CN106569178A - 一种反超短基线定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种反超短基线定位系统。包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器、供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元、供电单元，水面部分所述的通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块。本发明具有传统超短基线定位系统安装简单，使用方便，定位精度高的特点；本发明中水下潜器直接采集声信号并进行处理来获得自己的位置信息，提高了水下目标定位工作的效率；本发明中的信号接收端安装于水下目标上，比传统超短基线定位系统接收端布放于水面的情况受到的噪声干扰要小得多，得到的信号质量好，降低了对信号处理的复杂度。

Description

一种反超短基线定位系统

技术领域

本发明涉及的是一种反超短基线定位系统。

背景技术

近年来水下潜器工作与超短基线定位系统配合越来越密切。潜器在进行水下探测和布放作业时，需要超短基线定位系统为其提供位置信息。传统超短基线定位系统在工作时，水下潜器会定时地给水面超短基线定位系统发送声信号，当水面单元通过接收的声信号获取到水下目标的位置信息之后，会把得到的位置信息发送给水下潜器供水下潜器使用；而反超短基线定位系统中水下潜器可以直接通过接收到的声信号获取位置信息来供自身使用，从而大大提高了定位系统的工作效率；而且，声信号在水中接收时受到的噪声干扰比在水面附近接收时受到的噪声干扰要小的多，这样可以保证接收到的声音信号的质量，从而大大降低了对声音信号进行处理时的复杂度。

相比于传统超短基线定位系统，反超短基线定位系统不仅保证了安装简单，使用方便，定位精度高的特点，还提高了接收信号的质量以及系统工作的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决传统超短基线定位系统定位工作效率低问题的反超短基线定位系统。

本发明目的是这样实现的：

一种反超短基线定位系统，包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器、供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元、供电单元，水面部分所述的通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块；发射单元包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器基阵；同步器包括依次相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块；水下部分所述的信号预处理单元包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块；数字信号处理单元包括依次相连的逻辑控制模块、信号采集模块和定位解算模块；供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块。

所述发射单元和同步器通过发射控制模块和同步信号产生模块相连，数字信号处理单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，通信单元和数字信号处理单元通过网络通信模块和逻辑控制模块相连，发射单元和供电单元的模拟供电模块相连。

所述的接收换能器与信号预处理单元中的信号滤波模块相连，信号预处理单元和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连，接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元分别和供电单元的数字供电模块相连。

本发明的有益效果在于：本发明具有传统超短基线定位系统安装简单，使用方便，定位精度高的特点；本发明中水下潜器直接采集声信号并进行处理来获得自己的位置信息，提高了水下目标定位工作的效率；本发明中的信号接收端安装于水下目标上，比传统超短基线定位系统接收端布放于水面的情况受到的噪声干扰要小得多，得到的信号质量好，降低了对信号处理的复杂度。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图；

图2为本发明的定位解算软件工作流程框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明在于提供一种反超短基线定位系统，包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器和供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元和供电单元。通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块；发射单元包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器基阵；同步器包括依次相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块。信号预处理单元包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块，数字信号处理单元包括依次相连的逻辑控制模块、信号采集模块和定位解算模块。本发明不同于传统的超短基线定位系统。本发明利用超短基线基阵进行信号发射，水下目标进行信号接收，并对声信号信息进行处理。这样，水下目标可以直接使用得到的时延信息，与传统的超短基线定位系统相比，水下目标能够及时获取其位置信息，提高了工作效率；而且，由于接收换能器布放于水下，接收得到的声信号比在水面接收得到的声信号质量要好，这样有效地降低了信号处理时的复杂度。

本发明反超短基线定位系统，包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器和供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元和供电单元。其特征是：水面部分所述的通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块，发射单元包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器基阵，同步器包括相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块，供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块；水下部分所述的信号预处理单元包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块，数字信号处理单元包括依次相连的逻辑控制模块、信号采集模块和定位解算模块，供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块。

本发明还可以包括：

1.发射单元和同步器通过发射控制模块和同步信号产生模块相连，数字信号处理单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，通信单元和数字信号处理单元通过网络通信模块和逻辑控制模块相连，发射单元和供电单元的模拟供电模块相连。

