CN110907979A - 一种漂浮式基站的水下定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漂浮式基站的水下定位系统，包括浮漂式基站和水下定位装置；其中浮漂上的声源发生器获取GPS定位装置监测的位置信息发送可编码的声波信号；水下定位装置的水听器设置在水下设备的外表面上探测所述声波信号；第二处理器根据水听器接收的声波信号确定声源发生器与水听器间的距离，继而确定所述水下设备的水下位置；本发明可利用已架设的深海浮式风机的浮漂为基站与水下定位装置通过水下声波测距实现定位；浮漂式风机体积较大,可获得精准GPS定位,利于提高水下定位装置的定位精度；不仅解决了所需的供电问题还降低了水下定位装置的基站建造成本，提高隐蔽性。

Description

一种漂浮式基站的水下定位系统

技术领域

本发明涉及水下定位技术领域，具体而言，为一种漂浮式基站的水下定位系统。

背景技术

水下定位是一项十分重要的海洋基础技术，在海洋科考、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋安全等领域有着广泛应用；利用水下定位技术，人们可以在母船上实时掌握着陆器、潜水器等水下载体的精确位置；由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，以声波作为信息载体的水下定位技术成为主要选择；但在幽深的海洋，声波也易受海水中各种杂质的干扰，声波在海水中的传播的速度也受各种不同水文条件的影响,从而导致声波在水下速度的差异,使利用声波定位产生误差，因此想获得水下载体的确切位置，一直是个难题。

目前，世界各国水下战的探测方式正从“平台密集型”向“传感器密集型”转变，即在警戒监视海域内大量布放传感器并组网，各网络节点间通过可靠的通信手段进行数据交换、分发和汇聚，根据多个传感器获取的信息对目标探测、定位、跟踪和分类识，如美国发展的海网(Seaweb)、近海水下持续监视网 (PLUSNet)、深海主动探测系统(DWADS)等多型军用水下网络，美国综合海洋观测计划(OOI)、加拿大海王星海底观测网(NEPTUNE)、日本地震和海啸海底观测密集网(DONET)和欧洲海洋观测网(ESONET)等民用水下网络；水下网络由普通水下传感器节点、UUV(underwater unmanned vehicle，水下无人驾驶运载器，无人驾驶潜水艇)、水面浮标和船上基站等设备组成。常用UUV、滑翔者等已定位的节点(锚节点)，向其他未定位节点传输位置信息，未定位节点根据信息到达时间和贝叶斯准则进行节点位置和范围计算，并将其坐标与检测到的数据一起发送到基站或中央服务器；其缺点是不能直接使用GPS；信道带宽窄，不能使用通信开销大的协议；节点随水流移动；这给水下节点定位带来了极大困难，且水面浮标和船上基站目标大，建造成本也很高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种浮漂式基站的水下定位系统，隐蔽性、可靠性高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种漂浮式基站的水下定位系统，包括浮漂式基站和水下定位装置；其中所述浮漂式基站包括设置在浮式风电机组浮漂上的第一处理器以及电连接和/ 或通信连接第一处理器的GPS定位装置和声源发生器；所述水下定位装置包括第二处理器以及多个水听器，第二处理器与所述水听器电连接；

所述GPS定位装置用于监测所述浮漂的位置信息发送至第一处理器；

第一处理器用于获取所述位置信息发送至所述声源发生器；

所述声源发生器用于设置在水下设备所在水域内，并用于发送可编码的声波信号，所述声波信号中携带有所述位置信息和发送所述声波信号的时间信息；

所述水听器设置在所述水下设备的外表面上，所述水听器用于探测所述声波信号；

所述第二处理器用于根据所述水听器接收的声波信号中的时间信息确定所述声源发生器与所述水听器间的距离，根据所述声波信号中的位置信息以及所述声源发生器与所述水听器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，所述浮漂式基站还包括倾角仪和第一地磁场传感器，倾角仪和第一地磁场传感器均电连接或通信连接所述第一处理器；

