CN113093108A - 水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置，方法包括：采用倒置长基线原理和多个水面测点GPS定位信息进行水下多阵元基站的定位；通过半相干编码解码与倒置短基线定位的相结合，解算多个用户目标与多阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。装置包括：单个收发换能器、水下自主编码应答的四阵元阵列基站以及数据处理器，数据处理器。本发明在工作环境中适应能力强、定位精度高、数据更新快、且装置轻巧布放简单、易于在实际工程应用中推广，实现多用户的实时自定位与导航服务。

Description

水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置

技术领域

本发明涉及水下目标实时定位与导航、机器人协同控制和大地控制等领域，尤其涉及一种用于水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线(i-L/USBL)方法及装置。

背景技术

由于人类对海洋资源开发、海洋环境保护和海洋权益维护的重视，而水面舰船、水下潜器和海底基站是海洋认知和海洋开发的有效工具，在海洋资源勘探、海洋测绘、军事侦察等应用中发挥着重要作用。这就对水面和水下载体的定位要求也越来越高，不同于陆地载体采用无线电或卫星的定位方式，对于水下载体如潜艇或无人航行器的定位与导航，由于水下电磁波衰减快，在近距离就基本完全衰减，而声波在水下有较小的传播损失能够远距离传输，所以水下主要采用声学这一媒质进行定位与导航。

水声定位与导航系统可用于水下目标的跟踪、定位、海上石油勘探、海底线缆和管道铺设等工程领域中，此外，它还可以作为深海试验平台以及船舶动力控位系统的位置传感器，以给控位系统提供精确的船位信息。所以，水声定位系统可进行局部区域下精确定位与导航，在民用和军用领域受到了各国的重视。水声定位系统主要有长基线(LBL)系统、短基线系统(SBL)和超短基线(USBL)系统以及组合系统。这些定位系统都是由多个声学换能器阵元(接收器或应答器)组成，阵元间的连线称为基线。其中，长基线定位系统的基线长度为100-6000m，短基线系统基线长度为1-5m，基线长度小于1m的则属于超短基线定位系统。各种定位系统均有其优缺点，如长基线定位系统因为基线长，因而定位精度高，但是校准和布放难度大，数据更新率低，无法实时进行定位；此外，它仅在固定服务区域提供定位服务，因此不适合计算水下机器人之间的相对位置。短基线定位系统的基线长度小于长基线，一般安装于船体底部，所以不可避免舰船自身噪声对其定位精度的干扰，从而使跟踪定位精度恶化；超短基线定位系统定位精度一般比前两者的精度要低，但由于超短基线小巧方便，可以有选择地布放在安静环境如海底，避免环境噪声对其定位精度的影响，加上优化定位方案，能够大幅度提高其定位的准确度，所以定位精度往往可得到长基线的定位精度，但也只允许有限数量的用户。为了最大限度地发挥各自系统的定位性能，往往采用组合的定位系统，如长/超短基线系统(L/USBL)、长/短基线系统(L/SBL)、短/超短基线系统(S/USBL)等。

水下布放的智能潜器和移动平台，因为无缆且高度灵活，非常适合水下作业，也是人类海洋认知和海洋开发的有效工具，在军事侦察、海洋测绘、海洋资源勘探等应用中发挥着重要作用。特别是水下无人航行器的广泛应用，它们能够对目标进行长期监测、快速搜索以及有效防御，且能够通过局部组网形成协同工作模式，进一步提高了水下工作效率，而精确的多水下定位是整个航行器协作系统正常运行的先决条件。这就要求定位系统必须能够为多个用户提供实时自主解算的定位与导航服务，从而实现自主航行、决策和规划路线。然而，传统的水下定位系统大都是以局部、定点、低数据更新率和人为操作的定位方式为主，难以为水下智能移动潜器平台提供实时的、能够自我解算和感知的定位和导航服务，这严重阻碍了水下智能潜器特别是水下无人机器人群在水下资源开发、水下防务和海洋环境观测等方面的广泛应用，急需探索一种新的、更加智能化的水下定位与导航系统，以促进水下智能潜器和水下无人机器人协同工作的发展。

