CN109597032B - 一种水下声学定位通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下声学定位通信方法，所述的水下定位通信方法中要求电文数据包含定位数据和通信数据。定位数据主要用来实现帧同步和传输信标的位置信息以及发送电文的时间信息，通信数据主要用来传输信标所在区域的声速剖面模型参数，可以通过修正声线弯曲来提高定位精度。同时可以在通信数据中提供信标能源及载荷的工作状态等参数，从而更好的监控信标工作状态，提高水下声学定位通信的可靠性和稳定性。本发明主要面向海洋科考、勘探、作业、安防等对水下多智能体用户、高精度、高可靠的定位需求。

Description

一种水下声学定位通信方法

技术领域

本发明涉及水下定位导航领域，尤其涉及水下多智能体用户、高精度、高可靠的水下声学定位通信方法。

背景技术

海洋国土是国民经济发展的重要资源和国土安全的重要战略纵深，无论是对海洋资源进行勘探和开发利用，还是抵御来自海洋的冲突和威胁，都需要精确、实时、可靠的导航定位技术作为保障。水下智能体长时自主运行时，既无法利用GPS等地表成熟的无线电导航定位方法，又由于惯性导航器件的累积误差，无法提供长时稳定的定位需求，因此可以考虑使用水声定位系统为水下智能体提供位置信息或辅助惯性导航定位系统。可以同时为多个水下智能体用户提供高精度、高可靠的水声定位系统，必将成为下一代的水下导航研究热点方向。基于此，本发明提供一种水下声学定位通信方法，主要用于水下多智能体用户、高精度、高可靠定位通信方法的研制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下声学定位通信方法，用于解决水下多智能体用户、高精度、高可靠定位通信系统的关键技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述定位通信方法应用于水声定位通信系统，所述水声定位通信系统中包含若干水下定位信标，所述若干水下定位信标分别布放于水面、水中、水底任意位置，所述水下信标可以是固定状态或运动状态，所述定位通信方法包括：

S1、水下定位信标生成二进制的电文数据Data₁，所述电文数据

包含一个或多个定位数据、通信数据，并以帧、子帧、位的形式编排成数据流，同时生成m序列作为直接序列扩频，电文数据与所生成的m序列进行模二加运算，进而获得数据扩频序列DM_j，将该数据扩频序列DM_j采用BPSK方式调制载波S_t，最终获得水声定位通信信号SDM_t，SDM_t通过水声换能器向外发送；

S2、水下待定位设备接收信号SDM_t，并计算信号SDM_t解析时的发射时刻t_e，所述信号解析时的发射时刻t_e＝电文解析时刻所在帧的周信息+时间信息+电文解析时刻完整子帧数目*每子帧周期+电文解析时刻完整扩频码周期个数*扩频码周期+电文解析时刻码片个数*码片时间宽度，确定解析信号SDM_t对应的接收时刻t_μ，计算信号传播时间t；

S3、水下待定位设备解析信号SDM_t后，获得水下定位信标发送的定位数据与通信数据，选择通信数据中的声学剖面模型经验正交函数系数，跟踪声线的传播路径；并计算水下待定位设备与水下定位信标之间的传播声线水平距离以及直线距离R；

S4、重复步骤S1-S3，分别计算水下待定位设备与M个水下定位信标之间的直线距离，其表达式为：

其中R_m为第m个水下定位信标与水下待定位设备之间的直线距离，(x_m，y_m，z_m)为第m个水下定位信标的位置信息，

为平均声速，δt为水下待定位设备与基准时间的误差，获取至少四个水下定位信标与水下待定位设备之间的距离，根据上述表达式，列出方程组，即可获得水下待定位设备的位置(x，y，z)。

优选的，所述电文数据Data₁结构由若干主帧构成，每个主帧中包含若干子帧，每一子帧又由位数固定的二进制数据组成，至少两个连续的子帧中包含有定位数据，至少两个连续的子帧中包含有通信数据。

优选的，所述定位数据包括同步码、信标发射电文起始时间信息、周信息、信标编号及水下定位信标所在位置的深度信息、经度信息、纬度信息、校验码，所述通信数据包括经验正交函数系数、能源剩余量码、能源舱漏水标志码、能源舱温度码、电子舱漏水标志码、电子舱温度码、校验码。

