CN111865435A - 一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，包括：将通信数据与扩频码数据进行模二加运算后，结果基于二进制相移键控调制载波数据，得到的结果作为发射数据A1；A1被接收到后，经过信号调理、数字采集过程，得到待处理数据A2；从A2中截取一段待处理数据与本地生成的扩频码数据相乘，得到的中间数据记做A3；对中间数据A3进行傅里叶变换得到频域数据，对频域数据进行取模得到中间数据记做A4；将中间数据A4与检测阈值比较，锁定真实频率，去除模糊频率，并确定码相位分辨率；根据真实频率求取多普勒信息和码相位信息，并获取通信数据。本发明可以解决传统水声定位导航系统容纳的水下机器人数目有限的问题。

Description

一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法
技术领域
本发明属于水下机器人定位导航技术领域，更具体的说是涉及一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法。
背景技术
随着我国海洋事业的不断发展，对海洋领土安全和海洋资源的探测开采有了更高的要求，水下机器人具有环境适应能力强、操控方式多和安全隐蔽性高等优点，使得国内外科研机构和企业单位争相研制出能够投入生产和实际应用的多种结构功能不同的水下机器人。
水下机器人的定位导航是水下机器人技术的核心关键技术。传统的水下机器人定位导航主要有惯性导航、地形匹配导航、水声定位导航、视觉导航、及基于以上方式的组合导航等。惯性导航是一种自主式导航系统，具有很强的抗干扰能力，但其误差随着时间会不断增长。地形匹配需要事先得到水下地形数据，并且需要大量计算。水声定位导航为水下机器人长期、实时、高精度定位服务，但其系统容纳的水下机器人的数目有限。视觉导航定位精度高，但作用距离短，大大限制了其使用范围。
因此，如何提供一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
在长距离定位导航服务中，水声定位导航系统是不可或缺的手段。针对水声定位导航系统容纳的水下机器人的数目有限的问题，本发明提供了一种用于水下机器人水声定位系统的信号处理方法，配合相应的水声信号设计方案，可以解决传统水声定位导航系统容纳的水下机器人数目有限的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，包括：信号设计和信号处理两部分，其中，
信号设计包括如下步骤：
将通信数据与扩频码数据进行模二加运算后，其结果基于二进制相移键控调制载波数据，得到的结果作为发射数据A1；A1经过发射机、换能器发射、海洋环境传播的影响被水听器接收到后，经过信号调理、数字采集过程，得到待处理数据A2；
信号处理包括如下步骤：
步骤一：从A2中截取一段待处理数据与本地生成的扩频码数据相乘，得到的中间数据记做A3；
步骤二：对中间数据A3进行傅里叶变换得到频域数据，对频域数据进行取模得到中间数据记做A4；
步骤三：将中间数据A4与检测阈值比较，如果A4数值大于检测阈值，则判定信号处理成功，此时需要对频率的可能范围进行确认，锁定真实频率，去除模糊频率，并确定码相位分辨率；
步骤四：根据真实频率求取多普勒信息和码相位信息，并获取通信数据。
优选的，在信号设计过程中，载波数据需要确定的参数有信号幅值、中心频率；扩频码数据需要确定的参数有扩频码类型，码速率，码序列长度；通信数据根据用户需求确定，根据不同的作业需求，选择的通信数据有同步码信息、信标所在地理位置信息、信号发射时钟信息、校验码信息。
优选的，在信号设计过程中，模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1，或者采取相反的方式：1+1＝1；0+0＝1；1+0＝0；0+1＝0。
优选的，在信号设计过程中，二进制相移键控的运算法则考虑数据0对应载波原来相位，数据1对应载波相位以180°翻转；或者数据1对应载波原来相位，数据0对应载波相位以180°翻转。
优选的，在步骤一中，截取数据的时间选择为一个扩频码执行周期；生成的扩频码的长度为一个周期，数据采样率与A2的数据采样率一致。
优选的，在步骤二中，水声信号数据处理的频率分辨率fstep由数据采样率fs与傅里叶变换的数据位数N共同决定，其公式为：fstep＝fs/N，码相位的分辨率选择为1个码片。
优选的，在步骤三中，频率的可能范围由多普勒频移决定，工程中选取最大多普勒频移的1.5倍作为频率处理的上下限。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于水下机器人水声定位系统的信号处理方法，将通信数据与扩频码数据进行模二加运算，并将其结果对载波数据进行二进制相移键控调制，如果水声定位系统一直按某一计划发射信号，水下机器人只被动接收信号。此种模式下水声定位系统容纳的水下机器人的数目理论上无上限，保障了水下机器人集群作业同时定位导航的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于水下机器人水声定位系统的信号处理方法示意图；
图2为本发明提供的发射信号仿真图；
图3为本发明带宽为40.31kHz-41.53kHz时的接收信号处理结果仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，本发明提供了一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，包括：信号设计和信号处理两部分，其中，
信号设计包括如下步骤：
将通信数据与扩频码数据进行模二加运算后，其结果基于二进制相移键控调制载波数据，得到的结果作为发射数据A1；A1经过发射机，通过换能器将信号发射出去，信号在海洋中传播，被水听器接收到后，经过信号调理、数字采集等过程，得到待处理数据记做A2；
在信号设计过程中，载波数据需要确定的参数有信号幅值、中心频率；扩频码数据需要确定的参数有扩频码类型，码速率，码序列长度；通信数据根据用户需求确定，根据不同的作业需求，选择的通信数据有同步码信息、信标所在地理位置信息、信号发射时钟信息、校验码信息。
