CN109188444A - 基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法及其系统，主要包括：目标发射机、海底应答器、缆控接收机和船载处理机等。目标发射机与船载处理机通信互联，实现船载处理机远程给海底应答器基阵发射水声指令；海底应答器用以实现其相互之间或缆控发射机之间的信号应答；缆控接收机用以实现接收海底应答器到缆控发射机的水声距离信息；船载处理机实现缆控发射机坐标位置信息解算并直观显示。此种水声定位方式解决了复杂海况下大深度、大面积、高精度、高实时性和多目标点同时定位的难题，以及满足不同型号装置的海底实时位置定位的要求，满足了海军关于专用保障设备“通用化、系列化、组合化”的要求。

Description

基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法及其系统

技术领域

本发明涉及水下超声波信号传输应用技术，涉及海下水声定位技术，具体为基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法及其系统。

背景技术

就水声定位系统而言，目前国内外已有多种形式的定位基阵。按照基阵的安装形式分有坐底式基阵，浮标式基阵和船载式基阵；按照基线长度分有超短基线阵，短基线阵和长基线阵。

特别是在6000m的水深，有强背景噪声的情况下，定位精度要达到米级精度。船载式和浮标式基阵由于声波脉冲需要穿越6000m的水深，声速变化会很大，声速测量精度就会变得很低，而且这种定位基阵的实时性不好，所以无法满足本系统高精度、高实时性的要求。坐底式的短基线阵也有很多型号的成熟产品，可是这种短基线阵的定位精度无法满足米级的要求，同样不适用。坐底式的超短基线阵在施工上比较方便，可是这种超短基线阵的定位原理决定了这种定位不可能全部覆盖整个采集扰动(定位)区域，所以也不适用。故，目前的水下定位系统，存在精度不高、实时性不够强、无法克服误差修正等问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的不足和缺陷，本发明旨在提供了一种能够在复杂恶劣海况下完成水声定位工作，满足水中设备“高精度、大深度、大面积、高实时性”的水声定位设计要求。

本发明是这样实现的：

本发明的一方面，基于同步信号体制的海底水声应答式定位系统，包括：

目标发射器，安装在需要定位的设备上，用于发射定位功能码和接收应答信号；

海底应答器，围绕目标发射器分布于海底，用于接收目标发射器或其他海底应答器发出的定位功能码或应答信号，并能发射应答信号；

缆控接收机，水中悬浮安装，或水面掉放于工作母船底部安装，与所述目标发射器通信连接，用于接收海底应答器的应答信号，并做数据处理，获得所述目标发射器分别到每个海底应答器之间的水声距离信息并通过传输至船载处理器；

船载处理器，与所述目标发射器和所述缆控接收机通信连接，用于接收来自缆控接收机的所述水声距离信息并作解算处理，得到目标发射器的定位信息并显示；

同步信号体制，写入所述目标发射器、所述海底应答器和所述缆控接收机内用作水声通信的信息载体，且目标发射器和海底应答器内的同步信号体制处于同步状态。

进一步的，所述海底应答器大于3个，海底应答器越多，利用中值滤波原理，可提高定位精度，其围绕所述目标发射器分布布放；所述同步信号体制，信号体制周期T可任意设定，如0.5S、1S、2S等应用于传输、读取海底应答器向目标发射器或缆控接收机传输海底温度信息和深度信息；或

用于对海底应答器和目标发射器之间做同步的水声授时；或

用于对海底应答器之间形成的基阵孔径水声自校准；所述接收机为缆控接收机，水中悬浮于海底应答器形成的基阵上方，与目标发射器电气互联，或水面掉放安装于工作母船船底。

本发明的另一方面，提供了一种基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法，目标发射器、每个海底应答器和缆控接收机都装有同步钟，所述同步钟为同步原子钟、恒温晶振或者温补晶振。

进一步的，同步信号体制用于水声应答式定位，包括以下步骤：

步骤1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声定位信号指令码S1；

步骤2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到水声定位信号指令码S1后，均延迟T_Δ后，发射第一应答信号A1_X；

