CN109725292B - 水下作业多目标高精度超短基线定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下作业多目标高精度超短基线定位方法及装置，每个水下作业人配有信标发射单元和第一定位解算单元，信标发射单元向其他水下作业人或船载终端的定位解算单元发送定位信号，第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位，其中，所述第一定位解算单元针对多个目标定位信号，进行多目标定位信号分离，以及根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离和方向。本发明能够有效提高定位频带利用率，并提高定位和测向精度。

Description

水下作业多目标高精度超短基线定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种蛙人或水下机器人多目标高精度超短基线定位方法及装置。

背景技术

蛙人分队或水下机器人在水下作业时，为了进行有效的协同和指挥调度，需要使用超短基线(USBL)定位设备实现测距及测向。现有蛙人定位设备包括微型声信标和定位解算单元(蛙人定位腕表或船载定位终端)，微型声信标和定位腕表由蛙人佩戴(水下机器人一般只需要安装微型声信标)；实际应用中，需要支持8到10名蛙人队员联合作业的工作场景。各定位设备下水前在近距离使用一定的同步机制进行信号同步，同步之后每个声信标周期性地发射不同频率的定位信号；定位解算单元在相应的同步周期内接收声信标信号，并根据时延差来不间断地计算不同蛙人间或蛙人和船载定位终端间的距离，同时使用USBL测向算法测量蛙人之间或蛙人和船载定位终端间的方位角。为了实现多目标定位，传统的蛙人定位设备使用8-10个窄带CW脉冲信号，频带资源利用率较低；而蛙人作业时，一般存在其他水下指控设备如水下通信等，有必要采取一定的措施来提高水声频带的利用率并减少对其他水声设备的频带干扰。另外，现有的蛙人定位设备的测向精度需要进一步提高。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种水下作业多目标高精度超短基线定位方法及装置，能够有效提高定位频带利用率，并提高定位测向精度。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种水下作业多目标高精度超短基线定位方法，其特征在于：

每个水下作业人配有信标发射单元和第一定位解算单元，信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位，

其中，所述第一定位解算单元针对多个目标定位信号，进行多目标定位信号分离，以及根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离。

进一步地，所述第一定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，进而计算目标的方向。

进一步地，所述第一定位解算单元采用自适应时延估计方法计算目标的方向。

进一步地，所述自适应时延估计方法采用适合低信噪比的改进混合调制的拉格朗日直接时延估计方法。

进一步地，所述信标发射单元发送的定位信号为经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列。

进一步地，船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元针对多个目标定位信号，进行多目标定位信号分离；根据目标定位信号的时延差，采用时延测量法计算与目标的距离。

进一步地，所述第二定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，采用自适应时延估计方法或互谱法计算目标的方向。

进一步地，所述水下作业人为蛙人或水下机器人。

2、一种基于宽带信号的水下作业人多目标高精度超短基线定位装置，包括多个信标发射单元和多个第一定位解算单元，每个水下作业人对应配有1个信标发射单元和第一定位解算单元，

所述信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，

所述第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的多个目标定位信号，并进行多目标定位信号分离，以及根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离；以及

其中，所述第一定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，进而计算目标的方向。

进一步地，船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位。

进一步地，所述水下作业人为蛙人或水下机器人。

本发明具有的有益效果：

本发明第一定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，采用自适应时延估计方法计算目标的方向。本发明采用自适应时延估计方法，提高了实际应用噪声环境中的测向精度和稳健性。本发明自适应时延估计方法采用适合低信噪比的改进混合调制的拉格朗日直接时延估计方法，能够有效提高实际应用噪声环境中的定位精度。

本发明定位信号采用经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列，它可以将原有水下作业人多目标定位设备的频带利用率提高一倍以上，并提高信号在频率选择性信道中传输的鲁棒性；采用宽带信号可以提高处理增益增大定位的距离和范围。本发明针对多个目标定位信号，采用OFDM和MPSK调制相应的解调方法进行多目标定位信号分离；根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离，有效提高了实际应用噪声环境中的定位精度。

本发明信标发射单元发送的经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列，其信号频带宽度为4kHz左右，载波频率为22kHz左右，GOLD序列点数63点或1023点，同一码族内取5～15个GOLD码分配给不同的发射信标单元使用。本发明通过上述定位信号的参数设定，保证了定位达到最佳效果，有效提高定位频带利用率，并提高定位精度。

附图说明

图1是本发明水下作业多目标高精度超短基线定位方法的流程框图；

图2是本发明水下作业人配置的定位装置电路框图；

图3是三元接收阵接收定位信号的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例一：

水下作业多目标高精度超短基线定位方法

多个水下作业人中，每个水下作业人配有信标发射单元和第一定位解算单元，每个水下作业人的信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，每个水下作业人的第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的定位信号，即接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位。

