CN109814069A - 一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括：步骤1.船基对海底信标节点进行布放，通过短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定，并将定位结果发送至海底信标节点；步骤2.海底信标节点将自身的经度、纬度、深度等信息组合成定位报文，以一定的时间间隔发送；步骤3.建立系统直角坐标系辅助移动节点的位置解算；步骤4：水下移动节点通过自身的航位信息与接收到的定位报文进行位置解算。本发明还包括实施本发明方法的系统。定位过程中水下移动节点不发送任何信号，无需获取速度，移动节点与信标节点的时钟无需同步。

Description

一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种基于单定位信标的定位报文与移动节点的航位信息，实现水声传感器网络中，水下移动节点无源定位的方法与系统。

背景技术

海洋覆盖地球约71％的表面，蕴藏丰富的能源、矿产和生物资源。在陆地资源逐渐枯竭的情况下，充分开发并利用海洋资源对人类的生存发展和社会活动起到至关重要的作用。在海洋勘探、工程建设和海底救捞等海洋活动中，水下移动节点得到了广泛应用，已成为海洋开发中不可或缺的工具。与此同时，在新国际形势下，各国面临日益严峻的海洋权益问题，水下安防成为大国博弈的关键。因此，水下移动节点需要在工程作业中提高隐蔽性，减小被他国捕获的可能。

水下移动节点完成各项海洋活动的基础是自身的精确定位：一方面，水下移动节点需要依照任务要求，根据自身位置和目标位置规划行进路径；另一方面，水下移动节点需要规避水下障碍和敌方设施，保障自身安全。因此，近年来水下移动节点的定位技术得到了普遍关注。

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System,BDS)等卫星定位系统通过电磁波实现陆地和海面设备的精确定位。但是，由于海水对电磁波的强吸收作用，这些系统不适用于水下移动节点的定位。

声波在水下环境具有良好的传播特性，可作为水下长距离信息传输的载体。因此，水下移动节点的定位常采用水声定位系统。根据基线的长度，水声定位系统可分为长基线、短基线和超短基线。长基线定位系统通常需要在海底部署多个基线阵元，基线长度在几百米至几千米之间。系统通过测量水下移动节点与信标节点之间的距离实现定位解算。长基线定位系统的优点是定位精度较高；缺点是基线阵元的布放、校准和回收过程较为繁琐。短基线定位系统将基线阵元安装在载体上，基线长度在几米至几十米之间。系统通过测量声波的传播时间获取斜距，并通过声波传播到不同基线阵元的时间差或相位差获取方位角，从而实现定位解算。短基线定位系统的优点是系统组成相对简单，使用方便；缺点是载体上的基线阵元需要精确调校以构成良好的几何形状，且容易受到载体噪声的干扰。超短基线定位系统将基线阵元安装在载体上，基线长度通常在厘米级。系统通过测量声波传播到各个基线阵元的相位差获取方位角实现定位解算。超短基线定位系统的优点是系统集成度高，使用方便；缺点是测量距离较近，定位精度低于上述两种系统。

基于单定位信标节点的定位技术是水声定位的一个新研究方向，它是传统水声定位系统组合化和简约化的结合：简约化是因为它只需要布放一个信标，提高了系统的便捷性和作业效率；组合化是因为它将声学测距定位设备与载体运动传感器组合使用，从而完成定位解算。

经检索，业界主要提出了3类基于单定位信标的水声定位方法：

1.基于定位报文到达时刻与航位信息的组合定位方法

这类定位方法一般都利用了长基线水声定位系统的原理，通过测量定位报文在移动节点和信标节点间的传播时间，联合移动节点的航位信息进行定位。具体地，系统利用定位报文的收发时刻计算移动节点与信标节点间的斜距信息，并利用航位信息计算移动节点在相邻状态的位移。联立3个或以上状态的斜距与位移信息即可进行位置求解。

这类方法的优点在于，一般不使用复杂的解算方法，仅利用最小二乘法或迭代求解即可实现实时的定位，计算复杂度低；能得到解的闭合表达式，便于进行误差分析。缺点在于，航位误差对定位结果的影响较大，需要根据系统特点进行误差修正；需要移动节点与信标节点的时钟同步，否则无法准确计算斜距。

