CN111060913B - 一种主被动兼容水声定位系统 - Google Patents

一种主被动兼容水声定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种主被动兼容水声定位系统，包括4个潜标组网设备和1个潜标定位终端；所述潜标组网设备与潜标定位终端均包括潜标、电池组，所述潜标与电池组固定连接；所述潜标包括电子舱以及分别位于电子舱两端的收发合置水声换能器和深度计，收发合置水声换能器配置为发送与接收7～11kHz水声信号，深度计配置为获取潜标的深度信息；所述潜标组网设备还包括浮标。本发明在一套系统中同时满足水下目标自主发声时的主动定位需求和隐蔽不发声时的被动定位需求，采用多种通信方式，能满足系统跟岸基系统的连通性、经济性等多种需求，部署在近海时，可采用经济的无线通信方式与岸基进行通信；部署在中远海时，可采用卫星通信方式与岸基进行通信。

Description

一种主被动兼容水声定位系统
技术领域
本发明涉及水声定位技术领域，具体涉及一种主被动兼容水声定位系统。
背景技术
为了响应国家“深海进入、深海探测、深海开发”战略，解决水下UUV等目标主动定位需求和己方水下特定目标被动定位导航需求，需要研制水下通信导航主被动定位系统，构建深海百平方公里级水下定位、导航和通信一体化组网系统。
发明内容
为了满足多场景的定位需求，以及不同场景下岸基系统可靠获取水下目标位置信息的需求，本发明提供了一种主被动兼容水声定位系统，首次在单套系统中同时解决水下目标自主发声时的主动定位需求和隐蔽不发声时的被动定位需求，综合运用水声通信、水声组网、卫星通信、无线通信等多种通信手段。所采用的技术方案如下：
一种主被动兼容水声定位系统，包括4个潜标组网设备和1个潜标定位终端；所述潜标组网设备与潜标定位终端均包括潜标、电池组，所述潜标与电池组固定连接；所述潜标包括电子舱以及分别位于电子舱两端的收发合置水声换能器和深度计，收发合置水声换能器配置为发送与接收7～11kHz水声信号，深度计配置为获取潜标的深度信息；所述电子舱内设置数字信号处理单元以及连接到数字信号处理单元的协议处理板、模拟接收单元、功率发射板；所述收发合置水声换能器通过收发转换及匹配板与模拟接收单元及功率发射板连接；模拟接收单元配置为对接收到的7～11kHz水声信号进行模拟调理；功率发射板配置为对收发合置水声换能器的发射电路进行功率驱动；收发转换及匹配板配置为对收发合置水声换能器的接收、发射电路进行隔离和切换，并对功率发射板与发射电路进行阻抗匹配；所述潜标组网设备还包括浮标，浮标挂载到所述潜标上，配置为提供GPS位置信息和无线通信功能；所述浮标、深度计均通过协议处理板与数字信号处理单元连接；协议处理板配置为对浮标的GPS位置信息、潜标的深度信息按照协议进行打包处理；数字信号单元配置为对7～11kHz水声信号进行解码处理和对协议处理板打包处理信息进行编码。
具体地，所述系统工作在主动定位模式和被动定位模式；主动定位模式时，潜标组网设备处于低功耗监听状态；被动定位模式时，潜标定位终端处于隐蔽式接收状态。
主动定位模式时，目标上安装的潜标定位终端主动发射脉冲信号，周边水域布放的潜标组网设备将收到的脉冲信号转发给岸基系统，由服务器解算出目标位置，再通过指控系统把目标位置通过水声发送给目标，完成主动定位。
被动定位模式时，己方水下特定目标航行过程中，周边水域布放的潜标组网设备向己方水下特定目标发射脉冲信号，己方水下特定目标上的潜标定位终端在收到发射脉冲信号后，通过终端嵌入式系统解算自身位置，完成被动定位。
具体地，当系统部署在近海时，采用无线通信方式与岸基系统进行通信；当系统部署在中远海时，采用卫星通信方式与岸基系统进行通信。
可选的，所述系统还包括电源管理模块，用于对外部电池组24V供电电压进行电压转换。
具体地，潜标与电池组通过安装架实现固定连接，所述安装架上设置挂载点，用于挂载所述浮标。
具体地，服务器通过以下公式解算出目标位置：
Figure BSA0000195757930000021