步骤3、待下一个同步信号下降沿到后，每个海底应答器X立即发射第二应答信号A2_X；

步骤4、缆控接收机接收到水声定位信号指令码S1、若干组第一应答信号A1_X和第二应答信号A2_X后，得每个海底应答器X到目标发射器的距离信息l_X；

步骤5、基于每个海底应答器X到目标发射器的距离信息l_X与每个海底应答器的位置信息结合解算，得目标发射器所在的定位信息或移动轨迹信息。

进一步的，所述步骤5中还包括：以其中一个海底应答器作为原点建立三维坐标系，用坐标点到点距离公式，确定每个海底应答器所构成的基阵的坐标的值，根据三维空间坐标距离公式和距离信息l_X，得目标发射器所在位置的值。

进一步的，在步骤1之前，还包括设备水声同步授时步骤，所述设备包括每个海底应答器、目标发射器和缆控接收机，所述同步授时为每个海底应答器、目标发射器和缆控接收机内的原子钟同步。

进一步的，在步骤1之前，还包括对每个海底应答器进行基阵自校准步骤，所述基阵自校准步骤包括获取每两个海底应答器之间的应答器距离信息。

进一步的，所述设备水声同步授时步骤包括：

S1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出第一授时信号指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到第一授时信号指令码后，均延迟T_Δ后，分别发射各自的一号返回应答信号；

S3、目标发射器于2T_X+T_Δ时间后分别接收到每个海底应答器的一号返回应答信号后，在下一个同步信号下降沿到后，延迟一个周期信号的周期减去TX的时间后发射应答器同步指令；

S4、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到所述应答器同步指令时各原子钟同步脉冲初始化，完成各个海底应答器X之间的水声同步授时。

进一步的，所述基阵自校准步骤还包括：

S1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声自校准功能指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过TX时间后接收到水声自校准功能指令码后，在下一个同步信号下降沿到后，立即发射第一校准应答信号A_x；

S3、每个海底应答器X在分别经过T_n时间后接收到其他海底应答器所发射的第一校准应答信号A_x后，均延迟T_Δ后，发射第二校准应答信号A_x；

S4、目标发射器接收到每个海底应答器X所发射的第一校准应答信号Ax和第二校准应答信号A_x，将接收到的同一个海底应答器X所发射的第一校准应答信号A_x和第二校准应答信号A_x之间的延迟时间与另一个海底应答器X的T_X时间进行解算，得这两个海底应答器X之间的时间差值T_n的值；

S5、重复步骤S4得所有海底应答器X之间两两的时间差值T_n，解算出两两海底应答器X之间的间距，完成基阵自校准。

进一步的，还包括：使用非轮询应答模式，应答信号采用码分或频分方式，一次定位同步应答，并可同时完成目标发射器和缆控接收机的位置确定。

本发明的工作原理介绍：根据长基线水声定位原理，水声自校准技术完成基阵间的距离(l_ab，l_ac，l_ad，l_bc，l_cd，l_bd)测量，四个海底应答器基阵建立三维坐标系，根据其坐标距离公式，获得目标发射器到海底应答器基阵之间的直线距离(l_a，l_b，l_c，l_d)即可求解目标发射器的位置。因此，目标发射器的水声定位就变成目标发射器获取其到海底应答器基阵的距离，也就水声信号到应答器基阵的传输延迟时间(T_a，T_b，T_c，T_d)。通过目标发射器、海底应答器同时接入相同的同步信号体制内，通过超声波信号的发射与应答，能够获取应答时间差，并通过水声声速计算出各个设备之间的距离值，基于同步信号体制，能够实现更加精准的时间差值，并能够通过同步信号体制进行数据或控制指令的传输，从而实现同步授时，基阵自校准功能的实现，进一步确保了应答延迟时间的精准度和可靠性，从而提高定位的精确度和高效性。实际使用本发明的定位系统时，将其配套于复杂海况下，将目标发射器安装在需要定位的装置上，并适配声学同步定位专用保障设备使用，主要包括：目标发射器、海底应答器、浮标式接收机和船载处理机等。目标发射器与船载处理机通信互联，实现船载处理机远程给海底应答器基阵发射水声指令；海底应答器用以实现其相互之间或目标发射器之间的信号应答；浮标式接收机用以实现接收海底应答器到水声距离信息；船载处理机实现目标发射器坐标位置信息解算出并直观显示。本发明的同步水声定位系统及方法通过船载处理机控制目标发射器与应答器基阵和浮标式接收机之间应答式水声同步通信以及数据处理，实现目标发射器位置实时同步定位。此种水声定位方式解决了复杂海况下大深度、大面积、高精度、高实时性水声定位的难题，以及满足不同型号装置的海底实时位置定位的要求，满足了海军关于专用保障设备“通用化、系列化、组合化”的设计要求。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果：