优选的，同步码设置于每帧数据的第一子帧的前8位，所述同步码固定为10001011，所述校验码为汉明码，设置于第一子帧、第二子帧、第四子帧的末6位。

优选的，所述的电文数据宽度i＝k*j*N，其中，j代表m序列码元宽度，N为m序列的周期，k为任意自然数。

优选的，获取声线的传播路径的方式为：

式中，T为总的声线传播时间，t_i为第i层中声线传播时间，对水下定位信标与待定位设备的深度差进行分层，n为所划分的总层数，g为声速梯度，a_i-1和a_i分别第i-1层和第i层深度的掠射角，当T和t二者最为接近的时候，认为跟踪到声线的传播路径。

优选的，水下待定位设备与水下定位信标之间的传播声线水平距离的计算方法为：

式中，l为信标与水下待定位设备的传播声线水平距离，l_i为第i层深度时的声线水平距离，D_i为第i层深度，D_i-1为第i-1层深度，当i＝n时，D_n为信标处深度；当i＝1时，D₁为水下待定位设备处深度。

优选的，水下待定位设备与水下定位信标之间的直线距离R的计算方法为

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

本发明的目的在于提供一种水下声学定位通信方法，根据系统需求定制用于定位需求的定位数据，以及用于修正声线弯曲和监测系统工作状态的通信数据。从而可以提高用于多智能体用户系统的水下声学定位通信系统的定位精度和系统可靠性。填补了我国对水下声学定位通信领域的一项研究空白，其实用性强，具有十分重要的科研与实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电文数据结构；

图2为本发明实施例提供的定位数据的电文格式；

图3为本发明实施例提供的通信数据的电文格式；

图4为本发明实施例提供的水声定位通信系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的水声定位通信方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，一种水下声学定位通信方法，所述定位通信方法应用于水声定位系统，所述水声定位系统中包含若干水下定位信标，所述若干水下定位信标可为浮标基信标、潜标基信标、或者坐底平台基信标，水下定位信标分别布放于水面、水中、水底任意位置，其数量至少为4个，但需要保证水下待定位设备在需要定位区域，可以接收到发射水声定位信号的信标数目不少于4个，而水下定位信标可以固定或者运动，但是需要保证信标自身定位数据的精度，要满足水下待定位设备的定位精度要求，所述定位通信方法包括：

S1、水下定位信标生成二进制的电文数据Data₁，所述电文数据Data₁包含一个或多个定位数据、通信数据，并以帧、子帧、位的形式编排成数据流，同时生成m序列作为直接序列扩频，电文数据与所生成的m序列进行模二加运算，进而获得数据扩频序列DM_j，将该得数据扩频序列DM_j采用BPSK方式调制载波S_t，最终获得信标发射的水声定位通信信号SDM_t，SDM_t通过声换能器向外发送；

电文数据Data₁由若干主帧构成，每个主帧中包含若干子帧，每一子帧又由位数固定的二进制数据组成，在本实施例中，设置每个主帧中包含四个子帧，根据排列顺序依次命名为第一子帧、第二子帧、第三子帧、第四子帧，在第一子帧、第二子帧子帧中包含有定位数据，每子帧数据占60位；在第三子帧、第四子帧中包含有通信数据，每子帧数据占60位。在发送时，每个水下定位信标一帧一帧地发射电文，在发射每帧电文时，是以一子帧接着一子帧的形式进行。

所述定位数据包括同步码、信标发射电文起始时间信息、周信息、信标编号及水下定位信标所在位置的深度信息、经度信息、纬度信息、校验码，所述通信数据包括经验正交函数系数、能源剩余量码、能源舱漏水标志码、能源舱温度码、电子舱漏水标志码、电子舱温度码、校验码。

同步码(8位)：用于识别数据的起始时刻，设计主要考虑同步的建立时间短，具有识别假失步和避免伪同步的能力，具有较强的抗干扰能力，在满足同步建立时间下，同步码的长度应尽可能短。这里同步码固定为10001011。

信标发射电文起始时间信息(17位)：用于计量时间，主要包括时/分/秒，根据它们的取值范围，这里设计时信息占5位，分信息占6位，秒信息占6位。

周信息(8位)：用于计量时间，起始位选定系统运行前某一时刻，例如2018年12月31日0时0分0秒为第0周起始，以后每过一周，周信息增加1。由于周信息共8位，最大值是255，如果再最大值继续加1，则时间周信息返回置零。粗略计算，8位周信息可以工作255/52＝4.9年。

