CN114089399A - 一种广播式水下导航定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广播式水下导航定位系统及方法，该系统包括分布于海底的多个水下基站组成的基站网和位于水下的待定位的用户终端，所述水下基站包括坐底声呐和锚系声呐，所述坐底声呐和锚系声呐之间通过缆绳连接、并通过水声信号测距和通信，所述锚系声呐上集成有惯性测量单元一，所述用户终端配置有被动声呐，所述被动声呐单向接收锚系声呐发出的水声信号进行测距和通信。本发明所公开的水下导航定位系统及方法可以拓展基站服务范围、增加用户终端容量、提升区域声速产品的精度。

Description

一种广播式水下导航定位系统及方法
技术领域
本发明属于水下导航定位领域，特别涉及一种广播式水下导航定位系统及方法。
背景技术
受到海水的衰减和阻隔，卫星导航定位(GNSS)信号无法用于水下及海底的导航定位。水下导航定位技术主要有声学、惯性、匹配(地形、重力、磁力等)等。受制于技术本身的缺陷，惯性导航存在漂移、需定期标校，匹配导航需要背景场和特征环境、匹配误差大、可用性低。目前，声学是水下导航定位主要的技术方法。然而，水声导航定位中存在基站服务范围小、作用距离短、终端用户容量小、定位精度低的问题，具体如下。
(1)基站服务范围小：目前建立的局域水声定位系统中，受到声线负弯曲(贴近海底)的影响，海底基站之间距离一般只设计为1～2km，基站高度一般为2～3m，并且为了声线通视，为了基站之间相互测距与通信，基站间距每增加1km，基站高度必须提高约3m，这大大增加了基站建设的难度和维护成本。在这种配置下，水下定位系统如果要服务大范围(例如几十、几百公里)的用户，则需要建设大量基站并进行位置标校作业，成本极高，效率极低。
(2)终端用户容量小。目前水下定位主要采用的应答式定位模式，需要区分不同用户终端发射询问信号，同时服务的用户数量极为有限，并且有源模式容易暴露用户位置，不适应大量水下作业目标的同步工作和隐蔽性要求。
(3)定位精度低。目前海水声速测量误差一般不低于5cm/s，水下声学导航定位的声速测量误差及其时空变化、观测几何强度低，导致终端三维定位精度差、作业效率低等问题。
由此可见，影响终端水下定位性能的主要因素为水下基站的时空基准维持、终端的观测几何图形结构、声速误差及其时空变化。针对上述三个问题，需要重点解决三个关键技术，即水下基站的服务区域的扩展，广播式定位中的基站之间、基站与用户终端之间的精密时间同步，以及声速误差的精细处理与改正。
随着远距离、高精度的深海应用的增加(如海底资源勘探、近底多波束测量、AUV组网等)，需要研究宽覆盖的水声测量技术，在保证高精度的同时，增加终端用户容量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种广播式水下导航定位系统及方法，以达到拓展基站服务范围、增加用户终端容量、提升区域声速结构的精度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种广播式水下导航定位系统，包括分布于海底的多个水下基站组成的基站网和位于水下的待定位的用户终端，所述水下基站包括坐底声呐和锚系声呐，所述坐底声呐和锚系声呐之间通过缆绳连接、并通过水声信号测距和通信，所述锚系声呐上集成有惯性测量单元一，所述用户终端配置有被动声呐，所述被动声呐单向接收锚系声呐发出的水声信号进行测距和通信。
上述方案中，所述锚系声呐上还集成有温盐深测量仪、压力计和海流计和压力计，所述用户终端还配置有惯性测量单元二。
一种广播式水下导航定位方法，采用上述的一种广播式水下导航定位系统，包括如下步骤：
步骤一，利用GNSS-声学测距定位技术获取各坐底声呐的位置坐标；
步骤二，锚系声呐与坐底声呐通过水声信号进行应答式测量，根据锚系声呐测量的水声信号的时延，以及惯性测量单元一的观测值计算锚系声呐的位置坐标；
步骤三，锚系声呐按预定的时间间隔生成并播发水声测距信号和声速改正数据，用户终端的被动声呐接收锚系声呐播发的水声测距信号和声速改正数据后，解码获取水声测距信号发射时刻到水声测距信号接收时刻的水声时延和声速改正数据，根据水声时延和声速改正数据确定自身位置；在定位过程中，各水下基站的锚系声呐之间，以及用户终端与基站网之间进行定期时间同步。