所述倾角仪用于采集浮漂的倾斜角度信息；

所述第一地磁场传感器用于采集浮漂的倾斜方向信息；

所述第一处理器还用于接收所述倾斜方向信息并据此和所述位置信息校正所述声源发生器的位置；所述第一处理器还用于接收所述倾斜角度信息并据此确定所述风电机组的风机主干倾斜角度以用于风机主干的角度调整；第一处理器还用于根据所述倾斜角度信息和倾斜方向信息确定基站所处地点的风向，用来给附近风场的其他基站提供预警风向信息。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，所述所述浮漂式基站上还包括电力装置，用于提供该基站所有用电设备及通信传输所需的电力供给。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，所述系统包括多个所述水听器，多个所述水听器分别通过可伸缩部件固定在所述水下设备的外表面上的不同位置处。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，所述第二处理器还用于根据各所述水听器探测到的同一声源发生器发出的声波信号中的时间信息，确定各所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，根据所述同一声源发生器的位置信息以及每个所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，所述声波信号中还携带有所述声波信号的频率信息；

所述第二处理器还用于检测所述水听器接收到的声波信号的频率值，根据检测到的所述频率值和所述声波信号中携带的频率信息，对所述声源发生器与所述水听器间的距离进行补偿处理。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，还包括用于安装在所述水下设备上的第二磁场传感器和/或光电传感器；

所述第二磁场传感器还用于检测由至少一个固定位置处预设的磁性装置产生的磁场；

所述光电传感器还用于检测由至少一个固定位置处预设的光源发射装置发射的光；

所述第二处理器还用于根据检测到的磁场，修正所述水下设备的水下位置；和/或还用于根据检测到的光，修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，还包括用于安装在所述水下设备上的深度传感器、陀螺仪、加速度计中的至少一种传感器；

所述第二处理器还用于：根据深度传感器、陀螺仪、加速度计中至少一种传感器检测到的数据，修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，还包括用于安装在所述水下设备上的GPS定位模块；

所述第二处理器还用于控制所述水下设备或者安装有所述GPS定位模块的部分组件上浮至水面；

所述GPS定位模块用于在所述水下设备或者安装有所述GPS定位模块的部分组件上浮至水面后，获取所述水下设备当前所在水面位置的GPS定位数据；

所述第二处理器还用于根据所述GPS定位数据修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述的漂浮式基站的水下定位系统中，还包括用于安装在所述水下设备上的通信装置，所述通信装置还用于与其他水下设备进行通信，并获取其他水下设备的水下位置；

所述第二处理器还用于根据其他水下设备的水下位置修正所述水下设备的水下位置

本发明的有益效果体现在：

本发明系统中，可利用已架设的深海浮式风机的浮漂为基站，与水下定位装置通过水下声波测距，实现定位；其中，由于浮漂式风机体积较大,可获得精准GPS定位,利于为水下设备定位提供精准的编码/调制信号，提高水下定位装置的精度；设置在浮漂下的声源发生器不仅解决了所需的供电问题，还降低了水下定位装置的基站建造成本，且由于浮漂大型体积的遮挡，提高隐蔽性，适于军民设施融合，降低在公海建造军事设施形成的国际压力---更容易以合乎国际公约的形式大面积铺设基站的建设；且深海浮式风机一般在海域的分布数量较多且密度相对较大，水下设备上的一个或多个水听器均可通过接收可监听范围内的多个声源发生器发出的声波信号至其上的处理器综合计算，利于获得更为精确的定位信息。

此外，本发明的水下定位系统还可以结合磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、GPS定位装置中的一种或多种设备检测到的数据，以及其他水下设备的位置数据，来对通过声源定位得到的水下位置进行修正，以对水下定位结果进行补偿，进一步提高水下定位精度，使得水下设备能够在水下更准确、安全地移动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一种漂浮式基站的水下定位系统一个具体实施例的结构示意图；