1、采用坐底式基阵，可以提高系统定位精度，并能够满足水下长时间值班的要求；

2、坐底式基阵方式可以忽略浪、涌、流的影响，保证了基阵的稳定性；

3、采用同步式应答定位方式，可以有效避免强有色背景噪声的干扰；

4、利用缆控接收机作为水声数据信号的接收手段，将数据传播延时降至可接受范围。

5、采用频分或码分编码信号，可完成一次定位同步应答，有效解决轮询应答所带来的定位时间延迟。

6、采用同步应答式定位模式，可任意设定定位周期，根据定位区域面积的大小选定定位周期，提高定位效率。

7、采用的同步信号体制，有效解决不同温度梯度引起的声速误差对定位精度的影响。

8、采用的同步信号体制，可完成多个目标的同时定位，在现有资源的情况下可增加定位目标数量，节约成本。

9、采用的同步信号体制，应用于对水下基阵的同步授时、数据传输、基阵自校准等，提高水声定位精度。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的水声定位结构使用状态示意图。

图3本发明中定位坐标示意图；

图4是本发明的同步水声定位工作流程图；

图5是同步水声定位信号体制示意图；

图6为同步水声同步授时信号体制示意图；

图7为集矿车定位步骤示意图；

图8为同步水声应答器基阵孔径水声自校准信号体制示意图；

图9为应答器基阵孔径水声自校准实现步骤示意图；

图10为基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法流程图；

其中：1—目标发射器、2—海底应答器、3—缆控接收机、4—处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1基于同步信号体制的海底水声应答式定位系统，包括：目标发射器1，安装在需要定位的设备上，用于发射定位功能码和接收应答信号；海底应答器2，至少为三个，围绕目标发射器1分布于海底，用于接收目标发射器1或其他海底应答器2发出的定位功能码或应答信号，并能发射应答信号；同步信号体制，写入所述目标发射器1和所述海底应答器2内用作水声通信的信息载体，且目标发射器1和海底应答器2内的同步信号体制处于同步状态；接收机3，位于海底应答器2的上方与所述目标发射器1通信连接，用于接收海底应答器2的应答信号，并做数据处理，获得所述目标发射器1分别到每个海底应答器2之间的水声距离信息并发送至处理器4；处理器4，与所述目标发射器1和所述接收机3通信连接，用于接收来自接收机3的所述水声距离信息并作解算处理，得到目标发射器1的定位信息并显示。

使用前，如图4所示，海底应答器2的工作模式有：水声授时、读温度和深度数据、水声自校准、水声定位、水声唤醒及水声应答器释放等模式。大深度应答器入水之前需要打开总电源开关，海底布放完成后，开始等待水声唤醒信号，应答器接收目标发射器发射的水声控制码，进行判断识别，而后进入相应的工作模式，如图4所示，释放工作模式完成以后，准备回收应答器基阵，除此之外，其它模式完成以后，等待目标发射器的控制指令。应答器布放完成后，第一步进行水声同步授时，修正同步原子钟的同步信号的输出；第二步读取海底应答器2的深度数据和水温数据，根据声速公式计算出声速C；第三步对长基线定位基阵做水声自校准，最后才可以进入水声定位模式。使用时，如图1所示，船载处理机安装于舰船控制室，船载处理机通过通信电缆与待定位设备装置连接，待定位设备装置通过通信缆与目标发射器1通信连接，待定位设备装置通过通信缆与浮标接收机3通信连接，目标发射器1固定于待定位设备装置的无摘挡的高处，连接待定位设备装置和浮标接收机3的通信电缆长度大约200米，通信电缆和捆绑在一起，防止电缆和海底应答器2基阵设置之间的缠绕，引起系统工作的安全隐患。如图2所示，四个海底应答器2分别布放于待定位设备装置的四个角。