2.接收换能器与信号预处理单元中的信号滤波模块相连，信号预处理单元和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连，接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元分别和供电单元的数字供电模块相连。

结合图1～2，本发明反超短基线定位系统包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器、供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元和供电单元。在水面部分中，通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块，发射单元包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器基阵，同步器包括依次相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块，供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块；在水下部分中，信号预处理单元包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块，数字信号处理单元包括依次相连的逻辑控制模块、信号采集模块和定位解算模块，供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块。

通信单元和数字信号处理单元通过网络通信模块和逻辑控制模块相连，同步器和发射单元通过同步信号产生模块和发射控制模块相连，数字信号处理单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，发射单元和供电单元中的模拟供电模块相连，接收换能器、信号预处理单元和数字信号处理单元分别和供电单元中的数字供电模块相连，接收换能器和信号预处理单元中的信号滤波模块相连，信号预处理单元和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连。

显控终端上装有该系统的配置软件与数据采集显示软件。配置软件主要完成对系统的初始化配置以及控制功能等。数据采集显示包括数据波形显示，GPS、姿态仪信息显示，数据存储等。能够完成的控制命令主要包括：系统启动与停止，水下接收装置的上下电，水下接收装置电量检测，信号接收器同步，信号接收器工作模式配置，信号预处理单元放大增益改变，采集模式选择等。

发射换能器基阵利用安装结构刚性固定于船舷，换能器基阵应位于水下2米左右，以保证信号被接收时可以比较明显地区分直达波信号。完成同步工作模式配置后，系统即可正常工作。通过显控终端控制发射换能器在水下以规定周期发射脉冲信号，供水下接收换能器采集。其中发射控制模块主要完成同步与配置命令的接收，完成发射信号的选择。发射信号经过发射功率放大模块放大后，由发射换能器基阵完成声信号的发射。该换能器为圆环带状，这样能够保证360度范围能接收到信号，而不受水下目标姿态的影响。

同步器主要是完成信号采集模块与发射换能器基阵的同步工作，当信号采集模块被装载在目标之后，则可以使用同步器来完成二者的同步。

接收换能器装载在被测运动目标上，固定连接。当完成同步工作模式即可投入使用。接收换能器布放应尽量远离目标的动力驱动装置，以保证良好的信号接收质量。接收换能器可以将接收到的声信号转化成电信号供信号预处理单元使用。

信号预处理单元对接收换能器输出的信号进行滤波、放大、调控处理。将信号中混叠的一部分噪声与干扰滤除掉，并根据控制命令实现信号的放大。

数字信号处理单元通过数据传输接口经电缆传输和通信单元的网络通信模块完成上传定位结果以及接受控制命令的功能。逻辑控制模块根据接收到的命令，完成对应的功能。例如增益的调整，信号采集模式的配置等。当采集命令下达后，信号采集模块开始采集数据，GPS、姿态仪数据信息接收模块同时接收对应的消息。数字信号处理单元的定位解算模块将采集的声信号信息和GPS、姿态仪数据信息进行处理得到水下目标的位置信息。得到的位置信息一方面直接提供给水下目标使用，另一方面通过数据传输接口经电缆传输给水面的通信单元的网络通信模块，最终送入显控终端中供显示与存储使用。

接收换能器与信号预处理单元中的信号滤波模块通过电缆进行连接。信号预处理单元中，信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块依次通过电信号连接。可控增益模块与信号采集模块之间采用电信号隔离效果明显的光耦相连接，有效地抑制了两部分的互相干扰。数字信号处理单元中，信号采集模块与逻辑控制模块通过电信号连接，逻辑控制模块与通信单元的网络通信接收模块通过电缆相连接。GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块之间采用数据传输总线相连接。网络通信模块与显控终端之间通过网线相连接。同步器中的逻辑控制模块和同步信号产生模块之间通过电信号相连接，同步信号产生模块与数字信号处理单元中的逻辑控制模块采用可插拔的数据线相连接。同步信号产生模块与发射单元中的发射控制模块也采用可插拔的数据线相连接。控制命令传输完毕后，拔出数据线，进行密封。发射控制模块，发射功率放大模块和发射换能器基阵依次通过电信号连接。