图2为图1中所示浮漂式基站的结构逻辑框图；

图3为图1中所示水下定位装置的结构逻辑框图；

图4为图1中水下定位装置的安装示意图；

图5为根据多个水听器和一个声源发生器进行水下定位的原理示意图；

图6为图1中所示风机上距离传感器一个具体实施例的设置示意图。

附图中，

1-基站；10-浮漂；11-声源发生器；12-主干；13-叶片；14-距离传感器； 15-主舱。

2-水下定位装置；20-水下设备；21-水听器；22-水听器；23-水听器；24- 水听器；25-可伸缩部件。

具体实施方式

面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

水听器(hydrophone)又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动(动圈)等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。声压水听器是水声测量中不可少的设备，是被动声呐系统中的核心部分。根据所用灵敏材料的不同，声压水听器可以分为：压电陶瓷声压水听器、PVDF声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

如图1-2所示，一种漂浮式基站的水下定位系统，包括浮漂式基站1和水下定位装置2；其中所述浮漂式基站包括设置在浮式风电机组浮漂10上的第一处理器以及电连接和/或通信连接第一处理器的GPS定位装置和声源发生器11；所述水下定位装置2包括第二处理器以及水听器(21,22,23,24)，第二处理器与所述水听器(21,22,23,24)电连接；

所述GPS定位装置用于监测所述浮漂10的位置信息发送至第一处理器；第一处理器用于获取所述位置信息，通过传输缆线发送至所述声源发生器11；所述声源发生器11用于设置在水下设备20所在水域内，并用于发送可编码的声波信号，即可在其发送的声波信号中添加各类信息，例如，声波信号中可携带有GPS定位装置监测到的位置信息和发送声波信号的时间信息。声源发生器11 可以是水声应答器(acoustic transponders)，也可以是其他能够在水下发出一定频率的声波信号的设备。声源发生器11通过固定部件(如可伸缩杆件等) 连接在基站1(浮式风电机组的浮漂10)下方，并投入到水域中，基站1的电力装置(如储能电池等)通过内置在固定部件中的线缆连接所述声源发生器11 为之提供电能。

GPS定位装置实时获取的位置信息传输到第一处理器经过记录和信号处理后确定当前基站1的位置坐标，再被第一处理器传输至位于水下的声源发生器 11，声源发生器11将位置坐标编写到声波信号中连同发射时间一起发射出去。 GPS是以空中卫星为基础的无线电导航定位技术，由于浮漂式风机整体设施的体积很大,在通过GPS定位装置进行定位时，相较于目标很小的发生器或其他悬浮定位器，能够获得更为精准的GPS实时定位结果，不受深海上复杂环境因素的干扰，可靠性高。

由于水下设备20很多会在深海工作，而由于深海复杂环境的影响，浮式风机设施不需要固定基础，能够降低架设成本，因此本发明水下定位系统可以以已架设好的深海上浮式风机设施的浮漂为基站，降低水下定位系统的构造成本；并且，由于浮式风机整体设施的体积很大，在获得基站供电的同时，位于浮漂 10下的声波发生器能够得到极好的隐蔽，特别适用于军民设施融合应用,降低在公海建造军事设施形成的国际压力---更容易以合乎国际公约的形式大面积铺设基站的建设。

本发明中所述基站一站多用，用于海上风力发电的同时，还为水下定位系统提供定位信息和声波发生器电力，极大地提高了基站的利用率，本发明系统的GPS定位装置和声波发生器等所需的电力均可由基站(即浮漂)上承载的风电机组(简称风机，下同)产生。海上浮式风机设施的浮漂基础不固定，因此会在海浪或海风的作用下发生基础倾斜，增加浮漂上整个风机晃动的幅度和风机折断的风险，为保障风机在深海复杂环境下的稳定运行，所述浮漂上还设有倾角仪和第一地磁场传感器，倾角仪和第一地磁场传感器均电连接或通信连接所述第一处理器。

所述倾角仪用于采集浮漂10的倾斜角度信息；所述第一地磁场传感器用于采集浮漂10的倾斜方向信息；所述第一处理器接收倾斜角度信息来确定所述风机的主干12倾斜角度以用于风机主干12的角度调整；例如第一处理器接收倾角仪采集浮漂10的倾斜角度信息后，根据接收到的这个数据确定量风机主干 12与地球表面垂直角度的偏差，即确定风机主干12倾斜角度，传输至海上浮式风机设施的后台控制端，由后台控制端输出指令调整风机主干12的角度，使之保持平衡。本实施例中，对风机主干12角度的调整可通过驱动控制固定风机主干12的装置实现。