发明内容

本发明提供了一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置，本发明在工作环境中适应能力强、定位精度高、数据更新快、且装置轻巧布放简单、易于在实际工程应用中推广，实现多用户的实时自定位与导航服务，详见下文描述：

第一方面，一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，所述方法包括：

采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位；

通过半相干编码解码与长、短基线定位的相结合，解算多个用户目标与多阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。

在一个实施方式中，所述采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位具体为：

水面接收换能器在确定位置询问水下各个阵元应答器，各个阵元应答器收到询问信号发出具有各自特征的编码应答信号，水面换能器接收编码应答信号；

通过半相干解调出各个阵元发出的基带特征信号，分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离；

通过水面四个位置GPS数据和四个相对位置，并结合倒置长基线原理以及最小二乘法定位该单个阵元的绝对位置。

在一个实施方式中，所述半相干编码解码为：

在每一路信号中采用两个不同频率进行调频编码发射，同轴以及相邻的两个阵元共用一频率，另外一个频率不同。

在一个实施方式中，所述分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离具体为：

根据超短基线定位原理结合深度传感器，得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离，获取目标换能器的空间方位，实现实时定位和导航任务。

第二方面，一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线装置，所述装置包括：单个换能器、水下自主编码应答的四阵元阵列基站以及数据处理器，所述数据处理器执行第一方面所述的方法步骤。

第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时使所述处理器执行第一方面所述的方法步骤。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(a)该发明对工作环境适应能力强，能够在水下定点工作，也可搭载在移动平台上实施定位与导航服务。通过长基线定位原理，能够准确求解该定位系统各个阵元准确的空间位置，即采用长基线定位原理，把水面多个换能器的GPS坐标传递给水下基站各个阵元，该基站的空间坐标将作为先验值存放于水中多个用户目标中，或通过编码信号传递给多个用户目标。然后，通过水中各个目标独立询问该校准完毕的水下基站，基站四个阵元接收识别询问信号，并采用半相干的频分多址和调频信号编码方式发射各自的编码调制信号。最后，水中多个用户目标收到四路混叠的编码信号，并采用半相干的解调技术求解四阵元到达各个目标的时间和相位差，便可解算出各个目标与基站的相对位置，通过之前的储存基站的空间绝对坐标，实时求解各个目标的空间绝对坐标，实现实时定位和导航服务。同时，该自定位系统也可搭载在主航行器上，通过航行器内部罗经、惯导等设备标校好主航行器的绝对空间坐标。然后，通过各个从属(子)航行器询问主航行器上定位系统的四阵元，四阵元发出四路编码信号，从属(子)航行器收到并解算得出各自与主航行器的相对空间位置，便可求解各个从属(子)航行器的绝对空间坐标。从而，实现各个从属(子)航行器的实时自定位和协同工作。

(b)该发明定位精度高和数据更新快，能够为水下智能航行器和潜器提供实时定位与导航服务。不同于传统定位系统工作模式，该自定位系统询问换能器采用单路信号输出多路信号输入、而水下四阵元基站采用单路信号输入多路信号输出的工作模式。基站四阵元采用频分多址和调频信号的方式发射应答信号。水中或水面单个目标的接收换能器接收四路混叠编码应答信号后，采用半相干的解调方式进行空间位置(距离和角度)的解算。采用相干解调原理，进行各路半相干应答信号的特征基带信号的快速解算和时延估计，根据超短基线定位原理结合深度传感器，得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离。同时，为了进一步提高定位精度，分别把位于x轴上两路编码信号的非相干频率去除，保留两路信号的相干频率成分，并可根据两路相干频率的相位差计算出单个目标换能器与x轴的夹角。同理，也可采用相干频率解相位差的方式，计算获取单个目标换能器与y轴的夹角。进而，获取目标换能器准确的空间方位，实现实时定位和导航任务。且在整个过程中，目标换能器只需解算四路编码信号便可获取各自的空间位置，整个计算过程高效，保证了定位系统的实时性。