海底应答器2基阵布放完成后，首先通过对四个海底应答器2进行水声授时，初始化同步原子钟的同步信号，使整个系统处于一致同步状态。其次基阵校准完成基阵孔径的读取，即可进入待定位设备装置的水下同步水声定位模式，如图4所示，海底应答器2基阵接收目标发射器1的控制指令码，进行判断识别，选择执行唤醒/休眠、定位模式或者是释放功能，否则继续接收目标发射器1控制指令码。进入定位模式后，目标发射器1在每个信号下降沿时发射水声定位信号指令码，四个海底应答器2接收水声定位信号指令码并发射应答信号，其原理如为：通过图5所示的同步定位信号体制方式，浮标式接收机3接收四个海底应答器2的所有应答水声信号，并做数据处理，从而获得待定位设备装置分别到四个海底应答器2之间的距离信息lX，最后将距离信息lX数据通过水声信道传到接收机3，最终送达船载处理机进行处理和显示。且通过图5所示，通过获取缆控接收机接收到的应答信号2的时间Taf,能够获知应答器到缆控接收机的距离，通过解算，能够获取缆控接收机的坐标信息，实现对缆控接收机的定位功能。即使用非轮询应答模式，应答信号采用码分或频分方式，一次定位同步应答，并可同时完成目标发射器和缆控接收机的位置确定。

四个海底应答器2经过基阵校准确定基阵间的距离(l₂₁,l₃₂,l₄₂,l₃₁,l₃₄,l₄₁)的值，四个应答器基阵建立三维坐标，根据坐标点到点距离公式，可以确定四个海底应答器2基阵的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)的值，知道待定位设备装置到应答器基阵之间的距离信息lX(l₁,l₂,l₃,l₄)即可求解待定位设备装置的位置(x,y,z)。直线距离等于水声传输时间与海底声传播速度的乘积，因此就转换为求待定位设备装置的目标发射器1发射的定位水声信号经过海水介质传输后到达四个海底应答器2基阵的时间(T₁,T₂,T₃,T₄)的值。以海底应答器2到待定位设备装置之间的水声传输时间T₁的获取为例。系统进入同步定位模式后，每个1S时钟下降沿到来时，目标发射器1发射水声定位信号指令码S1，海底应答器21接收到水声定位信号指令码S1后，延迟T△第一应答信号A1₁，海底应答器2₁等待下一个1S下降沿到后发射第二应答信号A2₁，浮标式接收机3接收到第一应答信号A1₁和第二应答信号A2₁，两个信号之间的间隔时间为T₀-T₁-T_△(ms)，其中T₀＝1000(ms)为信号的周期时间，从而可求得T₁。同理，浮标式接收机3同时也接收到海底其他应答器发射的水声信号，同一海底应答器2发射的两个信号的时间间隔，即可求得水声传输延迟时间(T₁,T₂,T₃,T₄)和待定位设备装置到海底应答器2的距离(l₁,l₂,l₃,l₄)，根据坐标公式解算出待定位设备装置在海底的具体位置。从而完成水声同步定位功能。目标发射器工作完成后，可以通过水声信号使应答器进入休眠状态，等待下一次唤醒。

所述同步信号体制，用于传输、读取应答器向目标发射器1传输海底温度信息和深度信息；或用于对海底应答器2和目标发射器1之间做同步的水声授时；或用于对海底应答器2之间形成的基阵孔径水声自校准，水声授时是使海底应答器与目标发射器的同步钟重新同步，补偿温漂对同步钟的影响；基阵自校准确定海底应答器的精确坐标位置，海底应答器的精确坐标位置是高精度水声定位的保证。