当然进一步的，第一处理器还可接收风机主干12上设置的距离传感器采集的风机叶片13的自由端与该主干12间的距离信息，根据该距离信息确定风机叶片13的自由端与该主干12间的距离值继而发送至上述后台控制端，由后台控制端根据所述风机主干12倾斜角度和所述距离值，确定风机叶片13与主干 12间的安全距离，并输出控制信号至风机调整主干12和/或叶片13的角度，令风机在任何状态下(主干12具有倾斜角度或不倾斜)，主干12与叶片13 之间都保持安全距离，避免在外力作用下，叶片13碰撞主干12造成叶片13 损伤。浮漂10上的风机工作正常运行除对外输出电能外，还能够为水下声波发生器等用电装置设备的电力供给提供有力保障，继而保障水下定位装置的定位稳定，利于其安全地在海下执行海事任务。

本发明中所述距离传感器的一个具体实施例，包括

结合图6，多个距离传感器14呈圆周阵列环绕布设在风机主干12的圆柱面上，在风机主干12的横切面视角下距离传感器的排布方式，图6中的箭头方向表示各个距离传感器14的监测方向，以便监测主舱15处于不同水平偏转角度时，风机叶片13自由端与风机主干12间的距离。因此，在风机叶片13调整到任何水平偏转角度时，都能有若干距离传感器14正对风机叶片13。需要说明的是，每个距离传感器的监测范围是一个圆锥体，保证风机叶片13即使在风力作用下发生形变，其在转动过程中也能够经过距离传感器的监测范围，以触发距离传感器。

距离传感器的监测方向与风机主干12的横截面平行。当然，也可以设置距离传感器的监测方向与风机主干12的横截面成一定的夹角，即距离传感器的监测方向斜向上或斜向下，只要保证风机叶片13在转动过程中能够经过距离传感器的监测范围，以触发距离传感器。其中距离传感器可以为光学距离传感器、超声波距离传感器、射频传感器或磁敏式距离传感器中的任意一种。

并且，海上风场的覆盖的范围较大，包括的风机数量众多，不同位置、不同状态(浮漂有无倾斜)下的风机需要调整的迎风角度是不同的；所述第一地磁场传感器能够探测浮漂10相对地磁场的方向变化，从而测出浮漂相对原始位置的地磁场的偏移方向角度，输出到第一处理器中能够根据偏移方向角度计算出风向；并且第一处理器对接收到的所述浮漂的倾斜角度信息计算处理来确定风速的大小；第一处理器将风向、风速信息传输至后台控制端，后台控制端根据获得的信息输出控制信号至风机，来调整主干和/或叶片的角度使叶片达到最佳迎风角度，降低风机损坏率，提高发电效率。

进一步的，所述第一处理器还可以根据接收到浮漂10倾斜角度信息和倾斜方向信息，对GPS定位装置监测到的所述位置信息进行校正；由于浮漂在海风或海浪作用下发生倾斜时对其上固定的声源发生器11产生细微影响，因此第一处理器可以根据倾斜角度信息和倾斜方向信息对GPS定位装置测到的所述位置信息进行修正，消除浮式浮漂不稳定对声波发生器产生的细微影响，提高水下定位系统的定位精度。

第一处理器还能够根据所述倾斜角度信息和倾斜方向信息确定基站1所处地点的风向，用来给附近风场的其他基站1提供预警风向信息，预警风向信息可被第一处理器传输到后台控制端，由后台控制端与其他基站1的后台控制端无线通信实现；无线通信方式可以是GPRS(通用无线分组业务)/CDMA(是码分多址的英文缩写)、卫星通信等无线传输等，本发明不做唯一限定。第一处理器与所在基站1的后台监控端之间可通过Zig-Bee模块、蓝牙(Bluetooth)模块、无线宽带(Wi-Fi)模块、超宽带(UWB)模块等方式实现。所述倾角仪、第一处理器、第一地磁场传感器、GPS定位装置等均可设置在一连接在浮漂10底部的密闭腔体内，以避免受到海水侵蚀，利于保证监测系统稳定工作。

