CN110488333A - 一种水下目标定位系统及定位方法 - Google Patents

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王鉴
李璇
牛晓东
张海涛
刘婷
李强
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Abstract

本发明涉及一种水下目标定位系统及定位方法,定位系统包括多个节点、声呐传感器以及设置在节点内的定位装置;多个节点布设于水面上形成漂浮式节点集群;声呐传感器通过线缆与漂浮式声呐节点连接,根据事先要求下潜到水下一定深度;定位装置用于获取各节点的位置信息,各节点通过无线通信,向其余节点通报自己所在位置;各节点下方的声呐传感器用于探测水下目标发出的信号。本发明通过在水面随机布设大量漂浮式节点,能够节省大量的人力成本,同时,北斗通信模块进行粗定位的基础上,通过FPGA主控模块,能够实现ms级的快速实时解算,能够快速解算出节点当时所处的实时位置,使得节点自定位精度显著提升,从而能够实时精确获得水下目标的位置。

Description

一种水下目标定位系统及定位方法
技术领域
本发明属于水下目标探测技术领域,具体涉及一种水下目标定位系统及定位方法。
背景技术
近年来,以潜艇为主的水下目标潜伏并抵近我近海进行侦察事件时有发生,严重侵犯我海疆,进而对我国的国防以及领土安全造成一定威胁。如何快速准确探测潜艇等水下目标已经成为各国关注的重点。
目前,国内外主要采用拖曳式声呐以及反潜直升机或巡逻机对水下目标进行定位,然而由于上述设备造价昂贵,布设及回收困难,且技术开发难度大,世界上只有为数不多的国家具备对潜艇的探测与追踪能力。。
发明内容
本发明提供一种水下目标定位系统及定位方法,通过在监测海域部署大量低成本、易布设的漂浮式节点,在实时获取随机阵列各节点相对位置信息的基础上,通过波束形成技术对远程微弱信号进行能量聚焦,进而完成对水下目标的实时、可靠精确探测与定位。
为了解决以上技术问题,本发明提供了一种水下目标定位系统,其特征在于:包括多个节点1、声呐传感器2以及设置在节点内的定位装置3;多个节点布设于水面6上形成漂浮式节点集群;声呐传感器通过线缆4与漂浮式声呐节点连接,根据事先要求下潜到水下一定深度;定位装置3用于获取各节点的位置信息,各节点通过无线通信,向其余节点通报自己所在位置;各节点下方的声呐传感器用于探测水下目标发出的信号。
所述定位装置包括FPGA主控模块、太阳能锂电池、北斗通信模块、信号处理模块以及三轴加速度传感器;太阳能锂电池能够为整套系统供电;北斗通信模块用于获取节点的授时信息及粗略位置信息;三轴加速度传感器用于获取节点移动所产生的X,Y,Z轴三个方向的加速度模拟信号;通过信号处理模块将声呐传感器及三轴加速度传感器接收到的模拟信号进行滤波降噪处理并通过A/D转换,形成数字信号并发送给FPGA主控模块,FPGA主控模块用于将三轴加速度数字信号合成,并对其进行双重积分运算,获取节点的位移信号,在北斗通信模块获取的节点授时信息及粗略位置信息的基础上,得到节点的具体位置。
一种水下目标定位方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、将声呐传感器通过线缆与节点连接,定位装置设置在节点内部后,将节点通过抛撒方式布设于水面上形成漂浮式节点集群;
S2、通过定位装置的北斗通信模块获取各节点授时信息、粗略位置信息;
S3、通过三轴加速度传感器获取节点加速度信号,声呐传感器获取水下目标信号;
S4、通过信号处理模块对S3获取的信号进行处理并发送给FPGA主控模块;
S5、通过FPGA主控模块对三轴加速度信号进行处理,得到节点的位移信号,结合在S2获取的粗定位信息,得到节点的具体位置;
S6、各节点通过无线通信获取其余节点的具体位置,利用漂浮式节点集群中各节点下方的声呐传感器,对水下目标进行定位。
有益效果:本发明通过在水面随机布设大量漂浮式节点,能够节省大量的人力成本,在无人干预的情况下,实现对水下目标的探测定位;同时,利用水面漂浮式节点集群对水下目标进行定位过程中,漂浮式节点不受气候影响,能够24小时全天候实现实时监测。
同时,由于漂浮式节点内部的FPGA主控模块能够实现ms(毫秒)级甚至更高的运算速度,在北斗通信模块进行粗定位的基础上,利用集成于FPGA内的自定位算法,能够实现ms(毫秒)级的快速实时解算,能够快速解算出节点当时所处的实时位置,使得节点自定位精度显著提升,从而能够实时精确获得水下目标的位置。