(c)该发明能够针对多个目标用户，且各个用户换能器独立互不干涉。

由于目标换能器询问信号的频率、模式和形式与应答信号相互独立，各个询问信号也互不干扰，且各个目标用户均能够解调四路应答信号。所以，用户在声场能够覆盖的任意位置均可制定各自的询问信号并解调四路应答信号，实现目标用户空间位置的自我解算，使得该定位与导航系统能够针对多个目标用户。

(d)该发明操作过程简单、布放容易，实施工作量小，易于在理论研究和实际工程中推广。在实际应用中，其关键一步为只需标定好水下基站上各个阵元的空间位置，可任意布放在水底，采用长基线准确对四阵元空间位置标定，也可搭载在主航行器上，通过罗经、惯导等设备，实现基站在不同位置的标定。然后，便可通过目标换能器询问、接收编码信号，便可实现各个目标换能器的实时自定位和导航。且该基站体积小，结构简单(含有四阵元、深度传感器、电池和电路模块等)，可布放在水底或搭载在主航行器上，实现定点或移动式的定位与导航服务。所以，该自定位系统可广泛应用于水下定点定位、水底高程传递和水中多个智能机器人的协同组网等实际工程中。

与以往传统定位系统相比，该发明对工作环境适应能力强、定位精度高、数据更新快、且轻巧布放简单易于在实际工程应用中推广，实现多用户的实时自定位与导航服务。有效地解决目前水下大型潜器、水下智能机器人、多用户协同组网等应用领域中所存在的定位区域局部化、作业代价大、数据更新慢、定位自主化程度低等瓶颈性问题。

附图说明

图1为水下定位与导航的倒置长/超短基线(i-L/USBL)的示意图；

图2为水下定位与导航的倒置长/超短基线(i-L/USBL)方法的流程图；

图3为倒置的长基线定位原理示意图；

图4为倒置的超短基线定位原理示意图；

图5为半相干解调原理图流程图；

图6为消声环境中的水下倒置超短基线自定位实验示意图；

图7(a)水下倒置超短基线定位实验硬件平台正视图；

图7(b)下倒置超短基线定位实验硬件平台俯视图；

图8(a)为目标在0.53315m时接收端自解算四路编码信号；

图8(b)为目标在0.53315m时接收端自解算四路编码信号到达时间；

图8(c)为目标在0.95390mm时接收端自解算四路编码信号；

图8(d)为目标在0.95390m时接收端自解算四路编码信号到达时间；

图8(e)为目标在1.99650m时接收端自解算四路编码信号；

图8(f)为目标在1.99650m时接收端自解算四路编码信号到达时间；

表1为定位实验设备型号及性能指标；

表2为定位实验结果相对误差。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决背景技术中存在的问题，有效地开展水下大型潜器、水下智能机器人、多用户协同组网等实时自定位与导航的研究，本发明实施例将突破以往定位系统的定位区域局部化、作业代价大、数据更新慢、定位自主化程度低等技术壁垒，通过半相干编码解码技术(本发明实施例所涉及)与长、短基线定位原理(本领域技术人员所公知)相结合，准确快速地解算了多个用户目标与四阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。

实施例1

参见图1至图5，本发明实施例提供了一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线(i-L/USBL)方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下基站的准确定位：

水面单个接收换能器在确定位置询问水下各个阵元应答器，各个阵元应答器收到询问信号发出具有各自特征的编码应答信号，水面换能器接收应答信号，通过半相干解调出各个阵元发出的基带信号，分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离；类似，可分别获取水面四个确定位置(即GPS值)处的换能器与该水下四阵元的相对距离。

