收机不需要接收到全部浮标的信号,只需要接收到4个浮标的信号即可。水下定位接收机数量不限。浮标的绝对位置或者相对位置已知,浮标之间保持时钟同步。
本发明中,DGPS浮标通过GPS和DGPS实现浮标位置地球坐标定位和浮标之间相对位置的精确定位。浮标以声波的形式,向水下发射导航信号,信号调制模式采用扩频通信模式。水下定位接收机不需要发射任何信号。在静默隐蔽的条件下,通过接收浮标的导航信号,确定自身相对于浮标的位置,从而实现水下 定位导航。水下定位接收机通过接收浮标的声波信号,可是实现与TUC时间同步。
应用本发明,可以实现水下设备(例如水下机器人、水下潜航器)在隐蔽情况下(即水下设备不需要向外界发射信号),实现自主定位,同时实现TUC时间同步,可以应用于水下施工、水下勘察、水下安保、水下监视及水下导航制导等领域。
以上为本发明的部分实施例,尽管本发明的内容已经通过上述部分实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种基于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Si,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Sci=(xi,yi,zi);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PZ,周期为PP;每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码,即为测距码Pi,不同的Pi相互准正交,即它们的互相关函数的峰值PCMi与自相关函数的峰值PCSi之间的关系满足根据测距码Pi即能确定其对应的DGPS浮标Si;
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PP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Di,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Ki,Ki=Di×Pi;
③利用扩频后的信号Ki,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Xi,Xi=C×Ki=C×Di×Pi;
④将导航信号Xi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Rci=(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Pi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Pi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Yi;
②信号跟踪:实现信号分离之后,对各路信号Yi分别跟踪;即在t时刻,将信号Yi依次与对应的测距码Pi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Yi与同步帧T比对,确定导航电文的开始时刻,记为tSi,从tSi时刻开始,对测距码进行整周期计数,计数值记为Ni;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Ni和码相位计算出导航信号从DGPS浮标Si到接收机的传播时间Ti,根据声波在水中的传播速度c计算DGPS浮标Si到接收机的伪距Li,Li=c×Ti;传播时间Ti包含了接收机与DGPS浮标的时间差Δt,伪距Li、DGPS浮标Si到接收机之间的实际距离LSi关系为:Li=LSi+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:
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。
2.根据权利要求1所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统,其特征在于,所述DGPS浮标的绝对位置或者相对位置已知,DGPS浮标之间保持时钟同步。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统,其特征在于,所述DGPS浮标布置在水面、水中或水底,DGPS浮标的位置固定或者移动。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统,其特征在于,所述DGPS浮标以声波的形式,向水下发射导航信号,信号调制模式采用扩频通信模式。
5.一种基于DGPS浮标的水下定位导航方法,该方法包括DGPS浮标发射导航信号步骤、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步骤;
DGPS浮标记为Si,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Sci=(xi,yi,zi);
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PZ,周期为PP;每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码,即为测距码Pi,不同的Pi相互准正交,即它们的互相关函数的峰值PCMi与自相关函数的峰值PCSi之间的关系满足根据测距码Pi即能确定其对应的DGPS浮标Si;
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PP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Di,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Ki,Ki=Di×Pi;
③利用扩频后的信号Ki,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Xi,Xi=C×Ki=C×Di×Pi;
④将导航信号Xi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Rci=(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Pi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Pi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,则该信号Y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Yi;
②信号跟踪:实现信号分离之后,对各路信号Yi分别跟踪;即在t时刻,将信号Yi依次与对应的测距码Pi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Yi与同步帧T比对,确定导航电文的开始时刻,记为tSi,从tSi时刻开始,对测距码进行整周期计数,计数值记为Ni;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Ni和码相位计算出导航信号从DGPS浮标Si到接收机的传播时间Ti,根据声波在水中的传播速度c计算DGPS浮标Si到接收机的伪距Li,Li=c×Ti;传播时间Ti包含了接收机与DGPS浮标的时间差Δt,伪距Li、DGPS浮标Si到接收机之间的实际距离LSi关系为:Li=LSi+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:
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。
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