2.基于滤波的序贯跟踪算法

基于序贯滤波的跟踪方法侧重于在水下移动节点运动过程中，对节点进行位置估计与跟踪。这类方法一般利用前一状态的估计量与当前状态的测量量，输入到设计的滤波器中，得到当前状态的位置预测。

这类方法的优点在于，相比纯数值解算的方法，能实现更高的定位精度，并且能在未收到定位报文时，仅利用航位信息进行位置预测；现有的滤波算法较多，理论也较为成熟，因此比较容易根据不同的定位场景，选取适合移动节点特性的滤波器。缺点在于，一些滤波算法复杂度较高，运算量较大，对于计算处理能力较弱的移动平台难以实现实时定位。

3.多移动节点的协作定位

这类定位方法中，移动节点一般有多个，需要独自先根据单定位信标的定位报文实现初步定位，然后再与中心节点通信。中心节点利用每个子节点的定位结果，进行更精确的定位，最后将定位结果反馈给各个子节点。

这类方法的优点在于，测量量扩展为移动节点群的斜距与航位信息，可以通过中心节点进行更精确的定位。缺点是，中心节点的计算开销较大，需具备较强的计算能力；节点间的通信开销较大，牺牲了移动节点的隐匿性。

综上，目前基于单定位信标的水声定位系统大多存在以下问题：

1.水下移动节点需要发送应答信号。由于水下移动节点由电池供电，出于节能的考虑，一些水下移动节点未配备信号发射装置，无法发送应答信号。另外，在特殊安全需求的场景中，出于隐蔽性考虑，水下移动节点不能发送信号。

2.移动节点与信标节点需要时钟同步。现有方案一般将定位报文的收发时间差直接转换为斜距信息，然而在实际场景中，复杂的水下环境会导致移动节点的时钟发生漂移，信标节点与移动节点的时钟无法精确同步，这会给斜距的测量引入误差，进而影响水下移动节点的定位结果。

3.水下移动节点需搭载速度仪。现有方案大多需要通过移动平台直接获取移动节点的速度信息，进行航位推算。但高精度的速度仪成本高昂，一些小型化的水下移动节点并未搭载。

针对上述问题，水声传感器网络中，在时钟不同步且移动节点不采用应答机制的情况下，实现水下移动节点的无源定位是非常必要的。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明提出一种基于海底单定位信标节点的水下移动节点无源自主定位的方法与系统。所述系统包括船基、1个海底信标节点与水下移动节点。

一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：

步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：

步骤1-1.船基在目标海域布放海底信标节点。

步骤1-2.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基。

步骤1-3.船基收到海底信标节点的沉底信息后，通过搭载的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定。

步骤1-4.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态。

步骤1-3中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位系统发送询问信号。海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号。根据该应答信号，船基的短基线水声定位系统获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度Lo₀、纬度La₀与深度Z₀，并发送给海底信标节点。

步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：

步骤2-1.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将经度、纬度、深度等信息生成定位报文。

步骤2-2.海底信标节点以时间间隔T₀发送定位报文。

步骤2-2中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiplefrequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。

步骤3.建立系统直角坐标系，具体步骤为：

步骤3-1.选取水平面上一个经度和纬度已知的位置点B作为系统直角坐标系原点。假设此位置点的经度为Lo_B，纬度为La_B。

步骤3-2.X轴指向正北方向，Y轴指向正东方向，Z轴指向重力方向，构建右手系。

步骤4.水下移动节点的位置解算，具体步骤为：

步骤4-1.水下移动节点在时刻k，主控模块通过航位模块获取当前时刻的航位信息，并传输给解算模块。

步骤4-2.解算模块根据航位信息，计算移动节点从时刻(k-1)到时刻k，移动节点在X、Y和Z方向上的位移Δx[k-1]、Δy[k-1]和Δz[k-1]。

步骤4-3.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态。假设移动节点收到第n个定位报文时，在系统直角坐标系中的坐标为(X[n],Y[n],Z[n])，定位报文的到达时刻为t[n]，记作状态n。

步骤4-4.水下移动节点的解算模块计算并存储移动节点从状态(n-1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移ΔX[n-1]、ΔY[n-1]和ΔZ[n-1]。

步骤4-5.水下移动节点的主控模块解读定位报文内容，并将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块。