实施例2：基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法，目标发射器、每个海底应答器均使用一套一致的同步信号体制，请参阅图10，本方法包括以下步骤：

步骤1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声定位信号指令码S1；

步骤2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到水声定位信号指令码S1后，均延迟T_Δ后，发射第一应答信号A1_X；

步骤3、待下一个同步信号下降沿到后，每个海底应答器X立即发射第二应答信号A2_X；

步骤4、接收机接收到水声定位信号指令码S1、若干组第一应答信号A1_X和第二应答信号A2_X后，得每个海底应答器X到目标发射器的距离信息l_X；

步骤5、基于每个海底应答器X到目标发射器的距离信息lX与每个海底应答器的位置信息结合解算，得目标发射器所在的定位信息或移动轨迹信息。

如图5所示为水声定位信号体制，以基阵中的海底应答器A和目标发射器之间的信号传输时延T_a获取为例，说明长基线水声定位系统水声定位原理。

同步信号下降边沿到后，目标发射器发射水声定位功能码(S_LOC_C)，基阵中的海底应答器A接收到水声信号(S_LOC_C)后，基阵中的海底应答器A可确定其到目标发射器之间的水声延迟时间T_a，应答器A延迟时间T_Δ后，发射应答信号A_RESP1，等待下一个同步信号下降沿到来，应答器A发射应答信号A_RESP2，基阵中的海底应答器A发射的水声信号被浮力点F所接收，基阵A发射两个信号(A_RESP1，A_RESP2)之间的时间差T₀-T_a-T_Δ，也可求出T_af,结合现有数据，既可解算出基阵A到目标发射器的水声传输时间T_a；同理，同样的方法可以测出其它的时间差T_b，T_c，T_d。知道传输延迟时间后，根据长基线同步定位交互公式，即可解算出目标发射器的位置坐标，从而完成目标发射器的水声位置定位功能。

以其中一个海底应答器作为原点建立三维坐标系，用坐标点到点距离公式，确定每个海底应答器所构成的基阵的坐标的值，根据三维空间坐标距离公式1：

其中：z₁为海底应答器1的深度；

z₂为海底应答器2的深度；

z₃为海底应答器3的深度；

z₄为海底应答器4的深度。

令:z₁＝0；(x₁,y₁,z₁)＝(0,0,0)，且y₂＝0，d21为海底应答器2到1的距离，d31为海底应答器3到1的距离，d41为海底应答器4到1的距离。

根据距离信息lX和坐标(x,y,z)公式2：

即可可推导出待定位装置所在的坐标值。

具体的，以试验1为例：

如完成水声自校准后，4个海底应答器的坐标分别为：海底应答器1(0,0,0)，海底应答器2(973,0,0.8)，海底应答器3(1005,905,1.2)，海底应答器4(5.4,985,0.5)，d₂₁ ²＝946729.64,d₃₁ ²＝1829051.44,d₄₁ ²＝970254.41。水声定位确定：l₁＝638.16米，l₂＝565.34米，l₃＝733.04米，l₄＝825.96米。通过公式2即可结算出目标发射器的坐标为(x,y,z)＝(530,350,62)。

实施例3：

在实施例1的基础上，在步骤1之前，还包括设备水声同步授时步骤，所述设备包括每个海底应答器和目标发射器，所述同步授时为每个海底应答器和目标发射器内的原子钟同步。

所述设备水声同步授时步骤包括：

S1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出第一授时信号指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到第一授时信号指令码后，均延迟T_Δ后，分别发射各自的一号返回应答信号；

S3、目标发射器于2T_X+T_Δ时间后分别接收到每个一号返回应答信号后，在下一个同步信号下降沿到后，延迟一个信号的周期减去T_X的时间后发射应答器同步指令；

S4、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到所述应答器同步指令时各同步钟同步脉冲初始化，完成各个海底应答器X之间的水声同步授时。