其中，针对水下一个阵元，则可获取与水面四个确定位置(即GPS值)的相对距离，通过水面四个位置GPS数据和四个相对位置，并结合倒置长基线(即三点定位)原理以及最小二乘法便可准确定位该单个阵元的绝对位置。类似方法，便可同时实现对水下基站上四个阵元(位于x轴和y轴上)进行准确定位，得出水下基站中心(即x轴和y轴的原点)和四阵元应答器的空间坐标。

步骤二：水下多阵元基站为水中目标进行实时定位与导航：

水下基站上已标定的阵元空间坐标和基站上深度传感器获取的深度信息，将作为先验值存放于水中多个用户目标，或通过编码信号传递给多个用户目标。通过被水中目标的询问，四个阵元应答器独立发出不同编码特征的应答信号，目标接收并解调四路混叠的水声应答信号，得出各应答信号的到达时间以及时延差，并通过倒置超短基线定位原理(本领域技术人员所公知)求解目标与基准的相对空间位置，通过先验储存或编码传递获取基站的绝对位置，计算出水中目标的绝对位置，以提供实时定位和导航服务。

本方法还包括：水面或水中单个接收换能器为：单路信号输出多路信号输入的工作模式。

其中，四路编码应答信号同时采用半相干的频分多址和调频信号编码方式发射。半相干编码解码技术为：即在每一路信号中采用两个不同频率进行调频编码发射，且各个阵元频率配置为本系统所特有的频率设置，即同轴以及相邻的两个阵元共用一频率(相干频率)，另外一个频率不同(非相干频率)。所以，同轴以及相邻的两个阵元一共使用三个频率编码。x轴和y轴上四个阵元一共使用四个频率进行相应编码信号的发射。

例如：x(或y)轴上两个换能器采用三个频率f1,f2,f3，A换能器发f1,f2；B换能器发f2,f3，即这两个换能器有一半的频率(f2)是相干的。

其中，水面或水中单个接收换能器接收四路混叠的编码应答信号后，采用半相干的解调方式进行空间位置(距离和角度)的解算。采用相干解调原理，进行解算各路半相干应答信号的基带特征信号，然后便可进行各路信号的时延估计，根据超短基线定位原理结合深度传感器，得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离。

同时，为了进一步提高定位精度，分别把位于x轴上两路编码信号的非相干频率去除，保留两路信号的相干频率成分，并可根据两路相干频率的相位差计算出单个目标换能器与x轴的夹角。同理，也可采用相干频率解相位差的方式，计算获取单个目标换能器与y轴的夹角。进而，获取目标换能器的空间方位，实现实时定位和导航任务。

工程实施中，通过变换水下基站四阵元的局部坐标系(即基站四阵元连线为正方形，其对角、相邻边均为直角，可构成不同的局部坐标系xoy，z轴垂直于xoy平面)，在目标接收端按照基站设置的不同局部坐标系，进行多次测量以减小测量误差。

由于目标询问信号的频率、模式和形式与应答信号相互独立，各个询问信号也互不干扰，且均能够解调四路应答信号。所以，目标换能器在声场能够覆盖的任意位置均可制定各自的询问信号并解调四路应答信号，使得该定位与导航系统能够针对多个目标用户。

实施例2

下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

如图1-图2所示，为本发明实施例的基于倒置长/超短基线(i-L/USBL)的水下目标自定位与导航系统示意图和技术实施图。该理论模型由倒置的长基线和倒置的超短基线两部分构成，整体技术结构由水面测点、水底基站和水中目标三部分组成。其具体计算步骤分主要包括：