本发明工作原理是：

反超短基线定位系统的显控终端、通信单元和发射单元均安装于水面测量船上，接收换能器、信号预处理单元和数字信号处理单元装载在被测水下目标上。当系统工作时，启动电源并对同步器和发射单元上电。使用同步器对信号采集模块和发射单元进行同步操作，对发射单元进行工作模式配置，进入工作状态。目标携带系统水下部分运动时，水面发射换能器基阵按照配置完成对应的信号发射，声信号经水下传播，被传送到目标上的接收换能器上，声信号被转换为电信号。电信号经电缆进入信号预处理单元，经滤波放大处理后送入数字信号处理单元。经A/D转换器，模拟信号转换为数字信号。定位解算模块结合GPS、姿态仪数据信息对接收到的信号进行解算，得到水下目标的位置信息。位置信息一方面直接提供给水下目标使用，另一方面通过数字信号处理单元的数据传输接口经电缆传输给水面的通信单元的网络通信模块，最终送入显控终端中供显示与存储使用。

发射换能器基阵刚性安装于船舷，尽量保持基阵垂直安装，与船载姿态仪保持一致。基阵入水2米左右即可，不宜太浅。为了保证良好的发射性能，基阵安装尽量远离螺旋桨以及船头等地方，以防螺旋桨噪声，气泡层对发射声信号的影响。整个系统安装如图1所示依次连接并将GPS、姿态仪传感器接口连接到通信单元上，将数据波特率设定为指定的速率和格式即可。

信号采集模块采用24VDC供电，水下部分中的供电单元配有24VDC的数字供电模块，可以保证信号采集模块在水下的正常工作。系统上电后，数字信号处理单元上的DSP及FPGA分别加载Flash中的固化程序，进入待机工作状态。同时打开水面发射单元和同步器的开关。预热15分钟后，使用同步器分别对数字信号处理单元和发射单元进行同步。启动显控终端上的显控软件，进行参数配置。数字信号处理单元中定位解算模块解算得到的目标位置信息会实时显示在软件屏幕中。

完成参数配置以及前期检测工作后，即可让带有接收换能器的待测目标入水运动。发射单元采用的是压力启动，当水压达到设定门限后，开始发射定位脉冲。发射周期和发射的数据脉冲由发射控制模块控制，通过数据脉冲驱动功率放大模块获得放大的模拟驱动信号，该信号经发射换能器基阵发射出去。目标准备下水时，可以启动水下部分的供电单元，水下部分的系统开始工作，这样目标就开始对自己的位置进行实时的解算并将解算的位置信息一方面提供给自身使用，另一方面传回水面显示在显控终端的显控软件中供操作者监控。

Claims (3)

1.一种反超短基线定位系统，包括水面部分和水下部分，水面部分包括显控终端、通信单元、发射单元、同步器、供电单元，水下部分包括接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元、供电单元，其特征在于：水面部分所述的通信单元包括依次相连的GPS、姿态仪数据信息接收模块和网络通信模块；发射单元包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器基阵；同步器包括依次相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块；水下部分所述的信号预处理单元包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块；数字信号处理单元包括依次相连的逻辑控制模块、信号采集模块和定位解算模块；供电单元包括数字供电模块和模拟供电模块。

2.根据权利要求1所述的一种反超短基线定位系统，其特征在于：所述发射单元和同步器通过发射控制模块和同步信号产生模块相连，数字信号处理单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，通信单元和数字信号处理单元通过网络通信模块和逻辑控制模块相连，发射单元和供电单元的模拟供电模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种反超短基线定位系统，其特征在于：所述的接收换能器与信号预处理单元中的信号滤波模块相连，信号预处理单元和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连，接收换能器、信号预处理单元、数字信号处理单元分别和供电单元的数字供电模块相连。