如图1、3所示的，第二处理器与水听器(21,22,23,24)电连接，水听器 (21,22,23,24)设置在水下设备20的外表面上，第二处理器可设置在水下设备 20内部。水听器(21,22,23,24)用于探测声源发生器11发送的声波信号。第二处理器根据水听器(21,22,23,24)接收的声波信号中的时间信息确定声源发生器11与水听器(21,22,23,24)间的距离，根据声波信号中的位置信息以及声源发生器11与水听器间的距离，确定水下设备20的水下位置。具体地，水听器接收到声波信号的时刻和该声波信号携带的时间信息之间的差值即为该声波信号在水中传播的时间，声波信号在水中传播的时间乘以声波信号在水中的速度就得到了声源发生器11与水听器间的距离；然后，根据水听器在水下设备20上的位置，进一步确定声源发生器11与水下设备20的距离，或者，当水听器与水下设备20之间的距离差值的数量级远小于声源发生器 11与水听器1间的距离的数量级时，可直接将声源发生器11与水听器间的距离作为声源发生器11与水下设备20间的距离。

具体实施时，水下设备20上可设置一个或多个水听器。当同一水下设备 20上设置多个水听器(21,22,23,24)时，各个水听器可分别设置在水下设备20 的外表面上的不同位置处。当水下设备只能收到一个基站信息的时候，为保障定位准确，水下设备至少需要4个水听器；水听器越多，定位精度越高。同样, 固定水听器数目的前提下，收到信号的基站越多，也同样提高定位精度；由于水下水文参数的分布差异，会造成声波传输速度的差异，从而产生定位误差.越多信息，可以取平均值，来减少定位误差。

由于且深海浮式风机一般在海域的分布数量较多且密度相对较大，水下设备20上的一个或多个水听器均可通过接收可监听范围内的多个声源发生器11 发出的声波信号至其上的处理器综合计算，利于获得更为精确的定位信息。因此当水下设备20上的至少一个水听器能够正常接收到多个声源发生器11发出的声波信号时，针对每个水听器接收的声波信号，第二处理器作如下处理：根据各个声源发生器11发出的声波信号中的时间信息，确定各个声源发生器11 与水听器间的距离，根据各个声源发生器11的位置信息以及各个声源发生器 11与水听器间的距离；然后根据水听器在水下设备20上的位置，进一步确定各个声源发生器11与水下设备20的距离，或者，当水听器水下设备20之间的距离差值的数量级远小于声源发生器11与水听器间的距离的数量级时，可直接将各个声源发生器11与水听器间的距离作为各个声源发生器11与水下设备20 间的距离；接着，根据各个声源发生器11的位置信息(即在水中的空间坐标) 以及各个声源发生器11与水下设备20间的距离，确定水下设备20的水下位置，具体地，可利用空间定位的方法确定水下设备20的水下位置，定位原理可参考GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位的方法，在此不再赘述。如果有多个水听器接收到声波信号，可将通过多个水听器得到的水下位置进行取平均操作，将取平均后的水下位置作为该水下设备20最终的水下位置，以降低系统误差。

当水下设备20上的水听器仅能够接收到一个声源发生器11发出的声波信号时，第二处理器作如下处理：根据各水听器探测到的同一声源发生器11发出的声波信号中的时间信息，确定各水听器与该声源发生器11间的距离，根据该声源发生器11的位置信息以及每个水听器与该声源发生器11间的距离，确定水下设备20的水下位置。具体方式采用类似于立体视觉定位的方法，实现根据该声源发生器11的位置信息以及各个水听器与该声源发生器11间的距离确定水下设备20的水下位置，如图3-5所示，假设水听器21与声源发生器11之间的距离为R1，水听器22与声源发生器11之间的距离为R2，水听器23与声源发生器11之间的距离为R3，水听器24与声源发生器11之间的距离为R4，则以水听器21为圆心，R1为半径得到第一球面，以水听器22为圆心，R2为半径得到第二球面，以水听器23为圆心，R3为半径得到第三球面，以水听器24为圆心，R4为半径得到第四球面，第一球面、第二球面、第三球面和第四球面相交的点即为声源发生器11的位置，即可确定声源发生器11与水下设备205的相对空间位置，已知声源发生器11在实际空间中的位置信息，即可反推得到水下设备20的水下位置。本实施例中，同一水下设备上至少需要三个水听器才能确定水下设备20的水下位置。

