CN108923874A - 一种基于分布式水声网络被动定位系统中的声同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声学通信方式的分布式网络节点间的同步方法，属于水声通信领域。本发明通过网络固定节点间的声通信过程来获取固定节点间的声传播时延，以网络中主节点的时钟为基准，主节点的同步信号为对准信号，同步信号中携带有当前信号发射时刻距定位信号发射时刻的时间差信息，子节点收到同步信号后，解调出其中的时间信息，该时间减去主节点与子节点间的传播时延，即可得到子节点发射定位信号的时刻，从而达到整个网络中定位信号同步发射的目的。具有定位过程中整个系统的实时高精度同步，功耗小，成本低的特点。

Description

一种基于分布式水声网络被动定位系统中的声同步方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种基于分布式水声网络被动定位系统中的声同步方法。

背景技术

常规的被动定位方式，需要定位信号的发送端(固定节点)和接收端(移动节点)时间同步，通过单程的声发射获得双方之间的距离。固定网络节点由于功耗的限制，只能用低稳定度的时钟，所以水下长时间工作会出现时钟偏移，时间不稳定的缺陷。同时定位前，需要移动节点对固定节点精确授时。该方案不但实现困难，且在授时过程需要移动节点主动发起通信，失去被动定位的意义。采用类似于GPS的定位导航技术，具有确定大地坐标的网络固定节点定期、同步发射定位导航信号。网络固定节点间时间同步，移动节点与网络不需要同步，移动节点通过固定节点间的时延差测量，采用双曲线交汇定位解算的方法，即可求得自身的坐标。

基于以上论述，网络固定节点间定位信号的同步发射是进行网络定位的前提条件，但是固定网络节点由于功耗的限制，只能用低稳定度的时钟，无法依靠高精度时钟实现时间同步，所以需要开发设计其他方式的同步方法。

中国专利CN101834684A公开了一种分布式水声定位系统GPS时钟同步方法。该方法利用GPS标准时间与预设同步时刻相同时，由GPS秒脉冲触发系统同步，开始同步后由装置预设的同步脉冲周期和脉宽，由普通晶振分频产生的时钟同步信号，再分频产生相应的周期和脉宽，当脉宽累计到一定个数时，进行清零重新技术，来消除时钟同步的时间累计误差，是在低功耗前提下利用普通时钟实现误差累计消除的方法，提高时钟同步精度。

采用GPS同步，是利用了浮标方式进行信号接收的定位技术，而本发明的应用场合是水下潜标节点，未搭建浮标，无法实现GPS信号的接收。

本发明涉及的同步方法，不依靠高精度时钟，利用水声通信网络中的信号传输能力进行同步信号的收发，通过发射声同步信号进行系统时钟校准，再利用定位信号间的信号传输信息实现定位中的实时同步。本方法是以声学通信为基础的网络时钟同步方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种通信网络中的时钟同步方法，旨在解决水下同喜网络中利用时钟晶振进行同步而造成的时钟误差引起定位接收时延误差，而造成定位精度下降的结果。

一种基于分布式水声网络被动定位系统中的声同步方法，其特征在于，通过确定固定节点间的声通信过程来去的固定节点间的声学传播时延，通过固定节点与每一个子节点间的通信计算出每个节点间的通信时延差，再以某一固定节点为基准点，以基准点的定位信号为基准信号，通过每一个子节点的定位信号与计算出的时延差叠加进行时钟补偿，使得每个信号与基准信号的时钟统一，实现整个网络的同步过程；整个过程中在确定基准点后，各节点与基准点进行时间校准，以保证信号发射过程中网络节点间时间同步，具体包含以下步骤：

步骤一：在系统开始工作之前，在布放固定节点A,B,C时，首先利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度；

步骤二：声速测量过程：固定点之间依次向B，C节发送信号，测量子节点自身到主节点的声传播时间，根据声传播时间和步骤一得到的距离解算各个从节点到主节点的声速值；

步骤三：时延测量过程：A节点点上电后进入待机状态，开始等待B节点发射同步请求； B节点上电后，主动发射测时延信号“BA”，并记录下发送的时刻T_sendBA，然后进入等待状态，等待A节点的回应；A节点收到“BA”后，记录收到的时刻T_recvBA，然后发送响应信号“AB”，并记录发送时刻T_sendAB，同时将T_sendAB-T_recvBA的值作为参数一起发送；T_sendAB-T_recvBA其实是从A节点从接收“BA”到发送“AB+时间差T₁”的处理时间则将进行扩频调制并发送；当B节点收到A节点的返回信号“AB+时间差T₁”后，记录收到的时刻T_recvAB，则可计算出自身与A节点之间的传播时延T_AB；