进一步的技术方案中，所述步骤二中，采用锚系声呐上集成的温盐深测量仪、压力计和海流计测量的数据辅助计算锚系声呐的位置坐标。
上述方案中，声速改正数据的生成方式包括如下步骤：
(1)利用多源数据计算声速，将声速分解为空间函数和时间函数，构建声速背景场；
(2)将构建的声速背景场作为先验值，以各水下基站的锚系声呐相互之间的实时观测的水声测距信号传播时延数据为输入，获取包含水平梯度的声速误差导致的水声测距信号传播时延；
(3)利用声速误差导致的水声测距信号传播时延构建声速误差层析方程组，通过增加约束条件，进行区域声速误差反演；
(4)利用上一步得到的区域声速误差和基站系统自定义的声速基准，生成声速改正数据。
上述方案中，各水下基站的锚系声呐之间的时间同步通过两个锚系声呐之间的两次应答式测量，并利用海流计测量的流速流向进行修正，实现两个锚系声呐之间的时间同步，具体方法如下：
锚系声呐A发射一个脉冲信号，锚系声呐B接收该脉冲信号并处理得到时延tB1；然后，锚系声呐B在约定的延时Δd后应答一个脉冲信号，锚系声呐A接收该脉冲信号；然后，锚系声呐A在相同的约定的延时Δd后再次应答一个脉冲信号，锚系声呐B接收到该脉冲信号处理得到锚系声呐B发收两个脉冲信号之间的时延tB2；
设海流修正为Δc，若无海流观测则Δc＝0，则锚系声呐B根据测量的tB1和tB2计算得到锚系声呐B与锚系声呐A之间的同步时间偏差ΔT为：ΔT＝0.5*(tB2-Δd)+Δc-tB1；锚系声呐B根据同步时间偏差ΔT调整自身时钟，实现与锚系声呐A的时间同步；
利用同样的方法能得到其他锚系声呐与锚系声呐A之间的同步时间偏差，利用同样的方法得到任意两个相邻锚系声呐之间的同步时间偏差，进行同步偏差修正，从而实现所有锚系声呐之间的精密时间同步。
上述方案中，用户终端与基站网之间的时间同步方法如下：
用户终端的钟差模型描述为二次多项式模型：
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2；
式中，Δt为用户终端与基站网之间的钟差，toc代表钟差模型选定的起始参考时间，a0、a1、a2分别为用户终端时钟的钟偏、钟速与频漂参数，t为用户终端接收声信号的时间；
用户终端在接收到基站网水声测距信号确定自身位置的解算过程中，参数估计获得的钟差Δt代入上式，可求得a0、a1、a2，当用户终端没有接收到基站网水声测距信号时，通过该二次多项式模型预报钟差Δt，完成用户终端与基站网之间的时间同步。
上述方案中，步骤(1)声速背景场的构建方法如下：以现有的区域海洋分析资料、数值预报模式的温盐深为背景场约束，加入锚系声呐上集成的温盐深测量仪的实测数据，对多源数据进行融合处理获得声速；根据声速的空间分布特征和基站网的服务区域，分析声速剖面最优边界深度；基于深度进行分层经验正交函数分解，将声速分解为空间函数和时间函数；然后利用拟合后的时间函数和空间函数表示任意时刻、位置的声速，实现区域三维时变声速背景场的构建。
上述方案中，步骤(2)中，声速误差导致的水声测距信号传播时延表示为：
Figure BDA0003353395790000031
Figure BDA0003353395790000041
MΔ(θ)＝M(θ)tanθ＝M(ε)cotε
式中，δT为声速误差导致的水声测距信号传播时延，δTNTD、M(θ)分别为天底总延迟及其投影函数，GN、GE分别为北方向和东方向水平梯度项，MΔ(θ)为梯度项的投影函数，θ、ε分别为声线初始入射角、初始掠射角，
Figure BDA0003353395790000042
为方位角。
上述方案中，步骤(3)区域声速误差反演的公式如下：
δs＝1/(v+δv)-1/v
Figure BDA0003353395790000043
式中，δs为声速慢度误差，v为初始声速，δv为声速误差，δTj为第j条声信号由于声速误差导致的水声测距信号传播时延，(x,z,t)分别为格网的平面位置、深度及时间，dl为声信号积分路径，Γ为总路径，i为声信号历经的子格序号，i＝1,2,3,...,n。
通过上述技术方案，本发明提供的一种广播式水下导航定位系统及方法具有如下有益效果：