因此，本实施例的水下导航定位系统还可以利用多个水听器检测同一声源发生器11发出的声波信号，从而仅利用一个声源发生器11进行水下定位。针对同一水下设备20，其上设置的多个水听器1之间的间隔距离越大，定位精度越高。

本实施例中的水下设备20包括但不限于：有人潜水设备或水下无人自主航行器(UAV，unmanned aerial vehicle)等。

本实施例的水下定位系统，能够提高水下定位的精度和可靠性，尤其适用于深海环境下的水下导航定位。

具体实施时，各个声源发生器11和水下设备的第二处理器2使用的时钟同步，为了提高时钟的同步性，可使用原子钟。

进一步地，如图4所示，本实施例的水下导航定位系统包括的多个水听器 1分别通过可伸缩部件25固定在水下设备20的外表面上的不同位置处。

此外，声波信号在水和固体中传递的速度不同，因此，如果水听器1直接与水下设备20的外表面相连，会导致水听器1先后两次检测到同一声波信号。水听器1和水下设备20的外表面分别通过可伸缩部件25连接后，增加了声波信号通过外表面传播到水听器1的距离，同时减少了水听器1与外表面的接触面积，大大削弱通过外表面传播过来的声波信号的强度，使得水听器1无法检测到通过外表面传播过来的声波信号。

进一步地，声波信号中还携带有声波信号的频率信息。例如，声源发生器 11发射的声波信号的频率是3000KHz，则将3000KHz这一频率信息添加到发射的声波信号，第二处理器2在收到声波信号后，即可解码得到该声波信号的发射时的原始频率为3000KHz。声波信号在水中传输时，难免会遇到洋流等特殊情况，由于多普勒效应导致信号的传输速率发生变化，从而导致根据时间信息计算得到的声源发生器11与水听器间的距离发生偏移。为解决上述情况，可利用多普勒原理，根据信号频率的偏移确定距离的偏移，从而对偏移的距离值进行补偿，得到准确的距离值。具体的，第二处理器2还用于：检测水听器接收到的声波信号的频率值，利用多普勒效应，根据检测到的频率值和声波信号中携带的频率信息，对声源发生器11与水听器间的距离进行补偿处理。然后，利用经过补偿处理后的距离值计算水下设备的水下位置，提高定位准确度。

进一步地，水下设备20上还安装了第二磁场传感器，第二磁场传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的磁性装置产生的磁场。相应地，第二处理器 2还用于根据检测到的磁场，修正水下设备20的水下位置。

第二磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。第二处理器2根据检测到的磁场的强度等信息，确定水下设备20与磁性装置之间的距离，并结合磁性装置的位置信息，修正水下设备20的水下位置。

具体实施时，磁性装置可以是永磁体或电动磁场。布设磁性装置的具体位置可根据实际情况进行设置，磁性装置可通过锚、浮漂等固定在水中的指定位置处，或者可固定在水下的固定物体上，如输油管道、工程结构等，磁性装置还可以固定在珊瑚礁或岛上等。第二磁场传感器可选用三轴磁传感器。

在一步地，水下设备20上还安装了光电传感器，光电传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的光源发射装置发射的光。相应地，第二处理器2还用于根据检测到的光，修正水下设备20的水下位置。

光电传感器是可以将光信号转变成电信号输出的装置。第二处理器2根据光电传感器检测到的光的强度、波长等信息，确定水下设备20与光源发射装置之间的距离，并结合光源发射装置的位置信息，修正水下设备20的水下位置。