其中，x0、y0、z0为目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与目标的距离，T0为主动定位模式下目标上的潜标定位终端脉冲信号发出的时刻，Tn为潜标组网设备收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4。
具体地，终端嵌入式系统通过以下公式解算自身位置：
Figure BSA0000195757930000022
其中，x0、y0、z0为己方水下特定目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与己方水下特定目标的距离，T0为被动定位模式下潜标组网设备脉冲信号发出的时刻，Tn为己方水下特定目标上的潜标定位终端收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4。
可选的，所述目标为UUV。
本发明的有益效果为：本发明提供的主被动兼容水声定位系统，能够在一套系统中同时满足水下目标自主发声时的主动定位需求和隐蔽不发声时的被动定位需求，主动定位模式时，潜标组网设备处于低功耗监听状态，能够保证系统的长时间续航服务；被动定位模式时，潜标定位终端处于隐蔽式接收状态，能够保证己方水下特定目标在隐蔽状态下完成自身定位导航；采用多种通信方式，能满足系统跟岸基系统的连通性、经济性等多种需求，当系统部署在近海时，可采用经济的无线通信方式与岸基进行通信；当系统部署在中远海时，可采用卫星通信方式与岸基进行通信。
附图说明
图1为本发明提供的潜标组网设备结构框图；
图2为本发明提供的潜标组网设备的潜标外观图；
图3为主动定位模式工作示意图；
图4为被动定位模式工作示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种主被动兼容水声定位系统，包括4个潜标组网设备和1个潜标定位终端(参见图3、图4)。5个所述潜标组网设备与潜标定位终端均包括潜标、电池组、电源管理模块，所述潜标通过安装架与电池组固定连接(参见图2)。所述潜标包括电子舱以及分别位于电子舱两端的收发合置水声换能器和深度计，收发合置水声换能器配置为发送与接收7～11kHz水声信号，深度计配置为获取潜标的深度信息。参见图1，所述电子舱内设置数字信号处理单元以及连接到数字信号处理单元的协议处理板、模拟接收单元、功率发射板；所述收发合置水声换能器通过收发转换及匹配板与模拟接收单元及功率发射板连接；模拟接收单元配置为对接收到的7～11kHz水声信号进行模拟调理；功率发射板配置为对收发合置水声换能器的发射电路进行功率驱动；收发转换及匹配板配置为对收发合置水声换能器的接收、发射电路进行隔离和切换，并对功率发射板与发射电路进行阻抗匹配。所述电源管理模块用于对外部电池组24V供电电压进行电压转换，提供接收协议处理板及数字信号处理单元工作电源和电源使能。参见图1，所述潜标组网设备还包括浮标，浮标通过挂载点挂载到所述潜标上实现重力承载，浮标与潜标之间通过电缆进线通信，浮标配置为提供GPS位置信息和无线通信功能。所述浮标、深度计均通过协议处理板与数字信号处理单元连接。协议处理板配置为对浮标的GPS位置信息、潜标的深度信息按照协议进行打包处理，并能够接收和发送用户的控制指令。数字信号单元配置为对7～11kHz水声信号进行解码处理和对协议处理板打包处理信息进行编码。
所述系统工作在主动定位模式和被动定位模式。主动定位模式下，系统通过测量水下目标终端设备发射的脉冲信号达到潜标组网设备的传播时延或时延差，采用水声网络定位方法得到信号发射时刻水下目标的相对或绝对坐标；被动定位模式下，己方水下特定目标通过测量系统发射的脉冲信号达到己方水下特定目标的传播时延或时延差，采用球面或双曲面交汇的方法得到信号发射时刻己方水下特定目标的相对或绝对坐标。主被动定位模式可通过指控信号的命令进行切换。
参见图3，本发明实施例提供了主被动兼容水声定位系统的主动定位方法，包括如下步骤：