附图说明
图1为本发明的漂浮式声呐节点浮球装置结构示意图
图2为本发明的漂浮式声呐节点定位工作流程图
图3为本发明的漂浮式声呐节点定位算法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出的一种水下目标定位系统,包括多个节点1、声呐传感器2以及设置在节点内的定位装置3;节点通过抛撒方式布设于水面6上形成漂浮式节点集群;所述节点为一种圆形浮球,采用透明亚克力材质,浮球漂浮于水面时,各接触面受力均匀,能够稳定浮于水面;
所述定位装置包括FPGA主控模块、太阳能锂电池、北斗通信模块、信号处理模块以及三轴加速度传感器;
其中,太阳能锂电池能够依靠太阳照射自行充电,为整套系统长期稳定运行提供电量支持。
声呐传感器通过线缆4与漂浮式声呐节点连接,根据事先要求下潜到水下一定深度h,深度可调;在使用过程中,根据实际需求,通过线缆将声呐传感器下放到固定深度,用于获取水下目标的三维立体信号。
北斗通信模块完成节点的粗定位:以短报文方式与北斗卫星建立通信机制,获取节点的授时信息及粗略位置信息;
在完成粗定位的基础上,通过三轴加速度传感器获取漂浮式声呐节点受风浪影响移动所产生的X,Y,Z轴三个方向的加速度模拟信号;通过信号处理模块将声呐传感器及三轴加速度传感器接收到的模拟信号进行滤波降噪处理并通过A/D转换,将模拟信号转换成数字信号并发送给FPGA主控模块,FPGA主控模块将三轴加速度数字信号合成,并对其进行双重积分运算,快速获取节点的位移信号,完成节点的细定位;通过北斗通信模块获取节点的授时信息及粗略位置信息的基础上,与细定位相互配合,最终实现节点的准确快速定位。
各节点通过浮球外部天线5进行无线通信,以广播的形式向其余节点通报自己所在位置,在漂浮式节点集群中各节点具体位置精确定位的基础上,利用漂浮式节点集群中各节点下方的声呐传感器,通过波束形成方法对水下目标进行定位。
一种水下目标定位方法,具体包括以下步骤:
S1、节点下水,开始工作:将声呐传感器通过线缆与节点连接,将定位装置设置在节点内部,将节点通过抛撒方式布设于水面上形成漂浮式节点集群;各漂浮式声呐节点一旦下水,太阳能锂电池开启供电模式,为节点各模块稳定运行提供电量;且由于节点为透明亚克力材质,在晴天,太阳能锂电池能够通过太阳照射持续充电,使得整套系统长期稳定运行;
S2、定位装置的北斗通信模块工作,获取各节点授时信息、粗略位置信息:各漂浮式节点内的北斗通信模块通过短报文方式与北斗卫星进行通信,获取各节点的当下授时信息与粗略位置信息,进行粗定位;同时,由于漂浮式节点与北斗卫星通信时,通信频率大约为5s/次,数据刷新率较慢,在此时间内,节点受风浪实时移动,导致节点位置无法准确定位,因此需要在粗定位的基础上进行细定位;
S3、通过三轴加速度传感器获取节点加速度信号,声呐传感器获取水下目标信号:节点每与卫星通信一次,在获取节点授时信息和粗略位置信息时,即刻触发三轴加速度传感器工作,快速获取节点受风浪影响实时移动产生的加速度信号,而声呐传感器则不受触发信号的限制,可以实时探测水下目标发出的微弱信号;
S4、通过信号处理模块对S3获取的信号进行处理:由于传感器接收到的信号为模拟信号且伴随有各类噪声,通过信号处理模块对接收到的信号进行滤波去燥处理,而后对其进行A/D转换,将滤波处理后的模拟信号转换成数字信号,发送给FPGA主控模块对数字信号进行处理;
S5、利用FPGA主控模块对漂浮式声呐节点进行定位:当信号处理模块对信号进行处理后,将数字信号通过FPGA接口传送道FPGA主控模块,对节点进行细定位,具体包括以下步骤:
S501、对三轴加速度数字信号进行合成:首先对X、Y、Z三轴加速度数字信号ax,ay,az,进行合成
S502、获取速度信号:在对加速度信号进行求解的基础上,对其进行积分运算,获取节点随风浪漂移的速度信号Δv,
S503、获取节点的位移信号:在获得节点速度信号的基础上,对其进行积分运算,进而获取节点实时的运动轨迹,即节点的位移信号Δs,
S504、在S2获取的粗定位信息的基础上,完成节点的细定位,进而确定漂浮式节点的准确位置;
S6、各节点通过浮球外部天线进行无线通信,以广播的形式向其余节点通报自己所在位置,在漂浮式节点集群中各节点具体位置精确定位的基础上,利用漂浮式节点集群中各节点下方的声呐传感器,通过现有的波束形成方法对水下目标进行定位。