具体实施时，光源发射装置可以是LED光源或VCSEL(垂直腔面发射激光器)光源，可选择发射波长在420纳米至520纳米范围内的光源发射装置。布设光源发射装置的具体位置可根据实际情况进行设置，光源发射装置可通过锚、浮漂等固定在水中的指定位置处，或者可固定在水下的固定物体上，如输油管道、工程结构等。

进一步地，水下设备20上还安装了深度传感器、陀螺仪、加速度计中的至少一种传感器。相应地，第二处理器2还用于根据深度传感器、陀螺仪、加速度计中至少一种传感器检测到的数据，修正水下设备20的水下位置。通过深度传感器可确定水下设备20距离水面的深度，通过陀螺仪和/或加速度计可确定水下设备20行驶过程中的相对位置。

具体实施时，深度传感器可以是压力传感器，陀螺仪可选择三轴陀螺仪、加速度计可选用三轴加速度计。

进一步地，水下设备20上还安装了GPS定位模块。第二处理器2还用于控制水下设备20或者安装有GPS定位模块的部分组件上浮至水面。在水下设备 20或者安装有GPS定位模块的部分组件上浮至水面后，GPS定位模块用于获取水下设备20当前所在水面位置的GPS定位数据。然后，第二处理器2还用于根据GPS定位数据修正水下设备20的水下位置。

本实施例中，水下设备20或者安装有GPS定位模块的部分组件从水下垂直上浮至水面。

进一步地，水下设备20上还安装了通信装置，通信装置用于与其他水下设备20进行通信，并获取其他水下设备20的水下位置。

相应地，第二处理器2还用于根据其他水下设备20的水下位置修正水下设备20的水下位置。

进一步地，当水下设备20上浮至水面后，GPS定位模块用于获取水下设备 20当前所在水面位置的GPS定位数据，此时，通信装置还用于将水下设备的水下位置5和GPS定位数据发送给信号转发设备，信号转发设备用于将水下设备 20的水下位置和GPS定位数据转发给其他未进入水下服役的水下设备，以使其他未进入水下服役的水下设备根据水下设备20的水下位置和GPS定位数据的误差修正其他未进入水下服役的水下设备的水下位置。

水下位置可以由水平坐标X、Y以及深度坐标H三个分量组成，水下位置记为(X，Y，H)，深度坐标H为水下设备距离水面的深度。假设水下设备A的水下位置为(X1，Y1，H1)，则水下设备A对应的水面位置的坐标为(X1，Y1)，而水下设备A垂直上浮后GPS定位模块测量得到的GPS定位数据为(X2，Y2)，则可以确定设备A真实的水面位置为(X2，Y2)，这是由于水下导航定位系统的引起的误差，将(X1，Y1)和(X2，Y2)的差值作为系统误差，此时，水下设备B可以根据(X1，Y1)和(X2，Y2)得到的系统误差修正水下设备B的水平坐标X、Y。

具体实施时，通信装置可以和GPS定位模块一起安装在部分组件中。当安装有GPS定位模块和通信装置的部分组件上浮至水面后，GPS定位模块用于获取水下设备20当前所在水面位置的GPS定位数据，此时，通信装置还用于将水下设备的水下位置5和GPS定位数据发送给信号转发设备，信号转发设备用于将水下设备20的水下位置和GPS定位数据转发给其他未进入水下服役的水下设备，以使其他未进入水下服役的水下设备根据水下设备20的水下位置和GPS 定位数据的误差修正其他未进入水下服役的水下设备的水下位置。

本实施例中，信号转发设备可以是岸基定位指挥中心设备，岸基定位指挥中心设备可设置在水域周围的陆地、小岛、水上平台等位置。

本实施例的水下定位系统，还可以结合第二磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、GPS定位模块中的一种或多种设备检测到的数据，以及其他水下设备20的位置数据，来对通过声源定位得到的水下位置进行修正，以对系统误差进行补偿，进一步提高水下定位精度，使得水下设备20 能够在水下更准确、安全地移动。

