CN110366095B - 一种水下节点分布式定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下节点分布式定位系统及方法。本发明的分布式定位系统包括：海面信标节点、海底信标节点、水下节点、船基控制中心、岸基数据控制中心。定位方法包括：海面信标节点实时校准自身位置和时钟，将自身信标信息组合成定位报文并广播；当海底信标节点接收到海面信标节点的定位报文时，估计定位报文到达时刻，并在定位报文中添加自身序号、位置、报文到达时刻和发送时刻后转发定位报文，水下节点接收到海面信标节点和海底信标节点的定位报文后，利用定位报文的内容和到达时刻，解算当前时刻的位置。本发明实现了在异步环境中，海面信标节点数量不足的情况下，水下节点的分布式无源定位，解算方法采用线性方程，计算复杂度底。

Description

一种水下节点分布式定位系统及方法

技术领域

本发明属于水下定位技术领域，涉及一种水下节点分布式定位系统及方法，具体是采用全球卫星定位导航系统实现海面信标节点的定位，基于船基控制中心实现海底信标节点的定位，基于海面和海底信标节点的定位信号实现水下节点分布式无源定位的方法与系统。

背景技术

近年来，水声传感网络在海洋资源探索、环境检测、水下导航等海洋应用领域中具有巨大的应用前景，被广泛应用于各种民事和军事场景。水声传感网络由各种水下传感器、水下航行器、海面节点、岸基控制中心等组成，其被部署在指定的海域中执行特定的任务。水声传感网络中各节点(包括水下传感器、水下航行器、海面节点等)通过声信号进行信息交互。当节点收集或获取到各种信息时，需要相应的位置信息来匹配。因此，在水声传感网络中，各节点的位置信息成为不可或缺的数据之一。

全球定位系统作为陆地上应用最广泛的定位系统，由于射频无线信号在水下受到严重的衰落，无法满足水声传感网络中的定位要求。考虑声信号在水中能够透明传输，在水声传感网络中通常用声信号实现水下定位。与射频无线信号比较，声信号通信衰落小，满足水下远距离传输，但是存在链路质量差、信道时变、信号传播速度慢(约1500m/s)且时变等问题，另外，节点的运动性会带来多普勒频移。因此，水下节点定位是水声传感网络中的一大挑战。

一方面，水下节点定位可以分成集中式和分布式。集中式的水下定位主要通过一个汇聚节点估计待定位节点的位置，除非汇聚节点转发位置给待定位节点，否则待定位节点自身无法估计位置。分布式的水下定位中，水下待定位节点可以各自估计自身的位置。另一方面，水下节点定位可以分为主动式和被动式。主动式定位中，待定位节点通过与信标节点信息交互来估计自身位置。被动定位又称无源定位，待定位节点在定位过程中一直保持缄默，通过接收信标节点的定位报文估计自身的位置。考虑到节点能耗和安全问题，分布式无源定位在水声传感网路中具有更广泛的应用场景。

目前广泛应用的水声定位系统按基线长短可分为长基线、短基线和超短基线。其中，现有的长基线定位系统可用于水下无人设备的自主定位，要在海底布设传感器阵列，采用应答机制进行测距，从而得到较高的定位精度，但是需要固定水域内的部署水声应答装置，而且应答器节点位置标定难度高，使其实现代价较高；短基线水声定位系统需要在载体平台上布放传感器阵列，水下无人设备安装应答器，可对水下无人设备进行定位，但是无法实现水下无人设备自主定位；超短基线水声定位系统需要在载体平台上布放声学基线阵列，水下无人设备安装应答器，采用应答机制实现对水下无人设备定位，但是同样无法实现水下无人设备的自主定位。另外，短基线和超短基线水声定位系统的基线尺度远小于长基线，作用范围有限，无法满足大区域海域的定位要求。

水下无人设备定位导航的另一种实现方式是惯性导航系统，但是其水下定位误差会积累，且没有很好的消除机制，随着时间的推移会逐渐恶化，从而导致很难实现精确定位。同时，高精度的惯性测量单元体积庞大，价格高昂。惯性导航系统与卫星定位导航系统组合定位也是一种惯用手段，卫星定位导航信号的引入可以使浮出水面的水下无人设备实现位置修正，实现较好的定位效果。但是，设备的上浮与下沉过程会中断水下无人设备的任务降低作业效率，同时消耗能源，更不利于水下无人设备的隐蔽性。