步骤4-6.水下移动节点的解算模块将信标节点的经度、纬度和深度转换为系统直角坐标系坐标(X₀,Y₀,Z₀)。

步骤4-7.水下移动节点根据存储的相邻状态的位移、定位报文的到达时刻与信标节点在系统直角坐标系中的位置坐标完成位置解算。

步骤4-8.水下移动节点的解算模块将解算得到的系统直角坐标(X[n],Y[n])转换为经度Lo_M[n]、纬度La_M[n]，并与当前状态的深度Z[n]结合，作为定位结果。

步骤4-1中，移动平台在时刻k获取的航位信息包括：

a)移动平台的主轴与水平面的夹角为姿态角，记作β[k]，且取向下为正；

b)姿态角与攻角之和为滑翔角θ[k]，表示移动节点速度与水平面的夹角；

c)移动节点速度的水平分量与正北方向的夹角，记作航向角且

d)移动节点所处的深度，记作Z[k]。

步骤4-2中，通过航位信息计算移动节点从时刻(k-1)到时刻k，在Z、X和Y方向上的位移分别为

Δz[k-1]＝z[k]-z[k-1] (1)

步骤4-4中，移动节点从状态(n-1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移分别为

其中，表示取下整。

步骤4-6中，信标节点在系统直角坐标系中的坐标转换公式为

X₀＝111322(Lo₀-Lo_B) (7)

Y₀＝111322(La₀-La_B)cos(La_B) (8)

步骤4-7中，具体的解算步骤为：

步骤4-7-1.假设移动节点收到第n个定位报文时，存储了前l(3≤l≤n-1)个状态的定位报文到达时刻与位移，将这l个状态称为状态n的缓存状态。

步骤4-7-2.建立当前状态和缓存状态的测距方程

步骤4-7-3.根据相邻状态的位移信息，步骤472中的测距方程可化为

其中，

d_i[n]＝(Z[n-i+1]-Z₀)²,1≤i≤l+1；

e_i[n]＝c[t[n-i+1]-t[n]+(i-1)T₀],2≤i≤l+1。

步骤4-7-4.进一步整理步骤4-7-3中的方程，可得

A[n]ξ[n]＝b[n] (17)

其中，

步骤4-7-5.根据最小二乘法，步骤4-7-4中方程的解为

ξ[n]＝(A^T[n]A[n])^-1A^T[n]b[n] (18)

步骤4-8中，移动节点经度Lo_M[n]和纬度La_M[n]的转换公式为

实施本发明的水声传感网络中基于单定位信标的水下移动节点无源定位系统，包含至少1个海底信标节点、水下移动节点和船基。另外，本发明系统需要借助于北斗卫星导航系统和短基线水声定位系统实现海底信标的定位。

所述海底信标节点包括第一主控模块、短基线水声定位系统的应答器、综合定位/通信功能的第一声学收发模块、压力传感器等，负责发送定位报文。

所述水下移动节点包括第二主控模块、综合定位/通信功能的声学第二接收模块、第二解算模块、航位信息模块等。

所述船基包括短基线水声定位系统、北斗卫星接收机、综合定位/

通信功能的第三声学收发模块、第三解算模块等。船基为辅助定位系统，部署于海底信标节点覆盖的海域内，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测。

海底信标节点为1个，部署在目标海域。

海底信标节点的定位报文发送间隔为T₀；

海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。

水下移动节点的位置解算过程如下：

i.水下移动节点运动时，第二主控模块通过航位信息模块获取当前时刻的航位信息，并传送给第二解算模块。第二解算模块根据航位信息推算并存储相邻时刻的位移。

ii.当水下移动节点的综合定位/通信功能的第二声学接收模块接收到海底信标节点的定位报文时，水下移动节点的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下移动节点的第二解算模块；与此同时，第二解算模块将相邻时刻的位移累计，推算相邻状态间的位移。

iii.水下移动节点的第二解算模块将推算得到的相邻状态的位移与定位报文的到达时刻联立，求解测距方程，完成自身的位置估计。

本发明的有益效果在于：

1.定位过程中水下移动节点不发送任何信号。移动节点只需要接收来自海底信标节点的定位报文即可实现自身的无源定位，整个过程节能、隐蔽，在实际中有着广泛应用的潜力；

2.无需获取速度。现有方案中，移动节点一般搭载多普勒速度仪来获取速度与加速度信息，用于位置解算。本方案的移动节点无需配备速度仪，只需要将深度与航位信息组合，就能间接获取位移信息，用于位置解算。