(1)本发明的融合坐底与锚系声呐、多源传感器集成的高精度水下广播式定位基站设备，水下基站采用坐底声呐与锚系声呐相结合的方式，两声呐之间相互测距，从而实现实时在线标校锚系声呐的精确位置，使得锚系声呐能够距离海底百米以上，极大地拓展了基站服务范围，具有独创性。
(2)本发明使得一定的服务区域内，需要在海底布设的基站的数量得以降低，使得基站利用GNSS-声学测距定位技术进行位置标校所需的时间和成本减少，风险降低。
(3)采用广播式水下定位模式，使得理论上用户终端容量无上限，并且能快速更新得到低延迟(例如秒级更新)的用户终端定位结果；
(4)本发明利用构造的多源声速背景场，以附加声速水平梯度的水声测距信号传播时延误差估计结果和慢度模型为基础，提出了基于非均匀格网模型的声速误差层析反演方法，并生成声速改正数据，能提升区域声速结构的精度。
(5)本发明可以实现水下基站锚系声呐的实时在线位置标校精度达到0.1m，终端定位精度达到0.5m，基于多源温盐深数据的区域先验声速场模型的精度达到0.5m/s，基于非均匀格网模型的播发区域声速误差改正数产品精度达到0.1m/s。
(6)本发明可以实现水下基站服务范围与距离的拓展、广播式定位的精密时间同步、声速三维时变误差的精细处理与改正，能有效解决水下导航定位成本高、效率低、精度差的问题，突破制约水下导航定位精度、连续性、可用性的技术瓶颈，能实现大范围、长距离、广播式、高精度的水下导航定位，能显著地提升水下导航定位系统的性能，具有重要的工程技术意义和应用价值。
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。
图1为本发明实施例所公开的一种广播式水下导航定位系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的声速误差在线反演及声速改正数据生成播发流程图。
图中，1、水下基站；2、用户终端；3、坐底声呐；4、锚系声呐；5、缆绳；6、水声信号；7、惯性测量单元一；8、压力计；9、温盐深测量仪；10、海流计；11、被动声呐；12、惯性测量单元二。
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。
影响水下基站服务范围和作用距离的主要因素是基站声呐距离海底的高度与水声信号性能。
本发明提供了一种广播式水下导航定位系统，如图1所示，包括分布于海底的多个水下基站1组成的基站网和位于水下的待定位的用户终端2，水下基站1包括坐底声呐3和锚系声呐4，坐底声呐3和锚系声呐4之间通过缆绳5连接。
本发明的水下基站1采用坐底声呐3与锚系声呐4集成的方式，两声呐之间可以相互测距和通信。其中，锚系声呐4集成惯性测量单元一7(IMU)，可以距离海底100m以上，从而极大地拓展服务区域。锚系声呐4还可以选配集成压力计8，用于计算深度；锚系声呐4还可以选配集成温盐深测量仪9(CTD)，用于测量温、盐、深，用于构建声速场；锚系声呐4还可以选配集成单点海流计10，用于测量海水的流速流向，估算锚系声呐4的姿态。利用坐底声呐3与锚系声呐4之间的水声测量，融合锚系声呐4的IMU观测值，实现锚系声呐4位置的实时高精度位置自标校。锚系声呐4的实时高精度位置自标校也可以融合利用压力计8、温盐深测量仪9、海流计10等传感器的测量值。
本发明的用户终端2配备被动声呐11，与水下基站1的锚系声呐4之间进行水声信号6的测距和通信，进行用户终端2的定位。用户终端2还可以选配集成惯性测量单元二12(IMU)，进行用户终端2的水声与惯性组合导航定位。
本发明通过不同水下基站1之间的自测阵时延测量，可进一步提高锚系声呐的实时动态位置标校精度。本发明的广播式水下基站1可以集成中、低频声呐，可以在广播同步式和询问应答式定位模式之间切换。
本发明提供了一种广播式水下导航定位方法，采用上述的一种广播式水下导航定位系统，包括如下步骤：
步骤一，利用GNSS-声学测距定位技术获取各坐底声呐3的位置坐标；可根据坐底声呐3的投放位置来进行GNSS-声学测距定位。
步骤二，锚系声呐4与坐底声呐3通过水声信号进行应答式测量，根据锚系声呐4测量的水声信号的时延，以及惯性测量单元一7的观测值计算锚系声呐4的位置坐标；