目前也有提出基于海面信标节点的水下目标定位技术，即首先利用卫星定位导航系统实现海面信标节点的定位，然后基于多个海面信标节点定位信号实现水下节点的分布式定位。已有基于海面信标节点的定位系统中，经检索，美国专利号US7512036B2公开的一种水下定位的系统和方法和美国专利号US5119341公开的一种扩展全球定位系统(GlobalPositioning System,GPS)水下应用的方法，两者的局限性在于假设海面信标节点和水下目标节点之间时间同步，同时未考虑水下节点时钟会出现偏移问题，导致定位误差的增大；中国专利申请号CN200310118440发明公开的一种无高稳定频标的水下GPS定位导航系统和方法与中国专利申请号201210065951发明公开的一种基于全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)卫星的水下航行器定位方法及系统,两者的局限在于利用了双程测距解决信标节点和目标节点之间无法一直保持同步问题，即水下节点需要发送请求定位信号，与海面定位信标进行交互。但双程测距会导致水下目标的隐蔽性差，功耗增加，且会使实现定位的水下节点数目受到限制；中国专利申请号201410073253公开了一种基于差分GPS浮标的水下定位导航系统和方法，局限在于该系统默认为信标节点和目标节点之间存在固定的时间差,未考虑水下目标的时钟会出现的频偏和相偏。基于上述的不足有提出基于海面信标节点的无源定位方法，水下节点与信标节点之间不需要同步，利用信标节点定位报文信号的到达时间差来实现定位，但其不足点在于需要满足水下节点至少同时接收到3个及以上的定位报文信号，否则无法实现定位。

发明内容

本发明针对目前技术在异步环境中无法保证海面信标节点数量，且不采用应答机制测距情况下，无法实现水下节点的分布式无源定位的技术缺点，提供一种水下节点分布式定位系统及方法。

本发明的水下节点分布式定位系统包括：

海面信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中存在1～3个海面信标节点，并且保证该区域的任何位置都可以接收到海面信标节点广播的定位报文信号，海面信标节点以码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)扩频方式广播定位报文；所述的海面信标节点包括第一卫星接收机、第一主控系统、综合定位/通信功能的第一声学收发系统；

海底信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中至少保证存在一个海底信标节点，由于水下节点至少需要接收3个定位信标的定位信号才能完成位置解算，在该区域海面信标节点和海底信标节点总数大于等于3个，并且保证该区域内的任何位置都可以接收到对应海底信标节点转发的定位报文信号，海底信标节点以CDMA扩频方式转发定位报文；所述的海底信标节点包括第二主控系统、综合定位/通信功能的第二声学收发系统；

水下节点：包括定位接收机和压力传感器，其中定位接收机包括第三主控系统、综合定位/通信功能的声学接收系统、第一解算模块、第一短消息处理模块；水下节点利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰，恢复期望的定位报文信息；

船基控制中心：为定位辅助系统，部署于信标节点覆盖海域内；包括：携带有短基线水声定位系统，用于实现海底信标节点的位置标定；第二卫星接收机，用于标定船基控制中心的位置；船基接收机，用于监控海面信标节点和海底信标节点的工作状况；所述的船基接收机包括综合定位/通信功能的第三声学收发系统，第二解算模块、第二短消息处理模块；船基控制中心在完成所有海底信标节点的位置标定之后，在信标节点覆盖海域内，通过第三声学收发系统监听特定的信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断海面信标节点和海底信标节点的工作状态；另外，船基控制中心通过移动，间断的监听所有信标节点的工作状况，监控定位系统运行状况；

岸基数据控制中心：用于控制水下节点，通过全球卫星导航系统，下达指令给海面信标节点，海面信标节点再通过报文方式广播给对应的水下节点。

位于一个区域内的海面信标需要同时广播其定位报文，且不同海底信标节点在转发定位报文时也会在水下节点接收端出现多用户干扰，因此采用CDMA方式；对于生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(Code Shift Keying,CSK)相结合，并分配给海面和海底信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信。

利用该系统进行水下节点分布式定位的方法，包括：

(1).海面信标节点上的第一卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标的卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的第一主控系统，校准第一主控系统时钟和基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的第一主控系统把卫星接收机高程信息减去第一声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后将自身信标信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，海面信标节点同时通过各自的第一声学收发系统广播定位报文；所述的自身信标信息包括信标的序号、经度、纬度、高程。

海面信标节点的广播定位报文的广播时序：位于同一个区域内的海面信标节点同时广播其定位报文；一个区域内的海面信标节点广播定位报文后，相距固定时间间隔后，下一个区域内的海面信标节点广播定位报文；直至所有区域的海面信标节点广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序。

同一区域内的单个或多个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用CDMA方式广播定位信号。具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制CSK相结合，并分配给每个海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；同一个区域内的海面信标在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列。