同步授时的目的是修正大深度应答器的同步原子钟的同步信号的输出，使得大深度应答器基阵始终保持同步状态，应答器基阵是否完全同步，极大影响应答器的温度和深度数据传输和基阵自校准，从而导致系统无法精确完成水声定位功能。目标发射器处于同步状态，而基阵中的应答器A、B、C、D的同步原子钟输出的同步信号为随机信号，基阵中的海底应答器在无缆连接的状态下只能采用水声信号对其进行同步校准。

如图6所示为基阵A同步授时信号体制，授时同步技术原理来源于在海水中恒定距离水声信号的传输延迟时间是确定值。目标发射器发射水声授时功能码(S_TC_A，S_TC_B，S_TC_C，S_TC_D)，应答器应答水声信号(A_RESP1，B_RESP1，C_RESP1，D_RESP1)后，目标发射器就可确定声脉冲从目标发射器到基阵A、B、C、D之间的传输延迟时间T_A、T_B、T_C、T_D的值，当下一次同步信号下降沿有效时，相应延迟T₀-T_A、T₀-T_B、T₀-T_C、T₀-T_D之后，目标发射器发射同步授时信号(S_TC_A，S_TC_B，S_TC_C，S_TC_D)，基阵A、B、C、D接收到的同步授时信号为基阵的初始同步信号，从而完成同步授时的功能。

具体的应用于集矿车定位系统中如图7所示，第一步：目标发射器同步信号下降沿有效后，发射基阵中的海底应答器A授时信号(S_TC_A)指令码，经过海水介质传输后；

第二步：延迟T_A(ms)基阵中的海底应答器A收到S_TC_A信号，基阵中的海底应答器A延迟T_Δ后，发射返回应答信号(A_RESP1)；

第三步：目标发射器接收到基阵A的应答信号后后，就可以确定目标发射器到基阵中的海底应答器A之间的水声传输时间T_A(ms)；

第四步：目标发射器在下一个同步信号下降沿到后，延迟T₀-T_A(ms)之后，发射基阵中的海底应答器A的同步指令S_TC_A，基阵A收到的S_TC_A信号就是其同步脉冲的初始化信号；

同理，基阵B、C、D的同步重复基阵A的过程。

应答器的布放区域面积为1000m×1000m，因此，目标发射器到应答器的最远距离为1414米，可以保证信号源发射的水声信号在1S的同步脉冲之内被接收机采集到。

实施例4：在实施例2或实施例3的基础上，在步骤1之前，还包括对每个海底应答器进行基阵自校准步骤，所述基阵自校准步骤包括获取每两个海底应答器之间的应答器距离信息。

所述基阵自校准步骤还包括：

S1、目标发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声自校准功能指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到水声自校准功能指令码后，在下一个同步信号下降沿到后，立即发射第一校准应答信号A_x；

S3、每个海底应答器X在分别经过T_n时间后接收到其他海底应答器所发射的第一校准应答信号A_x后，均延迟T_Δ后，发射第二校准应答信号A_x；

S4、目标发射器接收到每个海底应答器X所发射的第一校准应答信号A_x和第二校准应答信号A_x，将接收到的同一个海底应答器X所发射的第一校准应答信号A_x和第二校准应答信号A_x之间的延迟时间与另一个海底应答器X的T_X时间进行解算，得这两个海底应答器X之间的时间差值T_n的值；

S5、重复步骤S4得所有海底应答器X之间两两的时间差值T_n，解算出两两海底应答器X之间的间距，完成基阵自校准。

如图8所示为应答器基阵孔径水声自校准信号体制，以基阵A(海底应答器A)和基阵B(海底应答器B)之间的距离l_ab校准为例子，说明长基线水声定位系统基阵孔径的自校准技术。

同步信号下降边沿到后，目标发射器发射水声自校准功能码(S_SEF_C)，基阵A和B接收到水声信号(S_SEF_C)后，基阵A和B确定其到目标发射器之间的水声延迟时间T_a和T_b，当下一个信号下降沿到后，基阵A和B发射应答信号A_RESP1和B_RESP1，基阵B收到基阵A发出的A_RESP1信号后，延迟T_Δ后基阵B发射应答信号B_RESP2；基阵A和B发射的水声信号都被目标发射器所接收，基阵B发射两个信号(B_RESP1，B_RESP2)之间的时间差T_ab既为基阵A到基阵B的水声传输时间；同理，同样的方法可以测出其它的时间差T_ab，T_ac，T_ad，T_bc，T_cd，T_bd依次类推。知道传输延迟时间后就可以确定基阵的孔径，从而完成应答器基阵的水声自校准功能。