步骤三，锚系声呐4按预定的时间间隔生成并播发水声测距信号和声速改正数据，如图2所示，用户终端2的被动声呐11接收锚系声呐4播发的水声测距信号和声速改正数据后，解码获取水声测距信号发射时刻到水声测距信号接收时刻的水声时延和声速改正数据，根据水声时延和声速改正数据确定自身位置；在定位过程中，各水下基站的锚系声呐4之间，以及用户终端2与基站网之间进行定期时间同步。
水声信号6传播时间不仅包含了距离信息，还包含了信号传播路径的声速信息。可以利用海洋温盐深信息构建声速背景场，以声速时空变化与信号传播时间的关系为基础，得到声速误差层析反演与修正方法，从而为区域水下导航定位提供精细化的声速误差改正。
其中，声速改正数据的生成与播发包括如下步骤：
(1)利用多源数据计算声速，将声速分解为空间函数和时间函数，构建声速背景场，具体如下：
以现有的区域海洋分析资料、数值预报模式的温盐深为背景场约束，加入温盐深测量仪的实测数据，对多源数据进行融合处理获得声速；根据声速的空间分布特征和基站网的服务区域，分析声速剖面最优边界深度；基于深度进行分层经验正交函数(EOF)分解，将声速分解为空间函数和时间函数；然后利用拟合后的时间函数和空间函数表示任意时刻、位置的声速，实现区域三维时变声速背景场的构建。
(2)将构建的声速背景场作为先验值，以各水下基站的锚系声呐4相互之间实时观测的水声测距信号的传播时延数据为输入，获取包含水平梯度的声速误差导致的水声测距信号传播时延；
本发明基于声速变化水平分层的假设，引入天底总延迟，建立垂向水声测距信号传播时延误差表达式；考虑声信号传播误差在水平方向的差异，引入声速水平梯度项，建立北向、东向的梯度时延分解式；以获取信号路径上的时延误差为目的，基于声线入射角、方位角等参数建立投影函数，将垂向时延误差及水平梯度时延投影至声线方向，构建投影函数；以第(1)步构建的声速背景场为先验值，以实时观测数据(声信号传播时间、基站位置等)为输入，进行附加声速水平梯度的声速误差估计。
声速误差导致的水声测距信号传播时延表示为：
Figure BDA0003353395790000071
Figure BDA0003353395790000072
MΔ(θ)＝M(θ)tanθ＝M(ε)cotε
式中，δT为声速误差导致的水声测距信号传播时延，δTNTD、M(θ)分别为天底总延迟及其投影函数，GN、GE分别为北方向和东方向水平梯度项，MΔ(θ)为梯度项的投影函数，θ、ε分别为声线初始入射角、初始掠射角，
Figure BDA0003353395790000073
为方位角。
(3)利用声速误差导致的水声测距信号传播时延构建声速误差层析方程组，通过增加约束条件，进行区域声速误差反演；
本发明反演区域的声速误差，建立水声时延观测值与慢度积分的表达式，基于声信号路径对慢度进行积分并离散化，以构建声速误差层析方程组；
根据水下基站1的状态(静态、动态、海面及水下等)分析声信号覆盖范围，选取合适的格网模型(如长方体或倒锥体等)表示积分区域；
基于声信号疏密程度与声速变化特征设置格网分辨率，构建非均匀格网模型，并提取慢度的积分路径长度，实现层析方程组的系数阵构建；
由于声线无法穿过所有格网，导致层析方程组的不适定性问题，本发明增加约束方程获取层析方程组的唯一解，如以距离加权平均等方式建立同层声速误差改正参数间的水平约束关系，通过线性拟合等方式表征声速垂向变化，利用拟合多项式附加垂直约束方程；根据声速背景场对声速误差赋初值和精度，由于海洋深处声速变化趋于稳定，可强制约束格网下边界附近的声速误差值为零或一个极小数值；
联合约束条件和层析方程组，本发明采用等价权进行声速误差解算；提取修正后的声速结构，以实测声速数据为参考，评估区域声速精度及时效性。
区域声速误差反演的公式如下：
δs＝1/(v+δv)-1/v
Figure BDA0003353395790000081
式中，δs为声速慢度误差，v为初始声速，δv为声速误差，δTj为第j条声信号由于声速误差导致的水声测距信号传播时延，(x,z,t)分别为格网的平面位置、深度及时间，dl为声信号积分路径，Γ为总路径，i为声信号历经的子格序号，i＝1,2,3,...,n。
(4)利用上一步得到的区域声速误差和基站系统自定义的声速基准，生成并播发声速改正数据。
本发明的水下基站1之间相互传输声学观测数据，分布式独立进行声速误差估计，修正并更新声速场；为了提高数据播发效率、节约传输成本，本发明采用基于参数重构的声速改正数产品，利用第(3)步估计得到的声速结果和基站系统自定义的声速基准，计算区域格网(x,z,t)的声速改正数据，并建立声速改正数与格网位置的参数表达，在此基础上，各基站播发重构的参数信息。
