CN116859335A - 自平衡浮标及超短基线定位系统 - Google Patents

自平衡浮标及超短基线定位系统 Download PDF

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祝继锋
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Abstract

本发明实施例提供的自平衡浮标及超短基线定位系统，该自平衡浮标包括，主控箱、GPS模块、USBL基阵、太阳能电池板、浮标体、安装底座、万向节联轴器和配重块，GPS模块包括GPS天线；主控箱、GPS天线和太阳能电池板安装在浮标体上，浮标体与安装底座连接安装，万向节联轴器的第一连接头与安装底座连接安装，万向节联轴器的第二连接头与USBL基阵连接安装，配重块安装在USBL基阵上；USBL基阵和GPS天线均与主控箱电连接，主控箱、GPS天线和USBL基阵均与太阳能电池板电连接；该系统用于确定待定位信标的位置信息。本发明中的自平衡浮标中无需部署姿态传感器，通过主控箱、GPS模块和USBL基阵等器件实现水中精准定位，节省了定位成本，有利于大面积地作为定位节点进行布放。

Description

自平衡浮标及超短基线定位系统
技术领域
本发明实施例涉及水下定位技术领域，尤其涉及一种自平衡浮标及超短基线定位系统。
背景技术
近年来，随着陆地能源的匮乏以及各国对海洋领域的大力发展，水下传感器节点获得了越来越多的关注。作为代替人类，实现深远海探测的水下传感器节点携带着摄像机、声呐、温盐深传感器、海流计等，开展着越来越多，且越来越复杂的海洋探测任务。
水下物联网(IoUT，Internet of Underwater Things)通过有线/无线的方式为水下节点与水面节点的交互提供了强有力的通信支持和全局定位支持，提高了采集数据的有效性。和陆地不同，水下通过声学进行定位，定位距离一般在几公里以内，因此在IoUT中，要实现为所有任务节点提供定位服务，需要部署大量的可提供定位服务的定位节点。
IoUT中常见的定位节点为浮标基超短基线(USBL，Ultra-Short Baseline)，虽然USBL可以适用于IoUT，但是其精度和其携带的姿态传感器精度直接相关，高精度的姿态传感器占USBL总成本的50％以上，不利于大面积地作为定位节点进行布放。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种自平衡浮标及超短基线定位系统，该自平衡浮标无需部署姿态传感器，便能精确实现水中定位，大大节省了定位成本，有利于大面积地作为定位节点进行布放。
第一方面，本发明实施例提供一种自平衡浮标，其中，该自平衡浮标包括：主控箱、GPS模块、USBL基阵、太阳能电池板、浮标体、安装底座、万向节联轴器和配重块，GPS模块包括GPS天线；
其中，主控箱、GPS天线和太阳能电池板安装在浮标体上，浮标体与安装底座连接安装，万向节联轴器的第一连接头与安装底座连接安装，万向节联轴器的第二连接头与USBL基阵连接安装，配重块安装在USBL基阵上；
USBL基阵和GPS天线均与主控箱电连接，主控箱、GPS天线和USBL基阵均与太阳能电池板电连接；
该自平衡浮标用于确定处于同一水域的待定位信标的位置信息。
在一个可能的实施方式中，浮标体为圆盘形结构，材质为聚乙烯工程塑料；配重块的材料为铁包铅。
在一个可能的实施方式中，自平衡浮标还包括：置于主控箱内且相互连接的主控模块和通信模块；
通信模块，与指控中心连接，用于接收指控中心下发的针对待定位信标的定位指令；
所述主控模块，用于通过主控模块将定位指令发送至USBL基阵，定位指令中携带有待定位信标的信标标识；
USBL基阵，用于向信标标识对应的待定位信标发送定位信号，接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号，并将回传信号携带的待定位信标的状态信息，以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块，回传信号还携带有回传信息；
GPS天线，用于实时定位出自平衡浮标的定位信息，并将定位信息，以及与定位信息对应的定位时间发送至主控模块；
所述主控模块，还用于从多个定位信息中确定与接收时间匹配的定位时间对应的目标定位信息，在检测出状态信息为动态状态信息时，向USBL基阵发送第一触发指令；
USBL基阵，还用于接收第一触发指令，在第一触发指令下基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息，并将相对位置信息发送至主控模块；
主控模块，还用于基于目标定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