一、倒置的长基线定位系统

传统长基线定位系统通常由基线长度为几千米的多个海底应答器和被定位载体上的问答机组成，即通过问答机询问并接收声学信号，计算出问答机与各个海底应答器的相对距离，且已知海底各个应答器的绝对地理位置，通过球面交会方法得出询问机以及载体的绝对空间位置。如图3所示，本发明实施例由于工作模式、应用环境和服务用户的不同，在为水下基站各阵元提供地理位置标定时，采用的是倒置的长基线定位原理。即把水底多个应答器置于水面载体作为询问机，通过GPS定位系统，给出各个水面询问机在测点的绝对地理位置，通过测量水下某个阵元与水面多个测点询问机的相对距离，采用球面交会方法，求解水下基站上该阵元的绝对地理位置。同时，由于水下各个阵元发出各自特征的编码信号，所以在水面多个地理位置测点的询问机可以同时问询水下四个阵元应答器，并接收和解算四阵元应答信号，得出水面询问机在多个测点与各个阵元的相对距离，最后，同时解算出四阵元的绝对地理位置，实现对基站阵元的空间位置标定，该倒置长基线具体点位原理如下：

通过GPS定位获取水面四个测点的绝对坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，假设水下基站某一阵元的空间绝对坐标为(X,Y,Z)，则满足的定位方程为：

其中，R_i，i＝1,2,3,4，为水面四个测点分别到水下基站上某阵元的距离，可通过声波来返时间乘以声速获取。

两两相减，可得：

这里，做以下变量替换：

类似地，可得出A_i、B_i、C_i和D_i，i＝1,2,3,4，则式(5)-式(8)可化简为：

A₁X+B₁Y+C₁Z＝D₁ (10)

A₂X+B₂Y+C₂Z＝D₂ (11)

A₃X+B₃Y+C₃Z＝D₃ (12)

A₄X+B₄Y+C₄Z＝D₄ (13)

把上式写成矩阵形式：

Ax＝B (14)

其中：

可知，式(14)中未知数个数为3个，即水下某一阵元的空间坐标(X,Y,Z)，而方程个数为4个，会涉及一个最佳的解x，这里，采用最小二乘法得到阵元空间位置的最佳解为：

x＝(A^TA)^-1(A^TB) (15)

通过以上倒置长基线定位原理，便可准确求解水下基站上某一阵元准确的空间位置x。同理，由于水下基站上各阵元发出的应答编码信号各不相同，所以在水面任意测点可接收并解调四路应答信号及其到达时间，便可在四个测点均可分别测得与水下四阵元的相对距离，同时求解水下四个阵元的绝对地理位置。

二、倒置的超短基线定位系统

由于超短基线基阵小巧轻便，使用方便易于工程实施。但由于基阵尺寸很小，所以不能采用长基线常规的飞行时间测量的方法来进行定位，必须利用相位差或相位比较法测量，来给目标提供准确定位与导航服务，一般安装于水面船体夹板或固定平台上。

当超短基线系统与船为非刚性连接时，其定位精度受到了水面船体和平台摇摆与海洋环境的影响，基阵的姿态将发生改变，为此需要对基阵进行姿态修正。所以，需要采用垂直参考设备测量船体纵倾和摇摆角，利用罗经测量航向角，此外还需要GPS测量船体的地理位置。所以，整个系统比较繁琐，工程实施代价昂贵，且由于各种角度修正，定位算法和实际操作也比较复杂。此外，由于超短基线大都是通过在基阵端(或水面船体上)测量目标回波来估算目标的具体位置，无法使得目标自动感知空间独立位置，也阻碍了超短基线在水下智能航行器自主航行中的应用。

为了解决以上问题，本发明实施例采用倒置的超短基线对水中目标进行自定位与导航服务。如图4所示，为倒置的超短基线定位系统示意图，该基阵固定在水底，主要由四个阵元组成，其中三个位于x轴和y轴，第四个阵元为冗余阵元，能够通过组合形式形成多个测量值，即通过多次测量提高定位误差。各个阵元的绝对地理位置通过长基线定位原理进行准确标定，且也不需要测量基阵纵倾和摇摆角以及航向角，减少了其他昂贵设备，使得工程实施简便、高效、经济。