请参阅附图9，水声自校准实现步骤如下：

第一步：目标发射器(即集矿车)同步信号下降沿有效后，发射应答器基阵水声自校准信号(S_SEF_C)指令码，经过海水介质传输后；

第二步：分别延迟T_a、T_b、T_c、T_d(ms)基阵A、B、C、D收到S_SEF_C信号，每个应答器都可以确定其与目标发射器的距离；

第三步：下一个同步信号下降沿到后，应答器A、B、C、D分别发射应答信号(A_RESP1，B_RESP1，C_RESP1，D_RESP1)；

第四步：如果应答器A收到D_RESP1信号，延迟T_Δ后，应答器A返回信号A_RESP2；如果应答器A收到C_RESP1信号，延迟T_Δ后，应答器A返回信号A_RESP3；如果应答器B收到A_RESP1信号，延迟T_Δ后，应答器B返回信号B_RESP2；如果应答器C收到B_RESP1信号，延迟T_Δ后，应答器C返回信号C_RESP2；如果应答器D收到B_RESP1信号，延迟T_Δ后，应答器D返回信号D_RESP3；如果应答器D收到D_RESP1信号，延迟TΔ后，应答器D返回信号D_RESP2；

第五步：目标发射器海底应答器A、B、C、D发射的全部水声信号(A_RESP1，A_RESP2，A_RESP3，B_RESP1，B_RESP2，C_RESP1，C_RESP2，D_RESP1，D_RESP2，D_RESP3)；

第六步：处理器根据接收到的水声信号1和2的时间差(按照表1的对应关系)，解算出基阵之间的距离，从而完成基阵的水声自校准。

表1两个水声信号确定延迟时间表

序号	水声信号1	水声信号2	延迟时间	基阵距离
					1	B_RESP1	B_RESP2	T<sub>ab</sub>	l<sub>ab</sub>
2	C_RESP1	C_RESP2	T<sub>bc</sub>	l<sub>bc</sub>
					3	D_RESP1	D_RESP2	T<sub>cd</sub>	l<sub>cd</sub>
4	A_RESP1	A_RESP2	T<sub>ad</sub>	l<sub>ad</sub>
					5	D_RESP1	D_RESP3	T<sub>bd</sub>	l<sub>bd</sub>
6	A_RESP1	A_RESP3	T<sub>ac</sub>	l<sub>ac</sub>

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.基于同步信号体制的海底水声应答式定位系统，其特征在于，包括：

目标发射机，安装在需要定位的设备上，用于发射定位功能码和接收应答信号；

海底应答器，围绕目标发射机分布于海底，用于接收目标发射机或其他海底应答器发出的定位功能码或应答信号，并能发射应答信号；

缆控接收机，水中悬浮安装，或水面掉放于工作母船底部安装，与所述目标发射机通信连接，用于接收海底应答器的应答信号，并做数据处理，获得所述目标发射机分别到每个海底应答器之间的水声距离信息并通过传输至船载处理器；

船载处理器，与所述目标发射机和所述缆控接收机通信连接，用于接收来自缆控接收机的所述水声距离信息并作解算处理，得到目标发射机的定位信息并显示；

同步信号体制，写入所述目标发射机、所述海底应答器和所述缆控接收机内用作水声通信的信息载体，且目标发射机和海底应答器内的同步信号体制处于同步状态。

2.根据权利要求1所述的海底水声应答式定位系统，其特征在于，所述海底应答器大于3个，其围绕所述目标发射机分布布放；所述同步信号体制，用于传输、读取海底应答器向目标发射机或缆控接收机传输海底温度信息和深度信息；或