在一个可能的实施方式中，主控模块，还用于在检测出状态信息为静态状态信息时，向USBL基阵发送第二触发指令；
USBL基阵，还用于接收第二触发指令，在第二触发指令下基于回传信息确定有效声速，并将有效声速和回传信息中包括的传播时延发送至主控模块；其中，传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长；
主控模块，还用于基于目标定位信息、有效声速和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
在一个可能的实施方式中，USBL基阵，还用于从回传信息中提取传播时延、深度信息，以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速，基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息；其中，传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长，水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离，有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系。
在一个可能的实施方式中，主控模块，还用于从目标定位信息中提取自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角，基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果。
在一个可能的实施方式中，USBL基阵，还用于从回传信息中提取传播时延、深度信息，以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速，并将有效声速发送至主控模块；其中，水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离，有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系；
主控模块，还用于从目标定位信息中提取自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息，基于有效声速、地理定位信息和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
在一个可能的实施方式中，该自平衡浮标还包括：与主控模块连接的电源检测模块；
电源检测模块，用于检测太阳能电池板的电量，并将电量发送至主控模块；
主控模块，还用于比较电量与预设电量阈值的大小，在比较出电量小于预设电量阈值时，生成报警信息，并将报警信息通过通信模块发送至指控中心。
在一个可能的实施方式中，该自平衡浮标还包括：与通信模块和主控模块均连接的继电器；
通信模块，还用于接收指控中心下发的控制指令，控制继电器执行与控制指令对应的操作，实现对主控模块的控制；其中，控制指令为重启指令或关机指令。
在一个可能的实施方式中，该自平衡浮标还包括：与主控模块连接的无线电台，以及与太阳能电池板连接的网位仪；
主控模块，还用于在预设时间段内未接收到通信模块发送的定位指令或控制指令时，切换为无线电台接收定位指令或控制指令；
网位仪，用于搜索预设范围内的行驶船只，向行驶船只发送自平衡浮标的位置信息。
第二方面，本发明实施例提供一种超短基线定位系统，其中，该系统包括：上述的自平衡浮标及与至少一个待定位信标，自平衡浮标和待定位信标进行水声通信，且处于同一水域。
本发明实施例提供的自平衡浮标及超短基线定位系统，包括，主控箱、GPS模块、USBL基阵、太阳能电池板、浮标体、安装底座、万向节联轴器和配重块，GPS模块包括GPS天线；主控箱、GPS天线和太阳能电池板安装在浮标体上，浮标体与安装底座连接安装，万向节联轴器的第一连接头与安装底座连接安装，万向节联轴器的第二连接头与USBL基阵连接安装，配重块安装在USBL基阵上；USBL基阵和GPS天线均与主控箱电连接，主控箱、GPS天线和USBL基阵均与太阳能电池板电连接；该系统用于确定待定位信标的位置信息。本发明中的自平衡浮标中无需部署姿态传感器，便能通过主控箱、GPS模块和USBL基阵等器件实现水中精准定位，大大节省了定位成本，有利于大面积地作为定位节点进行布放。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种自平衡浮标的组装结构示意图；
图2为本发明实施例提供一种万向节联轴器的局部放大图；
图3为本发明实施例提供一种自平衡浮标的模块结构示意图；