本发明的声速改正数产品的格式，主要包括时间、基站标记、位置、声速改正重构参数及自定义声速基准等字段，按格网空间位置、字段定义顺序依次编码数据。基于声速数据的时效性，各声学基站向区域范围内用户主动播发声速改正数产品；终端用户被动接收基站播发的消息后，解码获取声速改正产品，根据用户概略位置信息，进行格网内插或外推以获取声速改正等信息，基于修正的声速，终端用户可以实现高精度的位置解算、钟差估计、声速校正等功能。
在定位过程中，广播式水下定位系统需要在水下基站的锚系声呐4和用户终端2之间维持高精度的时钟同步。
本发明的水下基站1在布放之前，一般利用外部精确时钟源(如GNSS授时)进行时钟偏差校准，校准完毕后多个水下基站1之间的时钟可认定是严格同步的，偏差在纳秒量级。但是随着水下时间累积和温盐等环境差异，不同水下基站1之间的时钟偏差会增大。为保证终端定位精度，需要修正水下基站1之间的时钟偏差，以达到水下基站之间的时间同步。
本发明的水下基站1配备高精度芯片级原子钟或石英钟，并能定期与海面GNSS-声学授时进行联测，修正基站时钟漂移，维持绝对时间基准。
本发明的水下基站1之间进行定期联测和时间同步偏差自修正，维持水下相对时间基准。本发明进行水下基站1之间的时间同步时，可以认为短时间内水下时钟是稳定的，并且短时间内海流较为稳定，短时间内水下基站的锚系声呐4位置不变。
各水下基站的锚系声呐4之间的时间同步通过两个锚系声呐4之间的两次应答式测量，并利用海流计10测量的流速流向进行修正，实现两个锚系声呐4之间的时间同步，具体方法如下：
锚系声呐A发射一个脉冲信号，锚系声呐B接收该脉冲信号并处理得到时延tB1；然后，锚系声呐B在约定的延时Δd后应答一个脉冲信号，锚系声呐A接收该脉冲信号；然后，锚系声呐A在相同的约定的延时Δd后再次应答一个脉冲信号，锚系声呐B接收到该脉冲信号计算得到锚系声呐B发收两个脉冲信号之间的时延tB2；
设海流修正为Δc，若无海流观测则Δc＝0，则锚系声呐B根据测量的tB1和tB2计算得到锚系声呐B与锚系声呐A之间的同步时间偏差ΔT为：ΔT＝0.5*(tB2-Δd)+Δc-tB1；锚系声呐B根据同步时间偏差ΔT调整自身时钟，实现与锚系声呐A的时间同步；
利用同样的方法能得到其他锚系声呐与锚系声呐A之间的同步时间偏差，利用同样的方法得到任意两个相邻锚系声呐之间的同步时间偏差，进行同步偏差修正，从而实现所有锚系声呐之间的精密时间同步。
用户终端2与基站网之间的时间同步方法如下：
用户终端2的钟差模型描述为二次多项式模型：
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2；
式中，Δt为用户终端2与基站网之间的钟差，toc代表钟差模型选定的起始参考时间，a0、a1、a2分别为用户终端2时钟的钟偏、钟速与频漂参数，t为用户终端2接收声信号的时间；
用户终端2在接收到基站网水声测距信号确定自身位置的解算过程中，参数估计获得的钟差Δt代入上式，可求得a0、a1、a2，当用户终端2没有接收到基站网水声测距信号时，通过该二次多项式模型预报钟差Δt，完成用户终端2与基站网之间的时间同步。
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 (10)

1.一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，包括分布于海底的多个水下基站组成的基站网和位于水下的待定位的用户终端，所述水下基站包括坐底声呐和锚系声呐，所述坐底声呐和锚系声呐之间通过缆绳连接、并通过水声信号测距和通信，所述锚系声呐上集成有惯性测量单元一，所述用户终端配置有被动声呐，所述被动声呐单向接收锚系声呐发出的水声信号进行测距和通信。
2.根据权利要求1所述的一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，所述锚系声呐上还集成有温盐深测量仪、压力计和海流计，所述用户终端还配置有惯性测量单元二。
