CN105974363B - 一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法 - Google Patents
一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于水下导航定位领域,具体涉及一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法。本发明包括:使用水下导航收发器以广播形式向智能浮标定位水听器和水下基准站发射水声定位请求信号;基准网中各智能浮标获取水下用户的定位请求后,通过同时接收GNSS卫星信号与差分基站的差分修正信息,进行水上差分定位,获取准确的位置坐标与浮标同步时间;智能浮标内集成的数据处理模块,将自身位置与发射时间进行水声编码与调制。本发明通过水下基站接收与水下用户同步的浮标水声定位信号,水下基站提取声信号空间相关误差项作为声信号传播差分信息,提高声测信号精度,具有保密性上的优势,真正意义上提高水下定位精度。
Description
技术领域
本发明属于水下导航定位领域,具体涉及一种利用若干个基于全球导航卫星系统(GNSS)差分定位的智能浮标,组成水下定位动态基准网,根据水声局域传播的空间相关特性,利用水下固定基站提取声测误差相关项播发给用户端,修正用户端声测信息实现高精度的基于声测误差相关性的水下增强定位方法。
背景技术
海洋探索与开发对国家发展战略具有深远意义。为拓展水下环境的开发利用,亟需开展为水下航行、水文监测、海底勘探等提供高精度定位方法的研究。基于全球导航卫星系统(GNSS)智能浮标阵列的水下定位方法,以定位精度高、作用范围广和成本控制低等优点成为有效实现水下定位的方法之一。考虑到GNSS单机定位精度约10m,导致智能浮标基准精度受限,进而限制用户端的定位性能,因而有人在提高智能浮标基准精度的考虑下,提出水上差分GNSS技术,将GNSS定位精度提高约1m。
然而,以上技术旨在提高水上浮标基准网精度,并未考虑水下声信号传播误差项也是阻碍高精度水下定位的重要干扰因素。声信号在水下易受海洋环境密度、温度以及深度等影响,使得声信号在传播中会受到众多误差干扰。由于声信号所受的多种干扰因素在局域传播空间内具有空间相关性,如何充分利用此种误差空间相关特性,是真正意义上提高水下定位精度的关键所在。
基于公共误差的存在,出现了的一种水下差分定位方法。该方法在短基线水下定位系统的基础上,设置水下参考应答器,通过信号双向传递得到短基线区域内的公共误差,修正测得的各短基线阵元测得的水下待定位载体的距离,期望以此方法得到更高精度的水下目标位置。然而,现有的差分定位方法依靠短基线定位系统,各阵元分布密集,各阵元坐标精度依赖于短基线定位系统,定位精度有限,所采用的信号双向传递模式既不能使水下目标自主定位也破坏了保密性。综上所述,设计一种新型基于声信号水域空间传播误差相关特性的水下定位技术具有相当的迫切性。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法。
本发明的目的是这样实现的:
本发明包括如下步骤:
(1)使用水下导航收发器以广播形式向智能浮标定位水听器和水下基准站发射水声定位请求信号;
(2)基准网中各智能浮标获取水下用户的定位请求后,通过同时接收GNSS卫星信号与差分基站的差分修正信息,进行水上差分定位,获取准确的位置坐标与浮标同步时间;
(3)智能浮标内集成的数据处理模块,将自身位置与发射时间进行水声编码与调制;
(4)智能浮标动态基准网以其无线通信链路对其各浮标水声定位信号发射时间进行统一调控,利用水声发射机将调制信号广播发射给水下导航收发机与水下固定基准站;
(5)水下固定基准站当收到水下用户的定位请求后,等待智能浮标的水声定位信号,当接收到多于4颗的智能浮标的定位信号后,因基准位置已知,采用定位反演算法提取水声信号传播误差项,作为水声信号修正信息,进行差分数据编码调制,播发给水下用户;
(6)水下用户通过水声收发机接收多于4颗来自智能浮标的定位信号和来自水下基准站的差分修正信号后,进行浮标信息与差分信息的时间、数据一致性检验;