步骤四：重复步骤三测量C节点到主节点间时延，为了避免B,C节点的测量时延信号在 A点处发生叠加，C节点发射测时延信号应与B节点错开一段时间；

步骤五：声同步过程：主节点发送一个带有时延信息的校准信号(例如JZ60000，表示主节点在信号结束之后的60000毫秒以后发送定位信号)，其余从节点接收到主节点发射的校准信号后，得到信号里的时延信息，时延值减去步骤三得到的声程时间，即得到各个从节点距离发送定位信号的时间差，各个从节点就在此时间差之后发送定位信号；

步骤六：将步骤一得到的各个固定节点的GPS信息，步骤二得到的声速信息输入移动节点，移动节点自主完成坐标系建立；

步骤七：声定位过程：移动节点接收到固定节点同时发射的定位信号以后，根据信号之间到达的时间差，以及建立的坐标系，根据定位算法，解算出移动节点自身在坐标系中的坐标位置。

与现有技术相比，本发明具有的明显效果是：本发明利用同步信号进行时钟同步，不再依赖同步时钟，避免了在定位过程中由于长时间的信号接收，造成的时钟晶振误差累计而造成的定位时延误差累计，大幅度提高了定位时延信息接收精确度，提高了定位结果。同时本发明利用同步信号进行时钟同步，可以实现定位过程中整个系统的实时高精度同步，功耗小，成本低。

附图说明

图1本发明实例定位系统的同步校准定位流程示意图；

图2本发明实例定位系统的同步校准定位流程框图；

图3本发明实例定位系统的同步校准定位流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本发明的目的是为了提供一种通信网络中的时钟同步方法，旨在解决水下同喜网络中利用时钟晶振进行同步而造成的时钟误差引起定位接收时延误差，而造成定位精度下降的结果。本发明提出一种以网络节点间的声通信为基础，通过一定协议的网络节点间交互实现网络间的定位信号同步发送，本项目称其为声同步。

声同步的方法是，通过确定固定节点间的声通信过程来去的固定节点间的声学传播时延，通过固定节点与每一个子节点间的通信计算出每个节点间的通信时延差，再以某一固定节点为基准点，以基准点的定位信号为基准信号，通过每一个子节点的定位信号与计算出的时延差叠加进行时钟补偿，使得每个信号与基准信号的时钟统一，实现整个网络的同步过程。整个过程中在确定基准点后，各节点与基准点进行时间校准，以保证信号发射过程中网络节点间时间同步。

分布式水声定位包括以下步骤：

步骤一：声同步过程：固定节点之间进行声同步，每个子节点向主节点发射时间同步信号，通过接收信号的到达时刻解算出各子节点到主节点的时延差，在下次通信过程中，将计算出的节点间时延数值差补偿到发射时刻中，实现声同步过程；

步骤二：声校准过程：完成声同步过程后，主固定节点向从固定节点发射校准声信号，时间校准信号用以约定定位信号的发射时刻，在此过程后，发射定位信号认定为网络中同一时刻发射的定位信号；

步骤三：声定位过程：待时钟同步信号确立后，发射定位信号，根据定位信号接收到达时刻计算出时延差，根据各节点间的时延差利用双曲定位原理解算出自身相对位置，实现最终定位。

实施例2：

本发明实施例的一种分布式水声定位系统可以分为固定节点和待定位的移动节点。

如图1所示，其中固定节点又分为一个主节点A和至少两个从节点B，C,用来对水下移动节点D进行定位。

步骤一：在系统开始工作之前，在布放固定节点A,B,C时，首先利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度；