水下基站上已标定的阵元空间坐标和基站上深度传感器获取的深度信息，将作为先验值存放于水中多个用户目标，或通过编码信号传递给多个用户目标。通过被水中目标的询问，四个阵元独立发出不同编码特征的应答信号，目标接收并解调四路混叠的水声应答信号，得出各应答信号的到达时间以及时延差，并通过超短基线定位原理求解目标自身与基准的相对空间位置，通过先验储存或编码传递获取基站的绝对位置，计算出水中目标自身的绝对位置，以给自身提供实时定位和导航服务。

假设水中目标用户的空间坐标为(x_a，y_a，z_a)，阵元1、3、4位于两个垂直的基线上(x轴和y轴)。目标与基站中心原点o的距离为R_a，目标与基站中心连线与x轴和y轴的夹角分别为θ_mx和θ_my，则有：

目标向水下基站发送询问信号，水下控制点返回编码应答信号，则目标与中心4号阵元的距离可通过询问和应答往返时间T_T,R求得，即：

如图5所示，通过半相干解调技术分离出四路编码信号，并估计测量获取各路信号的到达时间和时间差(为了提高定位精度，该时间差也可采用对应的相位差进行测量)，测出x轴方向上1和4阵元的时延差τ_x之后，便可求得声线与x轴的夹角为θ_mx，同理，通过测出y轴方向上3和4阵元的时延差τ_y之后，也可以求得声线与y轴的夹角θ_my。由于水下基阵尺寸较小，可以认为是远场接收的情况，即每个接收信号的声线是平行的，在此情况下，测船和水下控制点之间的相对方位角可以由以下公式获得：

其中，c是水中声速，d表示水下控制点两基元间的间距。

通过以上，目标接收并解调各路编码信号，在结合超短基线定位原理，便可自主求解目标自身在基阵坐标系下的空间位置，且目标可以连续询问解算位置，实现目标实时的自定位与导航。

由于目标询问信号的频率、模式和形式与应答信号相互独立，各个询问信号也互不干扰，且均能够解调四路应答信号。所以，目标换能器在声场能够覆盖的任意位置均可制定各自的询问信号并解调四路应答信号，使得该定位与导航系统能够针对多个目标用户。

工程实施中，通过变换水下基站四阵元的局部坐标系(即基站四阵元连线为正方形，其对角、相邻边均为直角，可构成不同的局部坐标系xoy，z轴垂直于xoy平面)，在目标接收端，按照基站设置的不同局部坐标系，进行多次测量以减小测量误差。

实施例3

一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线装置，该装置包括：单个换能器、水下自主编码应答的四阵元(分别位于x和y轴)阵列基站以及数据处理器。

根据上述实施例1-2的理论分析，本发明实施例搭建了水下倒置超短基线的硬件平台，通过四路频率调制信号进行消声环境下水下目标自定位实验。该硬件平台主要由一个发射上位机(计算机)、一个定位端目标换能器(即上述的单个换能器)、一个倒置超短基线阵列(即水下自主编码应答的四阵元(分别位于x和y轴)阵列基站)和一个多路输入接口工控机(即数据处理器)组成，实验仪器设备如表1所示，水下实验装置的结构示意图如图6所示。

表1

如图7所示，令水下倒置超短基线阵列的中心为原点(0,0,0)，每个基元距离原点的距离d/2为0.3m，坐标分别为(0.3,0,0)，(-0.3,0,0)，(0,0.3,0)，(0,-0.3,0)。

定位问询端的水声换能器与基阵中心在水平线上，坐标为(0,0,r)，记录四路应答信号的飞行时间t_i(i＝1,2,3,4)，

可以由下式计算r：

利用精度为微米级的精确控制平台控制r分别为0.53315m，0.95390m，1.99650m，进行实验。如图8(a)-8(f)得到三组实验结果，发现定位问询端可以从混叠了噪声的多路信号中识别出四路信号并标识到达时间，使用公式计算得到三个距离：r₁*＝0.5237m，r₂*＝0.9423m，r₃*＝2.0085m。并计算了目标端自解的空间位置与标准位置的相对误差，如表2所示，证明该自定位系统可利用水下倒置超短基线系统对目标进行准确的实时定位，精度在厘米级。