用于对海底应答器和目标发射机之间做同步的水声授时；或

用于对海底应答器之间形成的基阵孔径水声自校准；所述接收机为缆控接收机，水中悬浮于海底应答器形成的基阵上方，与目标发射机电气互联，或水面掉放安装于工作母船船底。

3.基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法，其特征在于，目标发射机、每个海底应答器和缆控接收机都装有同步钟，所述同步钟为同步原子钟、恒温晶振或者温补晶振。

4.基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法，其特征在于同步信号体制用于水声应答式定位，包括以下步骤：

步骤1、目标发射机的同步信号下降沿有效后立即发出水声定位信号指令码S1；

步骤2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到水声定位信号指令码S1后，均延迟T_Δ后，发射第一应答信号A1_X；

步骤3、待下一个同步信号下降沿到后，每个海底应答器X立即发射第二应答信号A2_X；

步骤4、缆控接收机接收到水声定位信号指令码S1、若干组第一应答信号A1_X和第二应答信号A2_X后，得每个海底应答器X到目标发射机的距离信息l_X；

步骤5、基于每个海底应答器X到目标发射机的距离信息l_X与每个海底应答器的位置信息结合解算，得目标发射机所在的定位信息或移动轨迹信息。

5.根据权利要求3所述的海底水声应答式定位方法，其特征在于，所述步骤5中还包括：以其中一个海底应答器作为原点建立三维坐标系，用坐标点到点距离公式，确定每个海底应答器所构成的基阵的坐标的值，根据三维空间坐标距离公式和距离信息l_X，得目标发射机所在位置的值。

6.根据权利要求4所述的海底水声应答式定位方法，其特征在于，在步骤1之前，还包括设备水声同步授时步骤，所述设备包括每个海底应答器、目标发射机和缆控接收机，所述同步授时为每个海底应答器、目标发射机和缆控接收机内的原子钟同步。

7.根据权利要求4～6任意一项所述的海底水声应答式定位方法，其特征在于，在步骤1之前，还包括对每个海底应答器进行基阵自校准步骤，所述基阵自校准步骤包括获取每两个海底应答器之间的应答器距离信息。

8.根据权利要求6所述的海底水声应答式定位方法，其特征在于，所述设备水声同步授时步骤包括：

S1、目标发射机的同步信号下降沿有效后立即发出第一授时信号指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到第一授时信号指令码后，均延迟T_Δ后，分别发射各自的一号返回应答信号；

S3、目标发射机于2T_X+T_Δ时间后分别接收到每个海底应答器的一号返回应答信号后，在下一个同步信号下降沿到后，延迟一个周期信号的周期减去T_X的时间后发射应答器同步指令；

S4、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到所述应答器同步指令时各原子钟同步脉冲初始化，完成各个海底应答器X之间的水声同步授时。

9.根据权利要求7所述的海底水声应答式定位方法，其特征在于，所述基阵自校准步骤还包括：

S1、目标发射机的同步信号下降沿有效后立即发出水声自校准功能指令码；

S2、每个海底应答器X在分别经过T_X时间后接收到水声自校准功能指令码后，在下一个同步信号下降沿到后，立即发射第一校准应答信号A_x；

S3、每个海底应答器X在分别经过T_n时间后接收到其他海底应答器所发射的第一校准应答信号A_x后，均延迟T_Δ后，发射第二校准应答信号A_x；

S4、目标发射机接收到每个海底应答器X所发射的第一校准应答信号A_x和第二校准应答信号A_x，将接收到的同一个海底应答器X所发射的第一校准应答信号A_x和第二校准应答信号A_x之间的延迟时间与另一个海底应答器X的T_X时间进行解算，得这两个海底应答器X之间的时间差值T_n的值；

S5、重复步骤S4得所有海底应答器X之间两两的时间差值T_n，解算出两两海底应答器X之间的间距，完成基阵自校准。

10.根据权利要求3所述的海底水声应答式定位系统，其特征在于还包括：使用非轮询应答模式，应答信号采用码分或频分方式，一次定位同步应答，并可同时完成目标发射机和缆控接收机的位置确定。