(2).海底信标节点固定海床上，其在船基控制中心的辅助下进行自身位置标定：海底信标节点的第二声学收发系统处于侦听状态，当接收到同一区域海面信标节点的定位信号时，第二声学收发系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻。海底信标节点的第二主控系统对于每一个定位报文添加海底信标节点的位置信息和序号、定位报文的到达时刻和海底信标节点发送定位报文的时刻，通过第二声学收发系统按序完成所有定位报文的转发。

海底信标节点自身位置标定的具体方法：船基控制中心接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，停驻后通过第二卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，确定短基线水声定位系统基阵的位置坐标，再由船基控制中心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，由第二声学收发系统发送应答信号。根据该应答信号，船基控制中心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控制中心短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度、深度信息，并发送给相应的海底信标节点。

海底信标节点转发定位报文采用CDMA方式广播定位信号，处于同一区域内的海面信标节点和海底信标节点在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列。

(3).水下节点的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学接收系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给第三主控系统；第三主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、深度、时间戳和对应报文到达时刻传输给第一解算模块；同时第三主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给第一解算模块；水下节点利用报文信息解算自身的坐标位置。

(4).岸基数据控制中心，当需要发送指令给水下节点时，首先通过卫星信号将指令转发给其中一个海面信标节点，海面信标节点的第一主控系统将指令打包成短消息报文，通过第一声学收发系统转发给水下节点；水下节点的定位接收系统一旦接收到短消息报，传输给第三主控系统，第三主控系统将短消息报文解读之后传输给第一短消息处理模块进行处理。

水下节点位置解算方法如下：

步骤(1).水下节点接收到来至海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、定位报文到达时刻t_i,i∈{1,2,...,N_s}传输给自身的主控系统；水下节点接收到海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}转发来至海面信标节点i的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、发送时间戳

接收时间戳

和对应报文到达时刻

j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}传输给自身的主控系统；N_s为海面信标节点总数，N_u为信标节点总数。

步骤(2).利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系：

结合报文中的高程信息作为海面信标节点的三维坐标位置S_i＝[X_i,Y_i,Z_i],i∈{1,2,...,N_s}；

结合报文中的深度信息作为海底信标节点的三维坐标位置U_j＝[X_j,Y_j,Z_j],j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}。

步骤(3).由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化，声速剖面表示为c(z)，z为深度变量；基于Snell定律，建立海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}和海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}的之间水平距离ρ_i→j、传播时延τ_i→j与传播常数n_i→j之间的关系：

由于海面信标节点i和海底信标节点j的坐标位置已知，计算得到海面信标节点i与海底信标节点j的水平距离也

在水平距离ρ_i→j已知的情况下，通过(s1)得到该传播路径的传播常数n_i→j，通过(s2)得到海面信标节点i和海底信标节点j的传播时延τ_i→j。

步骤(3).传播时延与到达时刻存在如下关系：(s3)表示不同海面信标节点的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系，(s4)表示海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系；

τ_i-τ_m＝t_i-t_m,i∈{1,2,...N_s},m∈{1,2,...N_s,m≠i} (s3)；

一个海底信标节点j共转发N_s个定位报文给水下节点，即相同的传播路径存在N_s条，对于N_s条传播路径的传播时延和到达时刻求平均得海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系：

根据时间戳和到达时刻计算得到不同信标节点定位报文传播时延之间的差值，基于有效声速得到不同信标节点与水下节点间距离的差值。

步骤(4).以海面信标节点i＝1为参考，其他海面信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：Δd_i,1＝d_i-d₁＝c_v(τ_i-τ₁)＝c_v(t_i-t₁)；i∈(2,3,...N_s)；

海底信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：

其中，d_i和d_j分别表示海面信标节点i、海底信标节点j与水下节点的直线距离，c_v表示有效深度，取声速梯度的平均值；

步骤(4).构建位置解算方程AΘ＝B+Cd₁，计算水下节点的二维坐标(X,Y)；其中：

水下节点的深度Z通过自身的压力传感器获取；

采用最小二乘法，水下节点的水平位置坐标表示为：Θ＝(A^TA)^-1(B+Cd₁)＝N+Md₁；其中，中间变量d₁为海面信标节点i＝1与水下节点之间的距离，通过求解一元二次方程得到，即：ad₁ ²+bd₁+c＝0；其中：M＝(A^TA)^-1C，N＝(ATA)^-1B；a＝N(1,1)²+N(2,1)²-1；b＝2(M(1,1)-X₁)N(1,1)+2(M(2,1)-Y₁)N(2,1)；c＝(M(1,1)-X₁)²+(N(2,1)-Y₁)²+(Z-Z₁)²；M(x,y)和N(x,y)分别表示矩阵M和N的第x行第y列。