(7)当浮标信息与差分信息通过数据一致性检验后,利用差分信息将接收的水声定位信息进行差分修正,通过空间距离交会原理获取最终的高精度水下定位结果。
所述步骤(2)中智能浮标的位置来自于多卫星系统组合的水上差分定位。
所述步骤(4)中利用海面无线通信链路,统一调控浮标基准网的水声定位信号发射时间,为用户执行定位算法提供时间基准。
所述步骤(5)中水下固定基准站位置已知,能够通过定位反演提取水声信号综合误差项,作为修正用户端声测信号的差分信息。
所述步骤(7)中基于水声信号在水下局域误差相关特性,用户端利用基准站播发的声测信号差分信息,进行水下差分定位,可以获取更高精度的声测信息。
本发明的有益效果在于:
本发明充分利用水声信号在水下传播的误差空间相关特性,通过水下基站接收与水下用户同步的浮标水声定位信号,水下基站提取声信号空间相关误差项作为声信号传播差分信息,播发给用户用以修正声测信息,提高声测信号精度,水下用户的定位过程最终是在用户处完成,具有保密性上的优势,真正意义上提高水下定位精度。
附图说明
图1是运用本发明的基于声测误差相关性的水下基站增强定位方法的实施例一示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法。本发明基于水声信号在水下传播的空间相关特性,通过对空间相关误差进行差分修正,获取用户端准确的声测信息,用以得到更高的水下定位精度。本发明由水上差分智能浮标基准网,海面无线电通信链路,水下水声通信链路,水下固定基准站等组成。本发明方法是:用户端向浮标网与基准站广播定位请求;浮标网利用全球导航卫星系统(GNSS)水上差分技术,获取自身精准位置与GNSS同步时间并编码与调制生成水声定位信号,通过海面无线电通信链路,统一调控浮标网向用户端与基准站广播发射水声信号的时间;水下基准站获取捕获浮标网的水声定位信号,提取水声传播综合误差项,并编码调制生成差分信号广播发射给用户端;用户同时接收到来自浮标网的水声定位信号与基准站的差分信号后,对声测信息差分修正获取高精度的水下定位结果。本发明在水上与水下同时采用差分修正思想,实现水下高精度定位,为水下航行、水文监测、海底勘探等拓展水下环境的开发与利用提供精准的定位信息。
本发明充分利用声信号水下局域传播的空间误差相关特性,通过水下固定基站提取水声信号空间综合误差项,并播发给用户端用以修正声测信息,以期达到既保证保密性不被破坏又可以获得较高精度的水下定位的目的。该方法同时采用水上GNSS的差分定位技术,确保智能浮标动态基准网的精度。
本发明基于声测误差空间相关特性,进行水下声测信号差分修正实现用户主动高精度水下定位,包括以下步骤:
步骤1,水下用户使用水下导航收发器以广播形式向智能浮标定位水听器和水下基准站发射水声定位请求信号;
步骤2,基准网中各智能浮标获取水下用户的定位请求后,通过同时接收GNSS卫星信号与差分基站的差分修正信息,进行水上差分定位,获取准确的位置坐标与浮标同步时间;
步骤3,智能浮标内集成的数据处理模块,将自身位置与发射时间进行水声编码与调制;
步骤4,智能浮标动态基准网以其无线通信链路对其各浮标水声定位信号发射时间进行统一调控,利用水声发射机将调制信号广播发射给水下导航收发机与水下固定基准站;
步骤5,水下固定基准站当收到水下用户的定位请求后,等待智能浮标的水声定位信号,当接收到多于4颗的智能浮标的定位信号后,因基准位置已知,采用定位反演算法提取水声信号传播误差项,作为水声信号修正信息,进行差分数据编码调制,播发给水下用户;
步骤6,水下用户通过水声收发机接收多于4颗来自智能浮标的定位信号和来自水下基准站的差分修正信号后,进行浮标信息与差分信息的时间、数据一致性检验;
步骤7,当浮标信息与差分信息通过数据一致性检验后,利用差分信息将接收的水声定位信息进行差分修正,通过空间距离交会原理获取最终的高精度水下差分定位结果。
本发明集成全球差分定位、水声通信,海洋环境,计算机处理等技术,利用声信号水下传播空间相关特性,通过基站提取综合误差项修正水下用户声测信号,有效为水下航行、水文监测、海底勘探等提供高精度定位信息。
下面通过实施例,并结合附图1,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