3.移动节点与信标节点的时钟无需同步。现有方案一般都基于时钟同步的假设，将定位报文的收发时间差直接转换为斜距信息。本方案基于时钟异步的假设，将斜距也作为未知量，并基于定位报文的到达时间差完成解算。

4.建立缓存状态用于数值解算。现有方案大多直接进行滤波处理，基于数值解算的方案较少。此外，基于数值解算的方案中，一般只用到了3个状态点的信息。本方方法研究了缓存状态数对解算性能的影响，提升了位置估计的精度。

附图说明

图1是实施本发明方法的系统的总结构图。

图2a和图2b是本发明移动节点的航位角度图，其中图2a是朝正北方向的侧视图，图2b是朝深度方向的俯视图。

图3是本发明移动节点在相邻时刻的位移图。

图4是本发明解算步骤中的测距方程图。

图5是本发明解算步骤的时序。

图6是本发明在一种实施场景下的解算模拟。

图7是本发明在一种实施场景下，对应状态的解算误差。

具体实施方式

拟结合附图更详细地说明本发明，但本发明不局限于附图，并且附图的结构有所省略或者比例大小不符合实际尺寸，仅供说明参考使用。

一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：

步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：

步骤1-1.船基在目标海域布放海底信标节点。

步骤1-2.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基。

步骤1-3.船基收到海底信标节点的沉底信息后，通过搭载的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定。

步骤1-4.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态。

步骤1-3中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位系统发送询问信号。海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号。根据该应答信号，船基的短基线水声定位系统获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度Lo₀、纬度La₀与深度Z₀，并发送给海底信标节点。

步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：

步骤2-1.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将经度、纬度、深度等信息生成定位报文。

步骤2-2.海底信标节点以时间间隔T₀发送定位报文。

步骤2-2中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiplefrequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。

步骤3.建立系统直角坐标系，具体步骤为：

步骤3-1.选取水平面上一个经度和纬度已知的位置点B作为系统直角坐标系原点。假设此位置点的经度为Lo_B，纬度为La_B。

步骤3-2.X轴指向正北方向，Y轴指向正东方向，Z轴指向重力方向，构建右手系。

步骤4.水下移动节点的位置解算，具体步骤为：

步骤4-1.水下移动节点在时刻k，主控模块通过航位模块获取当前时刻的航位信息，并传输给解算模块。

步骤4-2.解算模块根据航位信息，计算移动节点从时刻(k-1)到时刻k，移动节点在X、Y和Z方向上的位移Δx[k-1]、Δy[k-1]和Δz[k-1]。

步骤4-3.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态。假设移动节点收到第n个定位报文时，在系统直角坐标系中的坐标为(X[n],Y[n],Z[n])，定位报文的到达时刻为t[n]，记作状态n。

步骤4-4.水下移动节点的解算模块计算并存储移动节点从状态(n-1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移ΔX[n-1]、ΔY[n-1]和ΔZ[n-1]。

步骤4-5.水下移动节点的主控模块解读定位报文内容，并将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块。

步骤4-6.水下移动节点的解算模块将信标节点的经度、纬度和深度转换为系统直角坐标系坐标(X₀,Y₀,Z₀)。

步骤4-7.水下移动节点根据存储的相邻状态的位移、定位报文的到达时刻与信标节点在系统直角坐标系中的位置坐标完成位置解算。

步骤4-8.水下移动节点的解算模块将解算得到的系统直角坐标(X[n],Y[n])转换为经度Lo_M[n]、纬度La_M[n]，并与当前状态的深度Z[n]结合，作为定位结果。

步骤4-1中，移动平台在时刻k获取的航位信息包括：

a)移动平台的主轴与水平面的夹角为姿态角，记作β[k]，且取向下为正；

b)姿态角与攻角之和为滑翔角θ[k]，表示移动节点速度与水平面的夹角；

c)移动节点速度的水平分量与正北方向的夹角，记作航向角且

d)移动节点所处的深度，记作Z[k]。

步骤4-2中，通过航位信息计算移动节点从时刻(k-1)到时刻k，在Z、X和Y方向上的位移分别为

Δz[k-1]＝z[k]-z[k-1] (1)

步骤4-4中，移动节点从状态(n-1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移分别为

其中，表示取下整。

步骤4-6中，信标节点在系统直角坐标系中的坐标转换公式为

X₀＝111322(Lo₀-Lo_B) (7)