求解d₁时，将负数或者远大于传输距离的奇异解去除。

利用高斯反算把二维坐标位置(X,Y)转化为经度和纬度，结合水下节点的深度Z作为水下节点当前的位置。

本发明的优点是：实现了在异步环境中，海面信标节点数量不足的情况下，水下节点的分布式无源定位；不需要保证海底信标节点与海面信标节点之间的时钟同步，只需满足海面信标节点之间的时钟同步；基于射线传播理论建模海面信标节点与海底信标节点之间的传输路径，减小定位误差；综合定位/通信声学系统的CDMA方式结合了M进制CSK高阶调制，相比于传统直接序列扩频方式，定位接收机利用置零串行多址干扰抵消技术消除远近效应引起的多用户干扰，并提高了通信速率；解算方法采用线性方程，计算复杂度底。

附图说明：

图1为本发明水下节点分布式定位系统的总构成图；

图2为本发明实例系统信标节点和水下节点工作原理框图；

图3为本发明实例的定位报文到达时刻图。

具体实施方式

为了更详细的对于该发明进行解释说明，拟结合附图进行示例性说明，但并不局限于附图中，其中附图中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。

水下节点分布式定位系统，包括：

海面信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中存在1～3个海面信标节点，并且保证该区域的任何位置都可以接收到海面信标节点广播的定位报文信号，海面信标节点以CDMA扩频方式广播定位报文；所述的海面信标节点包括第一卫星接收机、第一主控系统、综合定位/通信功能的第一声学收发系统；

海底信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中至少保证存在一个海底信标节点，由于水下节点至少需要接收3个定位信标的定位信号才能完成位置解算，在该区域海面信标节点和海底信标节点总数大于等于3个，并且保证该区域内的任何位置都可以接收到对应海底信标节点转发的定位报文信号，海底信标节点以CDMA扩频方式转发定位报文；所述的海底信标节点包括第二主控系统、综合定位/通信功能的第二声学收发系统；

水下节点：包括定位接收机和压力传感器，其中定位接收机包括第三主控系统、综合定位/通信功能的声学接收系统、第一解算模块、第一短消息处理模块；水下节点利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰，恢复期望的定位报文信息；

船基控制中心：为定位辅助系统，部署于信标节点覆盖海域内；包括：携带有短基线水声定位系统，用于实现海底信标节点的位置标定；第二卫星接收机，用于标定船基控制中心的位置；船基接收机，用于监控海面信标节点和海底信标节点的工作状况；所述的船基接收机包括综合定位/通信功能的第三声学收发系统，第二解算模块、第二短消息处理模块；船基控制中心在完成所有海底信标节点的位置标定之后，在信标节点覆盖海域内，通过第三声学收发系统监听特定的信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断海面信标节点和海底信标节点的工作状态；另外，船基控制中心通过移动，间断的监听所有信标节点的工作状况，监控定位系统运行状况；

岸基数据控制中心：用于控制水下节点，通过全球卫星导航系统，下达指令给海面信标节点，海面信标节点再通过报文方式广播给对应的水下节点。

位于一个区域内的海面信标需要同时广播其定位报文，且不同海底信标节点在转发定位报文时也会在水下节点接收端出现多用户干扰，因此采用CDMA扩频方式；对于生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制CSK相结合，并分配给海面和海底信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信。

利用该系统进行水下节点分布式定位的方法，包括：

(1).海面信标节点上的第一卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标的卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的第一主控系统，校准第一主控系统时钟和基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的第一主控系统把卫星接收机高程信息减去第一声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后将自身信标信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，海面信标节点同时通过各自的第一声学收发系统广播定位报文；所述的自身信标信息包括信标的序号、经度、纬度、高程。

海面信标节点的广播定位报文的广播时序：位于同一个区域内的海面信标节点同时广播其定位报文；一个区域内的海面信标节点广播定位报文后，相距固定时间间隔后，下一个区域内的海面信标节点广播定位报文；直至所有区域的海面信标节点广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序。

同一区域内的单个或多个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用CDMA方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制CSK相结合，并分配给每个海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；同一个区域内的海面信标在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列。

(2).海底信标节点固定海床上，其在船基控制中心的辅助下进行自身位置标定：海底信标节点的第二声学收发系统处于侦听状态，当接收到同一区域海面信标节点的定位信号时，第二声学收发系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻。海底信标节点的第二主控系统对于每一个定位报文添加海底信标节点的位置信息和序号、定位报文的到达时刻和海底信标节点发送定位报文的时刻，通过第二声学收发系统按序完成所有定位报文的转发。