3.一种广播式水下导航定位方法，采用如权利要求1所述的一种广播式水下导航定位系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，利用GNSS-声学测距定位技术获取各坐底声呐的位置坐标；
步骤二，锚系声呐与坐底声呐通过水声信号进行应答式测量，根据锚系声呐测量的水声信号的时延，以及惯性测量单元一的观测值计算锚系声呐的位置坐标；
步骤三，锚系声呐按预定的时间间隔生成并播发水声测距信号和声速改正数据，用户终端的被动声呐接收锚系声呐播发的水声测距信号和声速改正数据后，解码获取水声测距信号发射时刻到水声测距信号接收时刻的水声时延和声速改正数据，根据水声时延和声速改正数据确定自身位置；在定位过程中，各水下基站的锚系声呐之间，以及用户终端与基站网之间进行定期时间同步。
4.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤二中，采用锚系声呐上集成的温盐深测量仪、压力计和海流计测量的数据辅助计算锚系声呐的位置坐标。
5.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，声速改正数据的生成方式包括如下步骤：
(1)利用多源数据计算声速，将声速分解为空间函数和时间函数，构建声速背景场；
(2)将构建的声速背景场作为先验值，以各水下基站的锚系声呐相互之间实时观测的水声测距信号的传播时延数据为输入，获取包含水平梯度的声速误差导致的水声测距信号传播时延；
(3)利用声速误差导致的水声测距信号传播时延，构建声速误差层析方程组，通过增加约束条件，进行区域声速误差反演；
(4)利用上一步得到的区域声速误差和基站系统自定义的声速基准，生成声速改正数据。
6.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，各水下基站的锚系声呐之间的时间同步通过两个锚系声呐之间的两次应答式测量，并利用海流计测量的流速流向进行修正，实现两个锚系声呐之间的时间同步，具体方法如下：
锚系声呐A发射一个脉冲信号，锚系声呐B接收该脉冲信号并处理得到时延tB1；然后，锚系声呐B在约定的延时Δd后应答一个脉冲信号，锚系声呐A接收该脉冲信号；然后，锚系声呐A在相同的约定的延时Δd后再次应答一个脉冲信号，锚系声呐B接收到该脉冲信号处理得到锚系声呐B发收两个脉冲信号之间的时延tB2；
设海流修正为Δc，若无海流观测则Δc＝0，则锚系声呐B根据测量的tB1和tB2计算得到锚系声呐B与锚系声呐A之间的同步时间偏差ΔT为：ΔT＝0.5*(tB2-Δd)+Δc-tB1；锚系声呐B根据同步时间偏差ΔT调整自身时钟，实现与锚系声呐A的时间同步；
利用同样的方法能得到其他锚系声呐与锚系声呐A之间的同步时间偏差，利用同样的方法得到任意两个相邻锚系声呐之间的同步时间偏差，进行同步偏差修正，从而实现所有锚系声呐之间的精密时间同步。
7.根据权利要求3所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，用户终端与基站网之间的时间同步方法如下：
用户终端的钟差模型描述为二次多项式模型：
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2；
式中，Δt为用户终端与基站网之间的钟差，toc代表钟差模型选定的起始参考时间，a0、a1、a2分别为用户终端时钟的钟偏、钟速与频漂参数，t为用户终端接收声信号的时间；
用户终端在接收到基站网水声测距信号确定自身位置的解算过程中，参数估计获得的钟差Δt代入上式，可求得a0、a1、a2；当用户终端没有接收到基站网水声测距信号时，通过该二次多项式模型预报钟差Δt，完成用户终端与基站网之间的时间同步。
8.根据权利要求5所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，步骤(1)声速背景场的构建方法如下：以现有的区域海洋分析资料、数值预报模式的温盐深为背景场约束，加入锚系声呐上集成的温盐深测量仪的实测数据，对多源数据进行融合处理获得声速；根据声速的空间分布特征和基站网的服务区域，分析声速剖面最优边界深度；基于深度进行分层经验正交函数分解，将声速分解为空间函数和时间函数；然后利用拟合后的时间函数和空间函数表示任意时刻、位置的声速，实现区域三维时变声速背景场的构建。