本发明是基于声测误差相关性的水下基站差分定位方法,具体步骤包括:
步骤1,用户发送定位请求信号
水下用户使用水下导航收发器以广播形式向智能浮标定位水听器和水下基准站发射水声定位请求信号。
用户采取主动式定位方式,在有定位需求时发射水声定位请求信号。其中水下基站(Base)坐标是固定已知的,记为(xb,yb,zb)。
步骤2,基准网各智能浮标的位置与时钟解算
基准网中各智能浮标(Float)获取水下用户的定位请求后,通过同时接收GNSS卫星信号与差分基站的差分修正信息,使用传统卫星定位中的差分定位,获取高精度的位置坐标与浮标同步时间其中i表示智能浮标编号。
步骤3,智能浮标对发射信息进行水声编码与调制
步骤2中得到了智能浮标自身位置与发射时间,智能浮标内集成的数据处理模块,对这些信息进行数模转换,经过放大滤波、声波换能器的转换,得到了智能浮标位置和时间信息的声波信号。
步骤4,智能浮标网调控统一时间播发定位信息
a.利用无线通信链路建立各智能浮标的通讯平台,以GPS同步时间为基准,确定统一的发射水声信号时间;
b.在统一发射时间确定后,利用水声发射机将调制信号广播发射给水下导航收发机与水下固定基准站。
步骤5,水下基站提取水声信号传播误差项
a.水下基站收到水下用户的定位请求后,等待智能浮标的水声定位信号,当接收到多于4颗智能浮标的定位信号后,对其进行水声信号解调后,可以获取到各智能浮标自身位置与发射时间。根据声波信号的传播时间计算得到智能浮标到基站的传播伪距
其中:Vsound—声波在水中的传播速度;
tb,—分别为基站接收到浮标i播发信号的时间和浮标播发信号时间;
—浮标i到水下基站的几何距离;
δtb—水下基站接收机钟差;
δdi,—分别是浮标i的水中传播综合误差项和水下基站的水声信号测量噪声项。
b.基站确切坐标已知,由智能浮标的位置和基站位置(xb,yb,zb)进行距离求解,得到智能浮标到基站的几何距离
c.提取水声信号传播综合误差项
d.将作为水声信号差分修正信息,对其进行差分数据编码调制,播发给水下用户。
步骤6,用户接收智能浮标信号和基站差分信号并进行时间、数据一致性检验
a.水下用户通过水声收发机接收步骤4中得到的智能浮标定位信号和步骤5中得到的水下基站差分修正信号,对其进行水声信号解调获取各自有效信息。
b.进行智能浮标信息与差分信号的时间、数据一致性检验。
步骤7,用户解算自身位置
a.当浮标信息与差分信息通过步骤6中的时间、数据一致性检验后,判断水声信号数目,若用户接收到的信号数目少于4个,则这一历元放弃解算,重复上述所有步骤进入下一历元的解算。
b.若水声信号数目多于4颗,则进行位置解算,首先GNSS智能浮标播发的发射时间可以作为GNSS智能浮标到水下目标传播伪距的初始发射时间,水下用户(User)利用到达时间差,来获取各浮标水声信号的传播伪距
其中:—浮标i到水下用户的几何距离;
δtu—水下用户接收机钟差;
δdi—水声信号在水中传播综合误差项;
—用户水声信号测量噪声项。
c.对GNSS智能浮标到水下目标传播伪距使用水下基站播发的水声信号传播综合误差项进行修正补偿,得到修正后的GNSS智能浮标到水下目标传播伪距
其中:δtbu—水下基站和水下用户的钟差残余量
—观测噪声残余量
d.综合各智能浮标信息,忽略观测噪声残余量,进行定位解算:
进行最小二乘解算,获取最终的高精度水下差分定位结果,输出用户的位置(xu,yu,zu)。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不偏离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整,但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,用户发送定位请求信号
水下用户使用水下导航收发器以广播形式向智能浮标定位水听器和水下基准站发射水声定位请求信号;
用户采取主动式定位方式,在有定位需求时发射水声定位请求信号;其中水下基站坐标是固定已知的,记为(xb,yb,zb);
步骤2,基准网各智能浮标的位置与时钟解算