海底信标节点自身位置标定的具体方法：船基控制中心接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，停驻后通过第二卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，确定短基线水声定位系统基阵的位置坐标，再由船基控制中心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，由第二声学收发系统发送应答信号。根据该应答信号，船基控制中心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控制中心短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度、深度信息，并发送给相应的海底信标节点。

海底信标节点转发定位报文采用CDMA方式广播定位信号，处于同一区域内的海面信标节点和海底信标节点在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列。

(3).水下节点的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学接收系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给第三主控系统；第三主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、深度、时间戳和对应报文到达时刻传输给第一解算模块；同时第三主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给第一解算模块；水下节点利用报文信息解算自身的坐标位置。

(4).岸基数据控制中心，当需要发送指令给水下节点时，首先通过卫星信号将指令转发给其中一个海面信标节点，海面信标节点的第一主控系统将指令打包成短消息报文，通过第一声学收发系统转发给水下节点；水下节点的定位接收系统一旦接收到短消息报，传输给第三主控系统，第三主控系统将短消息报文解读之后传输给第一短消息处理模块进行处理。

水下节点位置解算方法如下：

步骤(1).水下节点接收到来至海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、定位报文到达时刻t_i,i∈{1,2,...,N_s}传输给自身的主控系统；水下节点接收到海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}转发来至海面信标节点i的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、发送时间戳

接收时间戳

和对应报文到达时刻

j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}传输给自身的主控系统；N_s为海面信标节点总数，N_u为信标节点总数。

步骤(2).利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系：结合报文中的高程信息作为海面信标节点的三维坐标位置S_i＝[X_i,Y_i,Z_i],i∈{1,2,...,N_s}；结合报文中的深度信息作为海底信标节点的三维坐标位置U_j＝[X_j,Y_j,Z_j],j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}。

步骤(3).由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化，声速剖面表示为c(z)，z为深度变量；基于Snell定律，建立海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}和海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}的之间水平距离ρ_i→j、传播时延τ_i→j与传播常数n_i→j之间的关系：

由于海面信标节点i和海底信标节点j的坐标位置已知，计算得到海面信标节点i与海底信标节点j的水平距离也

在水平距离ρ_i→j已知的情况下，通过(s1)得到该传播路径的传播常数n_i→j，通过(s2)得到海面信标节点i和海底信标节点j的传播时延τ_i→j。

步骤(3).传播时延与到达时刻存在如下关系：(s3)表示不同海面信标节点的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系，(s4)表示海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系；

τ_i-τ_m＝t_i-t_m,i∈{1,2,...N_s},m∈{1,2,...N_s,m≠i} (s3)；

一个海底信标节点j共转发N_s个定位报文给水下节点，即相同的传播路径存在N_s条，对于N_s条传播路径的传播时延和到达时刻求平均得海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系：

根据时间戳和到达时刻计算得到不同信标节点定位报文传播时延之间的差值，基于有效声速得到不同信标节点与水下节点间距离的差值。

步骤(4).以海面信标节点i＝1为参考，其他海面信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：Δd_i,1＝d_i-d₁＝c_v(τ_i-τ₁)＝c_v(t_i-t₁)；i∈(2,3,...N_s)；

海底信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：

其中，d_i和d_j分别表示海面信标节点i、海底信标节点j与水下节点的直线距离，c_v表示有效深度，取声速梯度的平均值；

步骤(4).构建位置解算方程AΘ＝B+Cd₁，计算水下节点的二维坐标(X,Y)；其中：

水下节点的深度Z通过自身的压力传感器获取；

采用最小二乘法，水下节点的水平位置坐标表示为：Θ＝(A^TA)^-1(B+Cd₁)＝N+Md₁；其中，中间变量d₁为海面信标节点i＝1与水下节点之间的距离，通过求解一元二次方程得到，即：ad₁ ²+bd₁+c＝0；其中：M＝(A^TA)^-1C，N＝(A^TA)^-1B；a＝N(1,1)²+N(2,1)^2-1；b＝2(M(1,1)-X₁)N(1,1)+2(M(2,1)-Y₁)N(2,1)；c＝(M(1,1)-X₁)²+(N(2,1)-Y₁)²+(Z-Z₁)²；M(x,y)和N(x,y)分别表示矩阵M和N的第x行第y列。求解d₁时，将负数或者远大于传输距离的奇异解去除。

利用高斯反算把二维坐标位置(X,Y)转化为经度和纬度，结合水下节点的深度Z作为水下节点当前的位置。

如图1所示，一种水下节点分布式定位系统及方法的实例，由岸基数据中心12，波浪滑翔机13，船基控制中心14，水下滑翔机16，两个坐底平台15-1，15-2组成；该系统还借助全球卫星导航系统11实现海面信标节点的定位和同步。其中波浪滑翔机充当海面信标节点，水下滑翔机充当水下节点，坐底平台充当海底信标节点。