步骤二：声速测量过程：固定点之间依次向B，C节发送信号，测量子节点自身到主节点的声传播时间，根据声传播时间和步骤一得到的距离可以解算各个从节点到主节点的声速值；

步骤三：时延测量过程：A节点点上电后进入待机状态，开始等待B节点发射同步请求。 B节点上电后，主动发射测时延信号“BA”，并记录下发送的时刻T_sendBA，然后进入等待状态，等待A节点的回应。A节点收到“BA”后，记录收到的时刻T_recvBA，然后发送响应信号“AB”，并记录发送时刻T_sendAB，同时将T_sendAB-T_recvBA的值作为参数一起发送。T_sendAB-T_recvBA其实是从A节点从接收“BA”到发送“AB+时间差T₁”的处理时间则将进行扩频调制并发送。当B节点收到A节点的返回信号“AB+时间差T₁”后，记录收到的时刻T_recvAB，则可计算出自身与A节点之间的传播时延T_AB。

重复步骤三中上述步骤测量C节点到主节点间时延，为了避免B,C节点的测量时延信号在A点处发生叠加，C节点发射测时延信号应与B节点错开一段时间

步骤四：声同步过程：完成步骤三后，主节点发送一个带有时延信息的校准信号(例如 JZ60000，表示主节点在信号结束之后的60000毫秒以后发送定位信号)，其余从节点接收到主节点发射的校准信号后，得到信号里的时延信息，时延值减去步骤三得到的声程时间，即得到各个从节点距离发送定位信号的时间差，各个从节点就在此时间差之后发送定位信号；

步骤五：步骤三～步骤四可以保证主节点和从节点在同一时间发射出定位信号；

步骤六：将步骤一得到的各个固定节点的GPS信息，步骤二得到的声速信息输入移动节点，移动节点自主完成坐标系建立；

步骤七：声定位过程：移动节点接收到固定节点同时发射的定位信号以后，根据信号之间到达的时间差，以及建立的坐标系，根据定位算法，可以解算出移动节点自身在坐标系中的坐标位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于分布式水声网络被动定位系统中的声同步方法，其特征在于，通过确定固定节点间的声通信过程来去的固定节点间的声学传播时延，通过固定节点与每一个子节点间的通信计算出每个节点间的通信时延差，再以某一固定节点为基准点，以基准点的定位信号为基准信号，通过每一个子节点的定位信号与计算出的时延差叠加进行时钟补偿，使得每个信号与基准信号的时钟统一，实现整个网络的同步过程；整个过程中在确定基准点后，各节点与基准点进行时间校准，以保证信号发射过程中网络节点间时间同步，具体包含以下步骤：

步骤一：在系统开始工作之前，在布放固定节点A,B,C时，首先利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度；

步骤二：声速测量过程：固定点之间依次向B，C节发送信号，测量子节点自身到主节点的声传播时间，根据声传播时间和步骤一得到的距离解算各个从节点到主节点的声速值；

步骤三：时延测量过程：A节点点上电后进入待机状态，开始等待B节点发射同步请求；B节点上电后，主动发射测时延信号“BA”，并记录下发送的时刻T_sendBA，然后进入等待状态，等待A节点的回应；A节点收到“BA”后，记录收到的时刻T_recvBA，然后发送响应信号“AB”，并记录发送时刻T_sendAB，同时将T_sendAB-T_recvBA的值作为参数一起发送；T_sendAB-T_recvBA其实是从A节点从接收“BA”到发送“AB+时间差T₁”的处理时间则将进行扩频调制并发送；当B节点收到A节点的返回信号“AB+时间差T₁”后，记录收到的时刻T_recvAB，则可计算出自身与A节点之间的传播时延T_AB；

步骤四：重复步骤三测量C节点到主节点间时延，为了避免B,C节点的测量时延信号在A点处发生叠加，C节点发射测时延信号应与B节点错开一段时间；

步骤五：声同步过程：主节点发送一个带有时延信息的校准信号，其余从节点接收到主节点发射的校准信号后，得到信号里的时延信息，时延值减去步骤三得到的声程时间，即得到各个从节点距离发送定位信号的时间差，各个从节点就在此时间差之后发送定位信号；

步骤六：将步骤一得到的各个固定节点的GPS信息，步骤二得到的声速信息输入移动节点，移动节点自主完成坐标系建立；

步骤七：声定位过程：移动节点接收到固定节点同时发射的定位信号以后，根据信号之间到达的时间差，以及建立的坐标系，根据定位算法，解算出移动节点自身在坐标系中的坐标位置。