Y₀＝111322(La₀-La_B)cos(La_B) (8)

步骤4-7中，具体的解算步骤为：

步骤4-7-1.假设移动节点收到第n个定位报文时，存储了前l(3≤l≤n-1)个状态的定位报文到达时刻与位移，将这l个状态称为状态n的缓存状态。

步骤4-7-2.建立当前状态和缓存状态的测距方程

步骤4-7-3.根据相邻状态的位移信息，步骤472中的测距方程可化为

其中，

d_i[n]＝(Z[n-i+1]-Z₀)²,1≤i≤l+1；

e_i[n]＝c[t[n-i+1]-t[n]+(i-1)T₀],2≤i≤l+1。

步骤4-7-4.进一步整理步骤4-7-3中的方程，可得

A[n]ξ[n]＝b[n] (17)

其中，

步骤4-7-5.根据最小二乘法，步骤4-7-4中方程的解为

ξ[n]＝(A^T[n]A[n])^-1A^T[n]b[n] (18)

步骤4-8中，移动节点经度Lo_M[n]和纬度La_M[n]的转换公式为

本发明的一种应用实例，由1个海底信标节点，船基和1个水下滑翔机组成；另外，系统需借助北斗卫星导航系统与短基线水声定位系统实现海底信标节点的位置标定。本例中，水下滑翔机充当水下移动节点。如图1所示。

1个海底信标节点由船基布放在海底，配备有主控模块、综合定位/通信功能的声学收发模块、短基线水声定位系统的应答器等；海底节点布放完成后，由船基的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定。海底信标节点将自身位置的坐标编码成定位报文，对外发送。

海底信标节点的信号发送采用MFSK调制，主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。

船基配备有短基线水声定位系统、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的声学收发模块和解算模块，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测。

1个水下滑翔机充当水下移动节点，配备有主控模块、综合定位/通信功能的声学接收模块、解算模块、航位信息模块等；水下滑翔机收到定位报文时，通过解算模块完成自身定位。水下移动节点的航位角度定义如图2a和图2b所示，相邻时刻的位移状态如图3所示。

水下移动节点的定位过程如图4所示，解算时序如图5所示。

水下滑翔机的综合定位/通信功能的声学接收系统处于侦听状态，当水下移动节点的综合定位/通信功能的第二声学接收模块接收到海底信标节点的定位报文时，水下移动节点的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下移动节点的第二解算模块；与此同时，第二解算模块将相邻时刻的位移累计，推算相邻状态间的位移。水下移动节点的第二解算模块将推算得到的相邻状态的位移与定位报文的到达时刻联立，求解测距方程，完成自身的位置估计。下面结合具体数据来仿真上述解算步骤。

步骤5.算法仿真。

步骤5-1.假设信标节点的在系统直角坐标系中的标定位置为(1000m,700m,1000m)，信标节点的定位报文发送间隔T₀＝10s。

步骤5-2.设定噪声参数误差：

步骤5-3.选定水下移动节点的模拟运动轨迹。

步骤5-4.通过上述算法计算水下滑翔机的估计位置。

步骤5-5.计算估计位置与真实位置的差值。令δ[n]表示移动节点航行过程中，状态n的二维解算误差，且

令δ表示平均解算误差，且

其中，N表示总状态数，表示第n个状态的解算位置坐标。解算轨迹如图6所示，对应状态的解算误差如图7所示。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：

步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：

步骤1-1.船基在目标海域布放海底信标节点；

步骤1-2.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基；

步骤1-3.船基收到海底信标节点的沉底信息后，通过搭载的短基线水声定位系统完成海底信标节点的位置标定；

海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位系统发送询问信号；海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号；根据该应答信号，船基的短基线水声定位系统获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度Lo₀、纬度La₀与深度Z₀，并发送给海底信标节点；