波浪滑翔机13充当海面信标节点，上半部分位于海面上，下半部分位于海面下方，包括第一卫星接收机、第一主控系统、第一声学收发系统；其中第一卫星接收机位于波浪滑翔机海面部分，第一声学收发系统位于波浪滑翔机水下部分；波浪滑翔机上的第一卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给波浪滑翔机的第一主控系统，校准第一主控系统时钟和基准时间保持同步；波浪滑翔机的第一主控系统把卫星接收机高程信息减去第一声学收发系统的高度差值，作为波浪滑翔机的高程，然后将自身信标信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，波浪滑翔机同时通过各自的第一声学收发系统广播定位报文；所述的自身信标信息包括信标的序号、经度、纬度、高程。

坐底平台15充当海底信标节点，固定在海底，配备有第二主控系统、第二声学收发系统。坐底平台首先通过第二声学收发系统与船基控制中心的短基线水声定位系统交互实现自身位置标定；一旦实现位置标定，坐底平台的第二声学收发系统接收来至波浪滑翔机的定位报文，第二主控系统解析报文内容，在定位报文中添加时间戳、自身位置信息和序号，通过第二声学收发系统转发给水下滑翔机。

水下滑翔机16充当水下节点，配备有定位接收机和压力传感器，其中定位接收机包括第三主控系统、综合定位/通信功能的声学接收系统、第一解算模块、第一短消息处理模块；水下滑翔机通过接收波浪滑翔机和坐底平台的定位报文实现自身位置解算。

岸基数据控制中心12，位于海岸上，用于控制水下滑翔机。岸基数据控制中心通过全球卫星导航系统11，下达指令给波浪滑翔机，波浪滑翔机再以短消息报文方式广播给相应的水下滑翔机。

船基控制中心14，包括：携带有短基线水声定位系统，用于实现坐底平台的位置标定；第二卫星接收机，用于标定船基控制中心的位置；船基接收机，用于监控波浪滑翔机和坐底平台的工作状况；所述的船基接收机包括综合定位/通信功能的第三声学收发系统，第二解算模块、第二短消息处理模块；船基控制中心在完成所有坐底平台的位置标定之后，在信标节点覆盖海域内，通过第三声学收发系统监听特定的信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断波浪滑翔机和坐底平台的工作状态；另外，船基控制中心通过移动，间断的监听所有信标节点的工作状况，监控定位系统运行状况。

波浪滑翔机发起定位流程时，具体的工作流程如图2所示。

波浪滑翔机的第一卫星接收机21通过接收来自全球卫星导航系统的卫星信号，解析出天线所在处的经度、纬度、高程传输给第一主控系统22，并实现第一主控系统22和卫星基准时钟同步；第一主控系统22将卫星天线所在高程减去卫星天线和第一声学收发系统23高度差，作为波浪滑翔机的高程，第一主控系统22将经度、纬度、高程和自身序号编码成定位报文，根据自身时序表，通过第一声学接收系统23广播定位报文。

坐底平台在利用第二声学接收系统25与船基控制中心实现自身位置标定之后，处于侦听模式，一旦接收到来至波浪滑翔机的定位信号，记录定位报文的到达时刻，将解码的报文内容和到达时刻发送给第二主控系统24，第二主控系统24将坐底平台的坐标位置、序号、解码的报文内容、到达时刻和发送时间戳重新编码成新的定位报文，通过第二声学接收系统25广播该定位报文。

水下滑翔机的声学接收系统26处于侦听状态，一旦接收到定位信号，完成多用户信号接收，记录对应定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给第三主控系统27；水下滑翔机的第三主控系统27解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程、时间戳和对应报文到达时刻传输给第一解算模块29；同时水下滑翔机的第三主控系统实时从压力传感器28读取深度信息，传输给第一解算模块29；第一解算模块29利用第三主控系统传输的信息解算水下滑翔机的位置坐标；当声学接收系统26接收到短消息报文时，通过第三主控系统27传输给第一短消息处理模块210进行处理。

如图3，当水下滑翔机实现多用户接收之后，解算模块获取到达时刻t₁，

由于波浪滑翔机与坐底平台的坐标位置为已知，水下滑翔机的解算模块可以直接解算得到波浪滑翔机定位报文信号到达坐底平台的传输时延τ_1→2和τ_1→3，并且坐底平台处理处理定位报文的时延可以通过时间戳计算得到