信标号码(4位)：用于表示定位通信数据由哪个信标节点发送，4位信标号码最多可以容纳16个信标。

深度码(14位)：用于表示定位信标位置的深度，如果取精度为米级，最大深度为11000米，则深度码至少需要14位。

备用码(3位)：用于扩展定位系统其他定位数据信息，子帧1和子帧2的备用码均为3位，取值均为1。

校验码(6位)：用于帮助用户检查经解调的数据是否包含错误比特，并且还有一定的比特纠错功能。6位校验码最多可以对57位数据位进行纠错，这里考虑用汉明码(63,54)。

经度码(26位)：用于表示定位信标位置的经度，如果取精度为米级，最大精度值为180°，至少需要26位。

纬度码(26位)：用于表示定位信标位置的纬度，如果取精度为米级，最大精度值为90°，至少需要25位。

经验正交函数系数码(90位)：用于描述定位区域声速剖面的模型系数，取6阶系数，考虑正负号，且每个系数保留小数点后两位，则每阶系数至少需要15位。

能源剩余量码(7位)：用于描述信标电池剩余量，以百分比整数表示，最少需要7位。

能源舱漏水标志码(2位)：用于监测信标电池舱漏水与否，由于此项数据比较重要，为了减小由于误码造成的虚警，以2位二进制数表示。

能源舱温度监测码(6位)：用于监测电池舱温度，取整数位。考虑到海水的温度不会超过64°，故取6位二进制数。

电子舱漏水标志码(2位)：用于监测信标电子舱漏水与否，由于此项数据比较重要，为了减小由于误码造成的虚警，以2位二进制数表示。

电子舱温度监测码(6位)：用于监测信标电子舱温度，取整数位。考虑到海水的温度不会超过64°，故取6位二进制数。

备用码(1位)：用于扩展定位系统其他定位数据信息，子帧3没有，子帧4有1位，取值为1。

校验码(6位)：用于帮助用户检查经解调的数据是否包含错误比特，并且还有一定的比特纠错功能。6位校验码最多可以对57位数据位进行纠错，这里考虑用汉明码(63,54)。

生成上述包含上述信息的电文后，水下定位信标生成m序列作为直接序列扩频，要求电文数据宽度i＝k*j*N，其中，j代m序列码元宽度，N为m序列的周期，k为任意自然数，由于水声通信中带宽比较窄，此处建议k＝1。

将电文数据与所生成的m序列进行模二加运算，进而获得数据扩频序列DM_j，将所获得的数据扩频序列DM_j采用BPSK方式调制载波，在相邻的时间间隔上，所传数据为0或者1，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输，数据幅度[0,1]→[-1,+1]的映射方式来产生。载波信号记做St，t为载波信号的周期，且满足j＝m×t，根据水声定位通信系统的经验，m选择大于10的自然数。经过数据扩频序列调制后的载波信号命名为：水声定位通信信号，记做SDM_t，并通过声换能器发射到水中。

S2、水下待定位设备接收水声定位通信信号SDM_t，并计算信号SDM_t解析时的发射时刻t_e，所述信号解析时的发射时刻t_e＝电文解析时刻所在帧的周信息+时间信息+电文解析时刻完整子帧数目*每子帧周期+电文解析时刻完整扩频码周期个数*扩频码周期+电文解析时刻码片个数*码片时间宽度，通过解析水声定位通信信号，可以获得信号解析时的接收时刻t_μ，计算信号SDM_t传播时间t＝t_μ-t_e；

S3、水下待定位设备解析信号SDM_t后，获得水下定位信标发送的定位数据与通信数据，选择通信数据中的声学剖面模型经验正交函数系数，通过压力传感器得到水下待定位设备当前所在深度，并通过以下公式，穷举法得到传播时间：

式中，T为总的声线传播时间，t_i为第i层中声线传播时间，对水下定位信标与待定位设备的深度差进行分层，n为所划分的总层数，g为声速梯度，a_i-1和a_i分别第i-1层和第i层深度的掠射角，当T和t二者最为接近的时候，认为跟踪到声线的传播路径。

具体的，两层之间的深度差为10米。

计算水下待定位设备与水下定位信标之间的传播声线水平距离以及直线距离R。传播声线水平距离计算公式为：

式中，l为信标与水下待定位设备的传播声线水平距离，l_i为第i层深度时的声线水平距离，D_i为第i层深度，D_i-1为第i-1层深度，当i＝n时，D_n为信标处深度；当i＝1时，D₁为水下待定位设备处深度。