a.UUV等目标上的潜标定位终端将水声信号发送时刻的时间、深度、终端ID经过协议处理板进行打包处理；通过潜标定位终端的数字信号处理单元将打包信息进行加密编码；编码信息通过功率发射板发送给收发合置水声换能器。
b.收发合置水声换能器的发射电路将电信号转换为声信号，通过水声通信向周边水域布放的4个潜标组网设备进行1对4脉冲信号发射动作。
c.各潜标组网设备的收发合置水声换能器的接收部分在收到信号后，将声信号转换为电信号；电信号先经过模拟接收单元进行预处理，然后利用数字信号处理单元对收到的数据进行解码，提取终端发送时间、深度、终端ID信息；将提取的终端发送时间、深度、终端ID信息，连同潜标组网设备接收时间信息，通过潜标组网设备的协议处理板进行打包处理。
d.打包信息通过浮潜标之间的通信电缆传输给各自浮标。
e.打包信息连同浮标位置信息通过无线通讯直接或通过卫星中继发送给岸基系统的服务器。
f.利用水声网络定位方法解算出UUV等目标的位置，具体如下：
Figure BSA0000195757930000051
其中，x0、y0、z0为目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与目标的距离，T0为主动定位模式下目标上的潜标定位终端脉冲信号发出的时刻，Tn为潜标组网设备收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4；由于xn、yn、zn、T0、Tn和v均为已知条件，经过计算可以得到x0、y0、z0和Δt，从而解算出目标位置坐标。
g.岸基系统通过指控系统向潜标定位终端发送岸基系统解算后的位置信息，完成UUV等目标的主动定位。
参见图4，本发明实施例提供了主被动兼容水声定位系统的被动定位方法，包括如下步骤：
a.系统的浮标获取各自的位置信息，并打包。
b.打包信息通过浮潜标之间的通信电缆传输给各自潜标。
c.潜标将信号发送时刻的时间信息以及各潜标的ID信息经过各自的协议处理板进行打包处理，并通过潜标的数字信号处理板将打包信息进行加密编码，编码信息通过功率发射板发送给收发合置水声换能器。
d.收发合置水声换能器的发射电路将编码信息转换为声信号，通过水声通信时分方式进行4对1向己方水下特定目标发射脉冲信号。
e.潜标的收发合置水声换能器的接收部分在收到信号后，将声信号转换为电信号，并通过数字信号处理板对收到的编码数据进行解码，提取4个潜标组网设备的潜标发送时间、位置和ID信息，将提取的发送时间、位置和ID信息连同潜标定位终端收到信号时刻的时间、深度信息，通过潜标定位终端的协议处理板进行打包，最终将打包信息传输给潜标定位终端的嵌入式系统，由嵌入式系统利用水声网络定位方法解算自身位置。具体如下：
Figure BSA0000195757930000061
其中，x0、y0、z0为己方水下特定目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与己方水下特定目标的距离，T0为被动定位模式下潜标组网设备脉冲信号发出的时刻，Tn为己方水下特定目标上的潜标定位终端收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4。由于xn、yn、zn、T0、Tn和v均为已知条件，经过计算可以得到x0、y0、z0和Δt，从而解算出己方特定水下目标位置坐标，完成被动定位。
本发明提供的主被动兼容水声定位系统，能够在一套系统中同时满足水下目标自主发声时的主动定位需求和隐蔽不发声时的被动定位需求，主动定位模式时，潜标组网设备处于低功耗监听状态，能够保证系统的长时间续航服务；被动定位模式时，潜标定位终端处于隐蔽式接收状态，能够保证己方水下特定目标在隐蔽状态下完成自身定位导航；采用水声通信、卫星通信、无线通信等技术手段，可实现系统与水下目标及岸基系统的水声、无线数据通信功能，在水下目标航行过程中，通过水声通信方式将数据发送给附近潜标组网设备，数据通过潜标的通信电缆传输至水面浮标，再通过卫星、无线通信将数据发送给岸基系统。