优选的，载波数据选择为正弦信号，其信号幅值为1、中心频率为40.92kHz；扩频码数据选择10级Gold码，码速率为8.184kHz，码序列长度为1023；通信数据根主要只有6位信号发射时钟信息。
在信号设计过程中，模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1，或者采取相反的方式：1+1＝1；0+0＝1；1+0＝0；0+1＝0。
在信号设计过程中，二进制相移键控的运算法则考虑数据0对应载波原来相位，数据1对应载波相位以180°翻转；或者数据1对应载波原来相位，数据0对应载波相位以180°翻转。
信号处理包括如下步骤：
步骤一：从A2中截取一段待处理数据与本地生成的扩频码数据相乘，得到的中间数据记做A3；截取数据的时间选择为一个扩频码执行周期；生成的扩频码的长度为一个周期，数据采样率与A2的数据采样率一致，数据采样率为240.6kHz。
步骤二：对中间数据A3进行傅里叶变换得到频域数据，对频域数据进行取模得到中间数据记做A4；水声信号数据处理的频率分辨率fstep由数据采样率fs与傅里叶变换的数据位数N共同决定，其公式为：fstep＝fs/N，码相位的分辨率选择为1个码片，经过计算，频率分辨率为8Hz，码相位的分辨率为1个码片。
步骤三：将中间数据A4与检测阈值比较，如果A4数值大于检测阈值，则判定信号处理成功，此时需要对频率的可能范围进行确认，锁定真实频率，去除模糊频率，并确定码相位分辨率；频率的可能范围由多普勒频移决定，工程中选取最大多普勒频移的1.5倍作为频率处理的上下限。
步骤四：根据真实频率求取多普勒信息和码相位信息，并获取通信数据。
本发明公开提供了一种用于水下机器人水声定位系统的信号处理方法，将通信数据与扩频码数据进行模二加运算，并将其结果对载波数据进行二进制相移键控调制，如果水声定位系统一直按某一计划发射信号，水下机器人只被动接收信号。此种模式下水声定位系统容纳的水下机器人的数目理论上无上限，保障了水下机器人集群作业同时定位导航的需求。本发明通过对频率进行并行处理方式，只对码相位进行搜索，减少了频率与码相位同时二维搜索的过程，提高了搜索效率，为水下机器人协同作业定位导航理论提供了理论支撑和工程应用保障。
本发明提供的技术方案主要用来满足海洋科考、海洋探测、海洋开采、水下打捞救助等过程中要求多个水下机器人协作过程中，同时获取高精度的定位需求。
下面结合仿真数据来做进一步解释说明。
假设系统的工作距离要求为4000m，载波中心频率为40.92kHz，扩频码选择10级Gold，码元速率为8.184kHz，信号带宽为32.736kHz～49.104kHz，通信数据速率为4bps，截取数据信息的时间为125ms，信号采样率为204.6kHz，傅里叶变换的数据位数N＝25575，此时频率的分辨精度为8Hz，码相位分辨率为1码片。考虑水下机器人最大速度为15m/s，信标位置固定，则多普勒频率范围为±0.4092kHz，选取最大多普勒频移的1.5倍作为信号处理频率范围，实际获得的信号处理要求频率锁定范围为：40.31kHz-41.53kHz。对信号的实际仿真得到的结果如图2和3所示。从仿真结果可以看出，按照图2产生的发射信号，如果进行频率锁定，则可以处理的结果如图3所示。因此，本发明提供的信号处理方法可以捕获到信号，并完成通信数据提取，从而实现水下定位和通信信号的复用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，包括：信号设计和信号处理两部分，其中，
信号设计包括如下步骤：
将通信数据与扩频码数据进行模二加运算后，其结果基于二进制相移键控调制载波数据，得到的结果作为发射数据A1；A1经过发射机、换能器发射、海洋环境传播的影响被水听器接收到后，经过信号调理、数字采集过程，得到待处理数据A2；
信号处理包括如下步骤：
步骤一：从A2中截取一段待处理数据与本地生成的扩频码数据相乘，得到的中间数据记做A3；
步骤二：对中间数据A3进行傅里叶变换得到频域数据，对频域数据进行取模得到中间数据记做A4；
步骤三：将中间数据A4与检测阈值比较，如果A4数值大于检测阈值，则判定信号处理成功，此时需要对频率的可能范围进行确认，锁定真实频率，去除模糊频率，并确定码相位分辨率；
步骤四：根据真实频率求取多普勒信息和码相位信息，并获取通信数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在信号设计过程中，载波数据需要确定的参数有信号幅值、中心频率；扩频码数据需要确定的参数有扩频码类型，码速率，码序列长度；通信数据根据用户需求确定，根据不同的作业需求，选择的通信数据有同步码信息、信标所在地理位置信息、信号发射时钟信息、校验码信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在信号设计过程中，模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1，或者采取相反的方式：1+1＝1；0+0＝1；1+0＝0；0+1＝0。
4.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在信号设计过程中，二进制相移键控的运算法则考虑数据0对应载波原来相位，数据1对应载波相位以180°翻转；或者数据1对应载波原来相位，数据0对应载波相位以180°翻转。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在步骤一中，截取数据的时间选择为一个扩频码执行周期；生成的扩频码的长度为一个周期，数据采样率与A2的数据采样率一致。
6.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在步骤二中，水声信号数据处理的频率分辨率fstep由数据采样率fs与傅里叶变换的数据位数N共同决定，其公式为：fstep＝fs/N，码相位的分辨率选择为1个码片。
7.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位系统的信号处理方法，其特征在于，在步骤三中，频率的可能范围由多普勒频移决定，工程中选取最大多普勒频移的1.5倍作为频率处理的上下限。
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