如图1所示，具体实现方法如下：

定位信号发送：

信标发射单元发送的定位信号为经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列。所述信标发射单元发送的经调制的宽带GOLD序列，其信号频带宽度为4kHz，载波频率为22kHz，GOLD序列点数63点或1023点，同一码族内取5～15个GOLD码分配给不同的发射信标单元使用。具体实施时，取8～10个GOLD码分配给不同的发射信标单元使用。

GOLD序列是m序列的复合码序列，由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对进行模2加构成；它具有良好的自、互相关特性，可以用作地址码的序列数量远大于m序列，同时易于实现、结构简单。GOLD序列的互相关函数值以及自相关函数值的旁瓣均具有良好的三值特性，满足了区分不同信标的要求。Gold码的三值互相关函数特性如下表所示：

多目标定位信号分离：

所述第一定位解算单元针对多个目标定位信号，采用OFDM和MPSK调制相应的解调方法进行多目标定位信号分离。对定位信号的接收可使用三元平面接收阵或四元立体阵，本实施例中，采用三元平面接收阵。

基于目标定位信号测距：

根据目标定位信号的时延差，采用时延测量法计算与目标的距离。定位解算单元在相应的同步周期内接根据时延差来不间断地计算不同水下作业人间的距离，测距时采用相关法进行时延量的全局粗测配合互谱法的局部精测，由于测量距离一般在几十到几百米，而采样频率一般为信号载波频率的3～6倍，因此这种传统的时延测量方法即可达到较高的测距精度。

基于目标定位信号测向：

所述第一定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，对接收信号进行带通滤波，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，采用自适应时延估计方法计算目标的方向。所述自适应时延估计方法采用混合调制的拉格朗日直接时延估计方法。具体实施时，也可采用互谱法计算目标的方向。

对于计算资源丰富的船载定位端，采用自适应时延估计方法如混合调制的拉格朗日直接时延估计方法来提高不同接收阵元的时间差的测量精度，此时测向精度较高，典型应用环境下可达到1度的测向精度。对于计算资源有限的水下作业人端便携式定位解算单元，可采用计算复杂度略低的互谱法测量时延，此时测向精度略低。

混合调制的拉格朗日直接时延估计方法更新方程为

其中

为拉格朗日分数阶时延滤波器。

称为MMLETDE的自适应因子，表达式为

多目标信号分离后，将不同接收阵元的接收信号输入，选取合适的收敛因子，

将逐渐收敛到两阵元间信号时延的真值。为保证系统收敛，μ应当满足

其中

为输入信号的方差，ω为中心角频率。

以上混合调制的拉格朗日直接时延估计方法只适合高信噪比的情况，当信噪比较低时如5～10dB甚至更低时，需要在混合调制的拉格朗日直接时延估计方法采用以下改进形式的时延估计更新方程：

其中，γ是两个接收阵元接收信号的噪声功率比；当两路信号的采样点数较多时如大于80，可以认为两个接收阵元接收信号的噪声功率比

可根据使用环境、信标发射声源级、典型工作距离来判断当前接收信号的信噪比范围，另外，可利用每个同步周期内的测距结果进一步对信噪比范围进行判断，一般距离越远，信噪比会越低。

如图3所示，下面以三元接收阵为例进行说明。阵元1、2、3成等边直角三角形排列，阵元1位于直角顶点作为参考阵元。某信标发射的信号中心频率f0＝20kHz,采样频率fs＝100kHz,其中阵2、3与参考阵元1之间的距离为d，d小于半波长，此处取为d＝c/f0/2.5，水中声速c。

判断接收阵元1和2间有效检测信号的时间差τ₂₁的绝对值是否x小于一定入射角(如56度)对应的时间差τ₀；假设接收阵元1和2间有效检测信号的时间差小于一定入射角(如56度)对应的时间差τ₀，则根据

可以计算出相应发射信号与接收阵元1和2连线的入射角θ₂₁。

同时参考τ₃₁的符号正负，判断入射信号的方向，最终完成测向角度在360度范围内标定。

若τ₂₁的绝对值大于一定入射角(如60度)对应的时间差τ₀，选择接收阵元1和3间的有效检测信号的时间差τ₃₁计算θ₃₁，对于等边直角三角形的阵型，有

同时参考τ₂₁的符号正负，判断入射信号的方向，完成测向角度在360度范围内的标定。

实施例一中所述的水下作业人为蛙人。

实施例二：

基于宽带信号的水下作业人多目标高精度定位方法

船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元针对多个目标定位信号，采用OFDM和MPSK调制相应的解调方法进行多目标定位信号分离；根据目标定位信号的时延差，采用时延测量法计算与目标的距离。所述第二定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，采用自适应时延估计方法计算目标的方向。