本实施例的水下定位系统除了能够应用于有人潜水设备和水下无人自主航行器以外，还同样适用于潜水员在水下的定位，以提高潜水时的安全性。此时，水下设备20可以是潜水员身上携带的装备，即将水听器1、处理器2集成在装备上，同样该装备上还可以集成磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、GPS定位模块或通信装置等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：包括浮漂式基站和水下定位装置；其中所述浮漂式基站包括设置在浮式风电机组浮漂上的第一处理器以及电连接和/或通信连接第一处理器的GPS定位装置和声源发生器；所述水下定位装置包括第二处理器以及水听器，第二处理器与所述水听器相连接；

所述GPS定位装置用于监测所述浮漂的位置信息发送至第一处理器；

第一处理器用于获取所述位置信息发送至所述声源发生器；

所述声源发生器用于设置在水下设备所在水域内，并用于发送可编码的声波信号，所述声波信号中携带有所述位置信息和发送所述声波信号的时间信息；

所述水听器设置在所述水下设备的外表面上，所述水听器用于探测所述声波信号；

所述第二处理器用于根据所述水听器接收的声波信号中的时间信息确定所述声源发生器与所述水听器间的距离，根据所述声波信号中的位置信息以及所述声源发生器与所述水听器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

2.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：所述浮漂式基站还包括倾角仪和第一地磁场传感器，倾角仪和第一地磁场传感器均电连接或通信连接所述第一处理器；

所述倾角仪用于采集浮漂的倾斜角度信息；

所述第一地磁场传感器用于采集浮漂的倾斜方向信息；

所述第一处理器还用于接收所述倾斜方向信息并据此和所述位置信息校正所述声源发生器的位置；所述第一处理器还用于接收所述倾斜角度信息并据此确定所述风电机组的风机主干倾斜角度以用于风机主干的角度调整；第一处理器还用于根据所述倾斜角度信息和倾斜方向信息确定基站所处地点的风向，用来给附近风场的其他基站提供预警风向信息。

3.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：所述所述浮漂式基站上还包括电力装置，用于提供该基站所有用电设备及通信传输所需的电力供给。

4.根据权利要求1-3任一项所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：所述系统包括多个所述水听器，多个所述水听器分别通过可伸缩部件固定在所述水下设备的外表面上的不同位置处。

5.根据权利要求4所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：所述第二处理器还用于根据各所述水听器探测到的同一声源发生器发出的声波信号中的时间信息，确定各所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，根据所述同一声源发生器的位置信息以及每个所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

6.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：所述声波信号中还携带有所述声波信号的频率信息；

所述第二处理器还用于检测所述水听器接收到的声波信号的频率值，根据检测到的所述频率值和所述声波信号中携带的频率信息，对所述声源发生器与所述水听器间的距离进行补偿处理。

7.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：还包括用于安装在所述水下设备上的第二磁场传感器和/或光电传感器；

所述第二磁场传感器还用于检测由至少一个固定位置处预设的磁性装置产生的磁场；

所述光电传感器还用于检测由至少一个固定位置处预设的光源发射装置发射的光；

所述第二处理器还用于根据检测到的磁场，修正所述水下设备的水下位置；和/或还用于根据检测到的光，修正所述水下设备的水下位置。

8.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：还包括用于安装在所述水下设备上的深度传感器、陀螺仪、加速度计中的至少一种传感器；

所述第二处理器还用于：根据深度传感器、陀螺仪、加速度计中至少一种传感器检测到的数据，修正所述水下设备的水下位置。

9.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：还包括用于安装在所述水下设备上的GPS定位模块；

所述第二处理器还用于控制所述水下设备或者安装有所述GPS定位装置的部分组件上浮至水面；

所述GPS定位模块用于在所述水下设备或者安装有所述GPS定位模块的部分组件上浮至水面后，获取所述水下设备当前所在水面位置的GPS定位数据；

所述第二处理器还用于根据所述GPS定位数据修正所述水下设备的水下位置。

10.根据权利要求1所述的漂浮式基站的水下定位系统，其特征在于：还包括用于安装在所述水下设备上的通信装置，所述通信装置还用于与其他水下设备进行通信，并获取其他水下设备的水下位置；

所述第二处理器还用于根据其他水下设备的水下位置修正所述水下设备的水下位置。

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