和

因此基于海面信标节点i＝1，不同信标节点定位报文的传输时延差可以分别表示为：

和

基于有效声速，解算模块即得到不同信标节点和水下节点直线距离的差值，进而利用位置方程解算水下节点坐标位置。除此之外，解算模块还需要对于经纬度和高程进行高斯正算，得到对应波浪滑翔机和坐底平台的三维坐标；在得到水下滑翔机的三维坐标后，也需要高斯反算得到对应的经纬度和高程。

以上所述为本发明的一个实例，其中海面信标节点可以由浮标等来代替，海底信标节点由其他载体代替，实现其他水下目标的定位；海底信标节点也可以通过其他方法实现位置标定；船基控制中心，作为附属系统，可以由其他载体或多个载体来替代，实现对于定位系统监控功能；岸基数据中心，除了处于海岸，同时也可以建设在其他地方，需实现卫星通信。

另外，借助的全球卫星导航系统，包括北斗卫星导航系统、GPS、GLONASS卫星导航系统、GALILEO卫星导航系统等。而当水下节点自身可以提供速度矢量，可以通过移动补偿进一步提高定位精度；而水下节点自身不提供深度信息时，只需要保证海面信标节点和海底信标节点的数量和不小于4个即可。

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)

1.一种水下节点分布式定位方法，其特征在于，该方法包括：

(1).海面信标节点上的第一卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，实时解析出海面信标的卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的第一主控系统，校准第一主控系统时钟和基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的第一主控系统把卫星接收机高程信息减去第一声学收发系统的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后将自身信标信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，海面信标节点同时通过各自的第一声学收发系统广播定位报文；所述的自身信标信息包括信标的序号、经度、纬度、高程；

海面信标节点的广播定位报文的广播时序：位于同一个区域内的海面信标节点同时广播其定位报文；一个区域内的海面信标节点广播定位报文后，相距固定时间间隔后，下一个区域内的海面信标节点广播定位报文；直至所有区域的海面信标节点广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；

同一区域内的单个或多个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用CDMA方式广播定位信号；具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制CSK相结合，并分配给每个海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；同一个区域内的海面信标在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列；

(2).海底信标节点固定海床上，其在船基控制中心的辅助下进行自身位置标定：海底信标节点的第二声学收发系统处于侦听状态，当接收到同一区域海面信标节点的定位信号时，第二声学收发系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻；海底信标节点的第二主控系统对于每一个定位报文添加海底信标节点的位置信息和序号、定位报文的到达时刻和海底信标节点发送定位报文的时刻，通过第二声学收发系统按序完成所有定位报文的转发；

海底信标节点自身位置标定的具体方法：船基控制中心接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，停驻后通过第二卫星接收机接收全球卫星导航系统广播的定位导航信号，确定短基线水声定位系统基阵的位置坐标，再由船基控制中心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，由第二声学收发系统发送应答信号；根据该应答信号，船基控制中心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控制中心短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度、深度信息，并发送给相应的海底信标节点；

海底信标节点转发定位报文采用CDMA方式广播定位信号，处于同一区域内的海面信标节点和海底信标节点在广播定位报文时都会被分配不同的伪随机序列；

(3).水下节点的声学接收系统处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学接收系统完成多用户信号接收，记录不同定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给第三主控系统；第三主控系统解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、深度、时间戳和对应报文到达时刻传输给第一解算模块；同时第三主控系统实时从压力传感器读取深度信息，传输给第一解算模块；水下节点利用报文信息解算自身的坐标位置；

(4).岸基数据控制中心，当需要发送指令给水下节点时，首先通过卫星信号将指令转发给其中一个海面信标节点，海面信标节点的第一主控系统将指令打包成短消息报文，通过第一声学收发系统转发给水下节点；水下节点的定位接收系统一旦接收到短消息报，传输给第三主控系统，第三主控系统将短消息报文解读之后传输给第一短消息处理模块进行处理；

水下节点位置解算具体方法是：

步骤(1).水下节点接收到来至海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、定位报文到达时刻t_i,i∈{1,2,...,N_s}传输给自身的主控系统；水下节点接收到海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}转发来至海面信标节点i的定位报文时，解读报文内容，将报文中的经度、维度、高程、发送时间戳

接收时间戳

和对应报文到达时刻

j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}传输给自身的主控系统；N_s为海面信标节点总数，N_u为信标节点总数；

步骤(2).利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系：

结合报文中的高程信息作为海面信标节点的三维坐标位置S_i＝[X_i,Y_i,Z_i],i∈{1,2,...,N_s}；

结合报文中的深度信息作为海底信标节点的三维坐标位置：

U_j＝[X_j,Y_j,Z_j],j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}；

步骤(3).由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化，声速剖面表示为c(z)，z为深度变量；基于Snell定律，建立海面信标节点i,i∈{1,2,...,N_s}和海底信标节点j,j∈{N_s+1,N_s+2,...,N_s+N_u}的之间水平距离ρ_i→j、传播时延τ_i→j与传播常数n_i→j之间的关系：