表2

具体实现时，上述的数据处理器执行实施例1和2中的以下方法步骤：

采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位；

通过半相干编码解码与长、短基线定位的相结合，解算多个用户目标与多阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。

在一个实施方式中，采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位具体为：

水面接收换能器在确定位置询问水下各个阵元应答器，各个阵元应答器收到询问信号发出具有各自特征的编码应答信号，水面换能器接收编码应答信号；

通过半相干解调出各个阵元发出的基带特征信号，分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离；

通过水面四个位置GPS数据和四个相对位置，并结合倒置长基线原理以及最小二乘法定位该单个阵元的绝对位置。

在一个实施方式中，半相干编码解码为：

在每一路信号中采用两个不同频率进行调频编码发射，同轴以及相邻的两个阵元共用一频率，另外一个频率不同。

在一个实施方式中，分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离具体为：

根据超短基线定位原理结合深度传感器，得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离，获取目标换能器的空间方位，实现实时定位和导航任务。

这里需要指出的是，以上实施例中的装置描述是与实施例中的方法描述相对应的，本发明实施例在此不做赘述。

上述的数据处理器的执行主体可以是计算机、单片机、微控制器等具有计算功能的器件，具体实现时，本发明实施例对执行主体不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质包括存储的程序，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行上述实施例中的方法步骤。

该计算机可读存储介质包括但不限于快闪存储器、硬盘、固态硬盘等。

这里需要指出的是，以上实施例中的可读存储介质描述是与实施例中的方法描述相对应的，本发明实施例在此不做赘述。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。

计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过计算机可读存储介质进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质或者半导体介质等。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述方法包括：

采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位；

通过半相干编码解码与长、短基线定位的相结合，解算多个用户目标与多阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。

2.根据权利要求1所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述采用倒置长基线原理和水面GPS定位设备进行水下多阵元基站的定位具体为：

水面接收换能器在确定位置询问水下各个阵元应答器，各个阵元应答器收到询问信号发出具有各自特征的编码应答信号，水面换能器接收编码应答信号；

通过半相干解调出各个阵元发出的基带特征信号，分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离；

通过水面四个位置GPS数据和四个相对位置，并结合倒置长基线原理以及最小二乘法定位该单个阵元的绝对位置。

3.根据权利要求1所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述接收换能器为：单路信号输出多路信号输入的工作模式。

4.根据权利要求2所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述编码应答信号同时采用半相干的频分多址和调频信号编码方式发射。

5.根据权利要求1或2所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述半相干编码解码为：

在每一路信号中采用两个不同频率进行调频编码发射，同轴以及相邻的两个阵元共用一频率，另外一个频率不同。

6.根据权利要求2所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述分别估计声波在换能器与四阵元之间的来返时间，确定换能器与单个阵元的相对距离具体为：

根据超短基线定位原理结合深度传感器，得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离，获取目标换能器的空间方位，实现实时定位和导航任务。

7.根据权利要求6所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述得出单个目标换能器分别与x轴和y轴的夹角和距离基站中心原点的距离具体为：

将位于x轴上两路编码信号的非相干频率去除，保留两路信号的相干频率成分，根据两路相干频率的相位差计算出单个目标换能器与x轴的夹角；

同理，采用相干频率解相位差的方式，计算获取单个目标换能器与y轴的夹角。

8.根据权利要求1所述的一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，其特征在于，所述方法还包括：

变换水下基站四阵元的局部坐标系，在目标接收端按照基站设置的不同局部坐标系，进行多次测量以减小测量误差。

9.一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线装置，其特征在于，所述装置包括：单个换能器、水下自主编码应答的四阵元阵列基站以及数据处理器，所述数据处理器执行所述权利要求1-4中任一权利要求所述的方法步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1-4中的任一项所述的方法步骤。

Images