水下作业人之间的定位方法与实施例一相同，即，每个水下作业人配有信标发射单元和第一定位解算单元，每个水下作业人的信标发射单元向其他水下作业人、船载终端发送定位信号，每个水下作业人的第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的定位信号，即接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位。实施例二中所述的水下作业人为水下机器人。

实施例三：

基于宽带信号的水下作业人多目标高精度超短基线定位装置

如图2所示，每个水下作业人对应配有1个信标发射单元和第一定位解算单元，每个水下作业人的信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，每个水下作业人的第一定位解算单元通过多元接收阵单元接收由其他水下作业人传送的定位信号，即接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位，所述信标发射单元发送的定位信号为经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列。

定位装置支持多个水下作业人作业，每个水下作业人对应配有1个信标发射单元和第一定位解算单元，即定位装置包括多个信标发射单元和多个第一定位解算单元。

所述信标发射单元发送的经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列，其信号频带宽度为4kHz，载波频率为22kHz，GOLD序列点数63点或1023点，同一码族内取5～15个GOLD码分配给不同的发射信标单元使用。具体实施时，取8～10个GOLD码分配给不同的发射信标单元使用。实施例三中所述的水下作业人为蛙人。

实施例四：

基于宽带信号的水下作业人多目标高精度超短基线定位装置

船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位。

其余结构及原理与实施例三相同，即，每个水下作业人对应配有1个信标发射单元和第一定位解算单元，每个水下作业人的信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，每个水下作业人的第一定位解算单元通过多元接收阵单元接收由其他水下作业人传送的定位信号，即接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位，所述信标发射单元发送的定位信号为经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列。实施例四中所述的水下作业人为水下机器人。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种水下作业多目标高精度超短基线定位方法，其特征在于：

每个水下作业人配有信标发射单元和第一定位解算单元，信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位，

其中，所述第一定位解算单元针对多个目标定位信号，进行多目标定位信号分离，以及根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离和方向；

所述第一定位解算单元通过三元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，进而计算目标的方向；所述第一定位解算单元采用自适应时延估计方法计算目标的方向；

其中，利用每个同步周期内的测距结果对信噪比范围进行判断，对于高信噪比的场景，所述自适应时延估计方法采用混合调制的拉格朗日直接时延估计方法；对于低信噪比的场景，所述自适应时延估计方法采用改进混合调制的拉格朗日直接时延估计方法；

所述信标发射单元发送的定位信号为经OFDM和MPSK技术联合调制的宽带GOLD序列；

所述三元接收阵的三个阵元成等边直角三角形排列，第一阵元位于直角顶点作为参考阵元，第二阵元、第三阵元与参考阵元1之间的距离均为d，水中声速为c；

判断接收第一阵元和第二阵元之间有效检测信号的时间差τ₂₁的绝对值是否小于一定入射角对应的时间差τ₀；

若是，则根据

计算出相应发射信号与第一阵元和第二阵元的连线的入射角θ₂₁，同时参考τ₃₁的符号正负，判断入射信号的方向，最终完成测向角度在360度范围内标定；

若否，则选择接收第一阵元和第三阵元间的有效检测信号的时间差τ₃₁计算θ₃₁，计算出相应发射信号与第一阵元和第二阵元的连线的入射角θ₂₁，

θ₃₁取

内的主值；同时参考τ₂₁的符号正负，判断入射信号的方向，完成测向角度在360度范围内的标定。

2.根据权利要求1所述的水下作业多目标高精度超短基线定位方法，其特征在于：船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元针对多个目标定位信号，进行多目标定位信号分离；根据目标定位信号的时延差，采用时延测量法计算与目标的距离。

3.根据权利要求2所述的水下作业多目标高精度超短基线定位方法，其特征在于：所述第二定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，采用自适应时延估计方法或互谱法计算目标的方向。

4.根据权利要求1至3任何一项所述的水下作业多目标高精度超短基线定位方法，其特征在于：所述水下作业人为蛙人或水下机器人。

5.一种实现权利要求1所述基于宽带信号的水下作业人多目标高精度超短基线定位方法的定位装置，其特征在于：包括多个信标发射单元和多个第一定位解算单元，每个水下作业人对应配有1个信标发射单元和第一定位解算单元，

所述信标发射单元向其他水下作业人或船载终端发送定位信号，

所述第一定位解算单元接收由其他水下作业人传送的多个目标定位信号，并进行多目标定位信号分离，以及根据目标定位信号的时延差，采用自适应时延测量法计算与目标的距离；以及

其中，所述第一定位解算单元通过多元接收阵接收目标定位信号，根据目标定位信号到达接收阵元的时间差，进而计算目标的方向。

6.根据权利要求5所述的定位装置，其特征在于：船载终端设有第二定位解算单元，第二定位解算单元接收多个目标定位信号，并根据接收的目标定位信号进行计算定位。

7.根据权利要求5或6所述的定位装置，其特征在于：所述水下作业人为蛙人或水下机器人。

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