计算得到海面信标节点i与海底信标节点j的水平距离也

然后通过(s1)得到该传播路径的传播常数n_i→j，通过(s2)得到海面信标节点i和海底信标节点j的传播时延τ_i→j；

步骤(3).传播时延与到达时刻存在如下关系：(s3)表示不同海面信标节点的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系，(s4)表示海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系；

τ_i-τ_m＝t_i-t_m,i∈{1,2,...N_s},m∈{1,2,...N_s,m≠i} (s3)；

一个海底信标节点j共转发N_s个定位报文给水下节点，即相同的传播路径存在N_s条，对于N_s条传播路径的传播时延和到达时刻求平均得海面信标节点的定位报文信号与海底信标节点转发的定位报文信号之间传播时延差和到达时刻差的关系：

根据时间戳和到达时刻计算得到不同信标节点定位报文传播时延之间的差值，基于有效声速得到不同信标节点与水下节点间距离的差值；

步骤(4).以海面信标节点i＝1为参考，其他海面信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：Δd_i,1＝d_i-d₁＝c_v(τ_i-τ₁)＝c_v(t_i-t₁)；i∈(2,3,...N_s)；

海底信标节点与该海面信标节点距离水下节点的直线距离的差值为：

其中，d_i和d_j分别表示海面信标节点i、海底信标节点j与水下节点的直线距离，c_v表示有效深度，取声速梯度的平均值；

步骤(4).构建位置解算方程AΘ＝B+Cd₁，计算水下节点的二维坐标(X,Y)；其中：

水下节点的深度Z通过自身的压力传感器获取；

采用最小二乘法，水下节点的水平位置坐标表示为：Θ＝(A^TA)^-1(B+Cd₁)＝N+Md₁；

其中，中间变量d₁为海面信标节点i＝1与水下节点之间的距离，通过求解一元二次方程得到，即：ad₁ ²+bd₁+c＝0；其中：M＝(A^TA)^-1C，N＝(A^TA)^-1B；a＝N(1,1)²+N(2,1)²-1；b＝2(M(1,1)-X₁)N(1,1)+2(M(2,1)-Y₁)N(2,1)；c＝(M(1,1)-X₁)²+(N(2,1)-Y₁)²+(Z-Z₁)²；M(x,y)和N(x,y)分别表示矩阵M和N的第x行第y列；

求解d₁时，将负数或者远大于传输距离的奇异解去除；

利用高斯反算把二维坐标位置(X,Y)转化为经度和纬度，结合水下节点的深度Z作为水下节点当前的位置。

2.如权利要求1所述的一种水下节点分布式定位方法采用的定位系统，其特征在于该定位系统包括：

海面信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中存在1～3个海面信标节点，并且保证该区域的任何位置都可以接收到海面信标节点广播的定位报文信号，海面信标节点以码分多址扩频方式广播定位报文；所述的海面信标节点包括第一卫星接收机、第一主控系统、综合定位/通信功能的第一声学收发系统；

海底信标节点：定位海域被划分为若干区域，每一个区域中至少保证存在一个海底信标节点，在该区域海面信标节点和海底信标节点总数大于等于3个，并且保证该区域内的任何位置都可以接收到对应海底信标节点转发的定位报文信号，海底信标节点以CDMA扩频方式转发定位报文；所述的海底信标节点包括第二主控系统、综合定位/通信功能的第二声学收发系统；

水下节点：包括定位接收机和压力传感器，其中定位接收机包括第三主控系统、综合定位/通信功能的声学接收系统、第一解算模块、第一短消息处理模块；水下节点利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰，恢复期望的定位报文信息；

船基控制中心：为定位辅助系统，部署于信标节点覆盖海域内；包括：携带有短基线水声定位系统，用于实现海底信标节点的位置标定；第二卫星接收机，用于标定船基控制中心的位置；船基接收机，用于监控海面信标节点和海底信标节点的工作状况；所述的船基接收机包括综合定位/通信功能的第三声学收发系统，第二解算模块、第二短消息处理模块；船基控制中心在完成所有海底信标节点的位置标定之后，在信标节点覆盖海域内，通过第三声学收发系统监听特定的信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断海面信标节点和海底信标节点的工作状态；船基控制中心通过移动，间断的监听所有信标节点的工作状况，监控定位系统运行状况；

岸基数据控制中心：用于控制水下节点，通过全球卫星导航系统，下达指令给海面信标节点，海面信标节点再通过报文方式广播给对应的水下节点。

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