步骤1-4.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态；

步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：

步骤2-1.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将经度、纬度、深度等信息生成定位报文；

步骤2-2.海底信标节点以时间间隔T₀发送定位报文；

海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；

步骤3.建立系统直角坐标系，具体步骤为：

步骤3-1.选取水平面上一个经度和纬度已知的位置点B作为系统直角坐标系原点；假设此位置点的经度为Lo_B，纬度为La_B；

步骤3-2.X轴指向正北方向，Y轴指向正东方向，Z轴指向重力方向，构建右手系；

步骤4.水下移动节点的位置解算，具体步骤为：

步骤4-1.水下移动节点在时刻k，主控模块通过航位模块获取当前时刻的航位信息，并传输给解算模块；移动平台在时刻k获取的航位信息包括：

a)移动平台的主轴与水平面的夹角为姿态角，记作β[k]，且取向下为正；

b)姿态角与攻角之和为滑翔角θ[k]，表示移动节点速度与水平面的夹角；

c)移动节点速度的水平分量与正北方向的夹角，记作航向角且

d)移动节点所处的深度，记作Z[k]；

步骤4-2.解算模块根据航位信息，计算从时刻(k-1)到时刻k，移动节点在X、Y和Z方向上的位移Δx[k-1]、Δy[k-1]和Δz[k-1]；其中，

Δz[k-1]＝z[k]-z[k-1] (1)

步骤4-3.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态；假设移动节点收到第n个定位报文时，在系统直角坐标系中的坐标为(X[n],Y[n],Z[n])，定位报文的到达时刻为t[n]，记作状态n；

步骤4-4.水下移动节点的解算模块计算并存储移动节点从状态(n-1)到状态n，在X、Y和Z方向上的位移ΔX[n-1]、ΔY[n-1]和ΔZ[n-1]；其中，

其中，表示取下整；

步骤4-5.水下移动节点的主控模块解读定位报文内容，并将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块；

步骤4-6.水下移动节点的解算模块将信标节点的经度、纬度和深度转换为系统直角坐标系坐标(X₀,Y₀,Z₀)；信标节点在系统直角坐标系中的坐标转换公式为

X₀＝111322(Lo₀-Lo_B) (7)

Y₀＝111322(La₀-La_B)cos(La_B) (8)

步骤4-7.水下移动节点根据存储的相邻状态的位移、定位报文的到达时刻与信标节点在系统直角坐标系中的位置坐标完成位置解算；具体的解算步骤为：

步骤4-7-1.假设移动节点收到第n个定位报文时，存储了前l(3≤l≤n-1)个状态的定位报文到达时刻与位移，将这l个状态称为状态n的缓存状态；

步骤4-7-2.建立当前状态和缓存状态的测距方程

步骤4-7-3.根据相邻状态的位移信息，步骤472中的测距方程可化为

其中，

d_i[n]＝(Z[n-i+1]-Z₀)²,1≤i≤l+1；

e_i[n]＝c[t[n-i+1]-t[n]+(i-1)T₀],2≤i≤l+1；

步骤4-7-4.进一步整理步骤4-7-3中的方程，可得

A[n]ξ[n]＝b[n] (17)

其中，

步骤4-7-5.根据最小二乘法，步骤4-7-4中方程的解为

ξ[n]＝(A^T[n]A[n])^-1A^T[n]b[n] (18)

步骤4-8.水下移动节点的解算模块将解算得到的系统直角坐标(X[n],Y[n])转换为经度Lo_M[n]、纬度La_M[n]，并与当前状态的深度Z[n]结合，作为定位结果；移动节点经度Lo_M[n]和纬度La_M[n]的转换公式为

2.实施如权利要求1所述的一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法的系统，其特征在于：由1个海底信标节点、水下移动节点和船基组成；

所述海底信标节点包括第一主控模块、短基线水声定位系统的应答器、综合定位/通信功能的第一声学收发模块、压力传感器，负责发送定位报文；

海底信标节点为1个，以时间间隔T₀发送定位报文；

海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；

所述船基包括短基线水声定位系统、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的第三声学收发模块、第三解算模块；船基为辅助定位系统，部署于海底信标节点覆盖的海域内，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测；

所述水下移动节点包括第二主控模块、综合定位/通信功能的声学第二接收模块、第二解算模块、航位信息模块；

水下移动节点的位置解算过程如下：

i.水下移动节点运动时，第二主控模块通过航位信息模块获取当前时刻的航位信息，并传送给第二解算模块；第二解算模块根据航位信息推算并存储相邻时刻的位移；

ii.当水下移动节点的综合定位/通信功能的第二声学接收模块接收到海底信标节点的定位报文时，水下移动节点的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下移动节点的第二解算模块；与此同时，第二解算模块将相邻时刻的位移累计，推算相邻状态间的位移；

iii.水下移动节点的第二解算模块将推算得到的相邻状态的位移与定位报文的到达时刻联立，求解测距方程，完成自身的位置估计。