9.根据权利要求5所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，步骤(2)中，声速误差导致的水声测距信号传播时延表示为：
Figure FDA0003353395780000031
Figure FDA0003353395780000032
MΔ(θ)＝M(θ)tanθ＝M(ε)cotε
式中，δT为声速误差导致的水声测距信号传播时延，δTNTD、M(θ)分别为天底总延迟及其投影函数，GN、GE分别为北方向和东方向水平梯度项，MΔ(θ)为梯度项的投影函数，θ、ε分别为声线初始入射角、初始掠射角，
Figure FDA0003353395780000033
为方位角。
10.根据权利要求5所述的一种广播式水下导航定位方法，其特征在于，步骤(3)区域串速误差反演的公式如下：
δs＝1/(υ+δυ)-1/υ
Figure FDA0003353395780000034
式中，δs为声速慢度误差，υ为初始声速，δυ为声速误差，δTj为第j条声信号由于声速误差导致的水声测距信号传播时延，(x，z，t)分别为格网的平面位置、深度及时间，dl为声信号积分路径，Γ为总路径，i为声信号历经的子格序号，i＝1，2，3，...，n。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116367176A (zh) * 2022-11-30 2023-06-30 哈尔滨工程大学 一种主从式海底基准站控制网布设方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116973899B (zh) * 2023-07-17 2024-04-02 哈尔滨工程大学 一种基于凸聚类的冰下多目标定位方法和装置
CN116628396B (zh) * 2023-07-25 2024-02-02 浙江大学海南研究院 一种基于平滑插值的水下装备声线弯曲修正方法
CN117202346B (zh) * 2023-09-11 2024-03-08 自然资源部大地测量数据处理中心 一种高精度定位服务的调度播发方法和系统
CN117452465B (zh) * 2023-12-26 2024-02-23 中国测绘科学研究院 一种海面多gnss天线和声呐组合定位方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7542376B1 (en) * 2006-07-27 2009-06-02 Blueview Technologies, Inc. Vessel-mountable sonar systems
CN105974363B (zh) * 2016-05-05 2018-08-31 哈尔滨工程大学 一种基于声测误差相关性的水下增强定位方法
CN106501774B (zh) * 2016-09-29 2019-02-01 南京邮电大学 一种水下声传感器网络节点定位方法
CN110907979A (zh) * 2019-12-12 2020-03-24 北京致感致联科技有限公司 一种漂浮式基站的水下定位系统
CN112068078B (zh) * 2020-07-20 2024-03-15 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种组合长基线深海水声定位方法
CN113525593A (zh) * 2021-06-22 2021-10-22 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种锚系数传一体化声呐监测浮标系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116367176A (zh) * 2022-11-30 2023-06-30 哈尔滨工程大学 一种主从式海底基准站控制网布设方法
CN116367176B (zh) * 2022-11-30 2024-05-10 哈尔滨工程大学 一种主从式海底基准站控制网布设方法

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