Claims (10)

1.一种水下目标定位系统,其特征在于:包括多个节点、声呐传感器以及设置在节点内的定位装置;多个节点布设于水面上形成漂浮式节点集群;声呐传感器通过线缆与漂浮式声呐节点连接,根据事先要求下潜到水下一定深度;定位装置用于获取各节点的位置信息,各节点通过无线通信,向其余节点通报自己所在位置;各节点下方的声呐传感器用于探测水下目标发出的信号。
2.根据权利要求1所述的一种水下目标定位系统,其特征在于:多个节点通过抛撒方式布设于水面。
3.根据权利要求1所述的一种水下目标定位系统,其特征在于:所述节点为一种圆形浮球。
4.根据权利要求3所述的一种水下目标定位系统,其特征在于:节点采用透明亚克力材质。
5.根据权利要求1所述的一种水下目标定位系统,其特征在于:各节点通过外部天线5进行无线通信,以广播的形式向其余节点通报自己所在位置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种水下目标定位系统,其特征在于:所述定位装置包括FPGA主控模块、太阳能锂电池、北斗通信模块、信号处理模块以及三轴加速度传感器;
太阳能锂电池能够为整套系统供电;北斗通信模块用于获取节点的授时信息及粗略位置信息;
三轴加速度传感器用于获取节点移动所产生的X,Y,Z轴三个方向的加速度模拟信号;通过信号处理模块将声呐传感器及三轴加速度传感器接收到的模拟信号进行滤波降噪处理并通过A/D转换,形成数字信号并发送给FPGA主控模块,FPGA主控模块用于将三轴加速度数字信号合成,并对其进行双重积分运算,获取节点的位移信号,在北斗通信模块获取的节点授时信息及粗略位置信息的基础上,得到节点的具体位置。
7.一种水下目标定位方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、将声呐传感器通过线缆与节点连接,定位装置设置在节点内部后,将节点通过抛撒方式布设于水面上形成漂浮式节点集群;
S2、通过定位装置的北斗通信模块获取各节点授时信息、粗略位置信息;
S3、通过三轴加速度传感器获取节点加速度信号,声呐传感器获取水下目标信号;
S4、通过信号处理模块对S3获取的信号进行处理并发送给FPGA主控模块;
S5、通过FPGA主控模块对三轴加速度信号进行处理,得到节点的位移信号,结合在S2获取的粗定位信息,得到节点的具体位置;
S6、各节点通过无线通信获取其余节点的具体位置,利用漂浮式节点集群中各节点下方的声呐传感器,对水下目标进行定位。
8.根据权利要求7所述的一种水下目标定位方法,其特征在于,S2中,各漂浮式节点内的北斗通信模块通过短报文方式与北斗卫星进行通信,获取各节点的当下授时信息与粗略位置信息,进行粗定位。
9.根据权利要求7所述的一种水下目标定位方法,其特征在于,S3中,节点每与卫星通信一次,获取节点授时信息和粗略位置信息时,则触发三轴加速度传感器工作,获取节点实时移动产生的加速度信号。
10.根据权利要求7-9任一项所述的一种水下目标定位方法,其特征在于,
S5具体包括以下步骤:
S501、对三轴加速度数字信号进行合成:首先对X、Y、Z三轴加速度数字信号ax,ay,az,进行合成
S502、获取速度信号:在对加速度信号进行求解的基础上,对其进行积分运算,获取节点随风浪漂移的速度信号Δv,
S503、获取节点的位移信号:在获得节点速度信号的基础上,对其进行积分运算,进而获取节点实时的运动轨迹,即节点的位移信号Δs,
S504、在S2获取的粗定位信息的基础上,完成节点的细定位,进而确定漂浮式节点的具体位置。
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