图4为本发明实施例提供另一种自平衡浮标的模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供一种自平衡浮标，图1示出了一种自平衡浮标的组装结构示意图，如图1所示，该自平衡浮标包括主控箱100、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块、USBL(Ultra Short Baseline，水下超短基线跟踪定位系统)基阵102、太阳能电池板103、浮标体104、安装底座105、万向节联轴器106和配重块107，GPS模块包括GPS天线101；如图1所示，主控箱100、GPS天线101和太阳能电池板103安装在浮标体104上，浮标体104与安装底座105连接安装，万向节联轴器106的第一连接头(图1中未示出)与安装底座105连接安装，万向节联轴器106的第二连接头(图1中未示出)与USBL基阵102连接安装，配重块107安装在USBL基阵102上；USBL基阵102和GPS天线101均与主控箱100电连接(图1中未示出)，主控箱100、GPS天线101和USBL基阵102均与太阳能电池板103电连接(图1中未示出)；该自平衡浮标用于确定处于同一水域的待定位信标的位置信息。其中，该位置信息为待定位信标在大地坐标系下的位置。
具体地，太阳能电池板将太阳辐射能转换为电能，并将电能储存至电池中，以为整个自平衡浮标提供稳定可靠的电源保障。
浮标体的材质为聚乙烯工程塑料，为自平衡浮标提供正浮力，且浮标体设计为圆盘形结构，在避免碰撞造成的损害外，为系统提供了平稳的载体平台，抗倾覆能力较强。
通常，安装底座其中间开有小孔，用于实现USBL基阵的线缆与主控箱的连接。
万向节联轴器：在机械传动系统中起到了连接、传递扭矩、减小轴向不一致、缓解振动和冲击、保护传动部件等作用。由于海浪、退潮和涨潮的影响，在海上作业时，自平衡浮标的晃动频率较高，当自平衡浮标不安装高精度姿态传感器时，无法对晃动造成的精度损失进行补偿的，因此采用万向联轴器在满足艏向角平稳传递的过程中，避免了自平衡浮标的俯仰角和横滚角对水声定位造成影响，为了便于展示万向节联轴器，图2为万向节联轴器的局部放大图。
配重块的主要作用为通过和水流引起的冲击力抵消，以保证USBL基阵处于垂直向下的状态，所以，配重块的重量要重，通常为铁包铅。
图3示出了一种自平衡浮标的模块结构示意图，如图3所示，自平衡浮标30还包括：置于主控箱100内且相互连接的主控模块300和通信模块301；通信模块301与指控中心连接，用于接收指控中心下发的针对待定位信标的定位指令，主控模块300，用于通过RS232接口将定位指令输出至USBL基阵102，定位指令中携带有待定位信标的信标标识；USBL基阵102，用于向信标标识对应的待定位信标发送定位信号，接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号，并将回传信号携带的待定位信标的状态信息，以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块300，回传信号还携带有回传信息；GPS天线，用于实时定位出自平衡浮标的定位信息，并将定位信息，以及与定位信息对应的定位时间发送至主控模块300；主控模块300，还用于从多个定位信息中确定与接收时间匹配的定位时间对应的目标定位信息，在检测出状态信息为动态状态信息时，向USBL基阵102发送第一触发指令；USBL基阵102，还用于接收第一触发指令，在第一触发指令下基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息，并将相对位置信息发送至主控模块300；主控模块300，还用于基于目标定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
具体地，上述主控模块可以是ARM(Advanced RISC Machines，精简指令集(RISC)处理器架构)或单片机等控制器；在实际应用时，如果指控中心是用4G信号发送定位指令的，则通讯模块为能够接收4G信号的4G模块，若指控中心是用5G信号发送定位指令的，则通讯模块为能够接收5G信号的5G模块，通信模块的类型是由指控中心发送的定位指令的信号类型确定的，在此不进行限定。
当主控模块接收到定位指令后，主控模块可通过RS232将定位指令打包后发送给USBL基阵，USBL基阵解析定位指令得到定位指令携带的待定位信标的信标标识后，在预设的时隙内通过定位信号与信标标识对应的待定位信标进行通信，以接收待定位信标发回的针对定位信号的回传信号。其中，信标标识为待定位信标的唯一标识信息，通常，可用字母、数字、符号或其组合进行表示，在此不进行限定。
回传信号中携带的状态信息用于说明待定位信标当前在海水中的状态，通常，状态信息分成两种，一种是动态状态信息说明待定位信标当前在水中是运动的，另一种是静态状态信息说明待定位信标当前在水中是静止的，回传信息为与待定位信标相关的信息，后续在进行定位时再具体说明，在此先不进行详述。