基准网中各智能浮标获取水下用户的定位请求后,通过同时接收GNSS卫星信号与差分基站的差分修正信息,使用传统卫星定位中的差分定位,获取高精度的位置坐标与浮标同步时间其中i表示智能浮标编号;
步骤3,智能浮标对发射信息进行水声编码与调制
步骤2中得到了智能浮标自身位置与发射时间,智能浮标内集成的数据处理模块,对这些信息进行数模转换,经过放大滤波、声波换能器的转换,得到了智能浮标位置和时间信息的声波信号;
步骤4,智能浮标网调控统一时间播发定位信息
4.1利用无线通信链路建立各智能浮标的通讯平台,以GPS同步时间为基准,确定统一的发射水声信号时间;
4.2在统一发射时间确定后,利用水声发射机将调制信号广播发射给水下导航收发机与水下固定基准站;
步骤5,水下基站提取水声信号传播误差项
5.1水下基站收到水下用户的定位请求后,等待智能浮标的水声定位信号,当接收到多于4颗智能浮标的定位信号后,对其进行水声信号解调后,可以获取到各智能浮标自身位置与发射时间;根据声波信号的传播时间计算得到智能浮标到基站的传播伪距
其中:Vsound—声波在水中的传播速度;
tb,—分别为基站接收到浮标i播发信号的时间和浮标播发信号时间;
—浮标i到水下基站的几何距离;
δtb—水下基站接收机钟差;
δdi,—分别是浮标i的水中传播综合误差项和水下基站的水声信号测量噪声项;
5.2基站确切坐标已知,由智能浮标的位置和基站位置(xb,yb,zb)进行距离求解,得到智能浮标到基站的几何距离
5.3提取水声信号传播综合误差项
5.4将作为水声信号差分修正信息,对其进行差分数据编码调制,播发给水下用户;
步骤6,用户接收智能浮标信号和基站差分信号并进行时间、数据一致性检验
6.1水下用户通过水声收发机接收步骤4中得到的智能浮标定位信号和步骤5中得到的水下基站差分修正信号,对其进行水声信号解调获取各自有效信息;
6.2进行智能浮标信息与差分信号的时间、数据一致性检验;
步骤7,用户解算自身位置
7.1当浮标信息与差分信息通过步骤6中的时间、数据一致性检验后,判断水声信号数目,若用户接收到的信号数目少于4个,则这一历元放弃解算,重复上述所有步骤进入下一历元的解算;
7.2若水声信号数目多于4颗,则进行位置解算,首先GNSS智能浮标播发的发射时间可以作为GNSS智能浮标到水下目标传播伪距的初始发射时间,水下用户(User)利用到达时间差,来获取各浮标水声信号的传播伪距
其中:—浮标i到水下用户的几何距离;
δtu—水下用户接收机钟差;
δdi—水声信号在水中传播综合误差项;
—用户水声信号测量噪声项;
7.3对GNSS智能浮标到水下目标传播伪距使用水下基站播发的水声信号传播综合误差项进行修正补偿,得到修正后的GNSS智能浮标到水下目标传播伪距
其中:δtbu—水下基站和水下用户的钟差残余量
—观测噪声残余量
7.4综合各智能浮标信息,忽略观测噪声残余量,进行定位解算:
进行最小二乘解算,获取最终的高精度水下差分定位结果,输出用户的位置(xu,yu,zu)。
2.根据权利要求1所述的一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法,其特征在于:所述步骤2中智能浮标的位置来自于多卫星系统组合的水上差分定位。
3.根据权利要求1所述的一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法,其特征在于:所述步骤4中利用海面无线通信链路,统一调控浮标基准网的水声定位信号发射时间,为用户执行定位算法提供时间基准。
4.根据权利要求1所述的一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法,其特征在于:所述步骤5中水下固定基准站位置已知,能够通过定位反演提取水声信号综合误差项,作为修正用户端声测信号的差分信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法,其特征在于:所述步骤7中基于水声信号在水下局域误差相关特性,用户端利用基准站播发的声测信号差分信息,进行水下差分定位,可以获取更高精度的声测信息。
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