直线距离R的计算方式为：

S4、重复步骤S1-S3，根据步骤S3中的直线距离R的计算方式，列出水下定位信标与水下待定位设备直线距离的表达式：

其中R_m为第m个水下定位信标与水下待定位设备之间的直线距离；

(x_m，y_m，z_m)为第m个水下定位信标的位置信息；

(x_m，y_m，z_m)可以由电文中的经度信息、纬度信息、深度信息换算到ECEF(地心地固坐标系)坐标系中，

为平均声速，δt为水下待定位设备与基准时间的误差，通过获取至少四个水下定位信标与水下待定位设备距离，构建如下方程组：

通过求解上述方程，即可获得水下待定位设备自身的ECEF坐标位置(x，y，z)。

由以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述定位通信方法应用于水声定位通信系统，所述水声定位通信系统中包含若干水下定位信标，所述若干水下定位信标可以分别布放于水面、水中、水底任意位置，所述水下定位信标可以是固定状态或运动状态，所述定位通信方法包括：

S1、水下定位信标生成二进制的电文数据Data₁，所述电文数据Data₁包含一个或多个定位数据、通信数据，并以帧、子帧、位的形式编排成数据流，同时生成m序列作为直接序列扩频，电文数据与所生成的m序列进行模二加运算，进而获得数据扩频序列DM_j，将该数据扩频序列DM_j采用BPSK方式调制载波S_t，最终获得水声定位通信信号SDM_t，信号SDM_t通过换能器向外发送；

S2、水下待定位设备接收信号SDM_t，并计算信号SDM_t解析时的发射时刻t_e，所述信号解析时的发射时刻t_e＝电文解析时刻所在帧的周信息+时间信息+电文解析时刻完整子帧数目*每子帧周期+电文解析时刻完整扩频码周期个数*扩频码周期+电文解析时刻码片个数*码片时间宽度，确定解析信号SDM_t对应的接收时刻t_μ，计算信号传播时间t；

S3、水下待定位设备解析信号SDM_t后，获得水下定位信标发送的定位数据与通信数据，选择通信数据中的声学剖面模型经验正交函数系数，跟踪声线的传播路径，并计算水下待定位设备与水下定位信标之间的传播声线水平距离以及直线距离R，获取声线的传播路径的方式为：

式中，T为总的声线传播时间，t_i为第i层中声线传播时间，对水下定位信标与待定位设备的深度差进行分层，n为所划分的总层数，g为声速梯度，a_i-1和a_i分别第i-1层和第i层深度的掠射角，当T和t二者最为接近的时候，认为跟踪到声线的传播路径；

S4、重复步骤S1-S3，分别计算水下待定位设备与M个水下定位信标之间的直线距离，其表达式为：

其中R_m为第m个水下定位信标与水下待定位设备之间的直线距离，(x_m，y_m，z_m)为第m个水下定位信标的位置信息，

为平均声速，δt为水下待定位设备与基准时间的误差，获取至少四个水下定位信标与水下待定位设备之间的距离，根据上述表达式，列出方程组，即可获得水下待定位设备的位置(x，y，z)。

2.根据权利要求1所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述电文数据Data₁结构由若干主帧构成，每个主帧中包含若干子帧，每一子帧又由位数固定的二进制数据组成，至少两个连续的子帧中包含有定位数据，至少两个连续的子帧中包含有通信数据。

3.根据权利要求2所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述定位数据包括同步码、信标发射电文起始时间信息、周信息、信标编号及水下定位信标所在位置的深度信息、经度信息、纬度信息、校验码，所述通信数据包括经验正交函数系数、能源剩余量码、能源舱漏水标志码、能源舱温度码、电子舱漏水标志码、电子舱温度码、校验码。

4.根据权利要求3所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述同步码设置于每帧数据的第一子帧的前8位，所述同步码固定为10001011，所述校验码为汉明码，设置于第一子帧、第二子帧、第四子帧的末6位。

5.根据权利要求1所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，所述电文数据宽度i＝k*j*N，其中，j代表m序列码元宽度，N为m序列的周期，k为任意自然数。

6.根据权利要求1所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，水下待定位设备与水下定位信标之间的传播声线水平距离的计算方法为：

式中，l为水下定位信标与水下待定位设备的传播声线水平距离，l_i为第i层深度时的声线水平距离，D_i为第i层深度，D_i-1为第i-1层深度，当i＝n时，D_n为信标处深度；当i＝1时，D₁为水下待定位设备处深度。

7.根据权利要求6所述的一种水下声学定位通信方法，其特征在于，水下待定位设备与水下定位信标之间的直线距离R的计算方法为

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