本发明将发射功能和接收功能集成在一套系统中，使得硬件结构一致，并采用模块化设计方法，便于批量生产和后期维护，提高了产品的生产效率和使用的维修保障性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种主被动兼容水声定位系统，其特征在于，包括4个潜标组网设备和1个潜标定位终端；所述潜标组网设备与潜标定位终端均包括潜标、电池组，所述潜标与电池组固定连接；所述潜标包括电子舱以及分别位于电子舱两端的收发合置水声换能器和深度计，收发合置水声换能器配置为发送与接收7～11kHz水声信号，深度计配置为获取潜标的深度信息；所述电子舱内设置数字信号处理单元以及连接到数字信号处理单元的协议处理板、模拟接收单元、功率发射板；所述收发合置水声换能器通过收发转换及匹配板与模拟接收单元及功率发射板连接；模拟接收单元配置为对接收到的7～11kHz水声信号进行模拟调理；功率发射板配置为对收发合置水声换能器的发射电路进行功率驱动；收发转换及匹配板配置为对收发合置水声换能器的接收、发射电路进行隔离和切换，并对功率发射板与发射电路进行阻抗匹配；所述潜标组网设备还包括浮标，浮标挂载到所述潜标上，配置为提供GPS位置信息和无线通信功能；所述浮标、深度计均通过协议处理板与数字信号处理单元连接；协议处理板配置为对浮标的GPS位置信息、潜标的深度信息按照协议进行打包处理；数字信号单元配置为对7～11kHz水声信号进行解码处理和对协议处理板打包处理信息进行编码；所述系统工作在主动定位模式和被动定位模式；主动定位模式时，潜标组网设备处于低功耗监听状态；被动定位模式时，潜标定位终端处于隐蔽式接收状态；
主动定位模式时，目标上安装的潜标定位终端主动发射脉冲信号，周边水域布放的潜标组网设备将收到的脉冲信号转发给岸基系统，由服务器解算出目标位置，再通过指控系统把目标位置通过水声发送给目标，完成主动定位；
服务器通过以下公式解算出目标位置：
Figure FSB0000196120160000011
其中，x0、y0、z0为目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与目标的距离，T0为主动定位模式下目标上的潜标定位终端脉冲信号发出的时刻，Tn为潜标组网设备收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4；
被动定位模式时，己方水下特定目标航行过程中，周边水域布放的潜标组网设备向己方水下特定目标发射脉冲信号，己方水下特定目标上的潜标定位终端在收到发射脉冲信号后，通过终端嵌入式系统解算自身位置，完成被动定位；
终端嵌入式系统通过以下公式解算自身位置：
Figure FSB0000196120160000021
其中，x0、y0、z0为己方水下特定目标位置坐标，xn、yn、zn为潜标组网设备的位置坐标，dn为潜标组网设备与己方水下特定目标的距离，T0为被动定位模式下潜标组网设备脉冲信号发出的时刻，Tn为己方水下特定目标上的潜标定位终端收到脉冲信号的时刻，Δt为脉冲传输时间误差，v为当前水域的水下声速，n＝1、2、3、4。
2.根据权利要求1所述的一种主被动兼容水声定位系统，其特征在于，当系统部署在近海时，采用无线通信方式与岸基系统进行通信；当系统部署在中远海时，采用卫星通信方式与岸基系统进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种主被动兼容水声定位系统，其特征在于，所述系统还包括电源管理模块，用于对外部电池组24V供电电压进行电压转换。
4.根据权利要求1所述的一种主被动兼容水声定位系统，其特征在于，潜标与电池组通过安装架实现固定连接，所述安装架上设置挂载点，用于挂载所述浮标。
5.根据权利要求1所述的一种主被动兼容水声定位系统，其特征在于，所述目标为UUV。
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