上述GPS天线可以为GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)，也可以为GPS、伽利略卫星导航等定位系统，在此不进行限定。具体使用时，主控模块将GPS天线发送的各个定位信息，以及与各个定位信息对应的定位时间进行存储，以便于从多个定位信息中确定出定位模块在接收时间定位出的自平衡浮标的目标定位信息。
主控模块还在检测出待定位信标的状态信息为动态状态信息时，对待定位信标进行一次定位即确定待定位信标的USBL的定位结果，具体实现时，主控模块先触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息，然后，主控模块再基于在接收时间定位出的自身目标定位信息和USBL基阵发送的相对位置信息确定出待定位信标的在大地坐标系下的绝对位置即USBL定位结果。
本实施例提供的自平衡浮标，该自平衡浮标中无需部署姿态传感器，仅通过自平衡浮标包括的主控箱、GPS模块和USBL基阵等器件便能对待定位信标进行精准定位，大大节省了定位成本，有利于大面积地作为定位节点进行布放。
具体实现时，USBL基阵确定相对位置信息的过程为：USBL基阵，还用于从回传信息中提取传播时延、深度信息，以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速，基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息；其中，传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长，水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离，有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系。
上述待定位信标处理定位信号包括但不限于解析、定位信号判断等处理。
深度信息用于说明待定位信标当前所在水位距离水面的距离，温度信息和盐度信息用于说明待定位信标当前所在水位的海水的温度和盐度，通过传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息能够计算出声速曲线，然后再通过声速曲线计算出声速水平传播距离，其中，计算声速曲线和声速水平传播距离的过程为现有计算过程，在此不进行赘述，上述通过传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息计算出的声速为真实声速，但不是传播过程中的有效声速。
通过对有效声速表的描述，表1示出了一种有效声速表的实例，如表1所示：
表1
需要说明的是，表1中仅示出了水声水平传播距离和深度信息与有效声速之间对应关系的示例，具体水声水平传播距离和深度信息与有效声速的对应关系可根据实际测量得到的声速建表获得，在此不进行限定。
水声定位的精度受声速的影响较大，因此在实际使用过程中，需要事先采用声线追踪技术利用温盐深传感器对任务海域的声场环境进行建表，构造上述有效声速表，并在使用过程中，通过查表的方式修正声速。
上述基于声线追踪技术构建有效声速表的过程如下：
首先，根据水声声线的水声水平传播距离、待定位信标的深度以及USBL基阵的深度三者之间的关系构建如下的关系式：
其中，x(Z)表示水声水平传播距离，Z表示待定位信标的深度信息，Z0表示USBL基阵的深度信息，c1(Z)表示在待定位信标所在深度的真实声速，n表示Snell定律参数。
其中，Snell定律参数n表示如下：
其中，c1(Z0)表示在USBL基阵所在深度的真实声速，θ(Z0)表示水声的声线与USBL基阵的入射角度，θ(Z)表示水声的声线与待定位信标的入射角度。
假设SSP(Sound Speed Profile，声速剖面)为具有恒定声速梯度的分层介质，因此可以根据分层的精度，划分声线，利用传播时延和温盐深传感器获取的深度信息、温度信息和盐度信息连贯性较差，利用五阶多项式对齐进行拟合以及平滑化，并根据分层情况获得水声水平传播距离、深度与真实声速的对应关系，即上述c1(Z)可用待定位信标上的温盐深传感器获取到的深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算得到，具体基于深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算声速为现有技术，在此不进行详述，同理，c1(Z0)可用温盐深传感器获取到的USBL基阵所在水域处的深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算得到，且，上述θ(Z0)和θ(Z)均为已知量，因此，能够通过公式(2)求解出n，将求解出的n代入公式(1)中求解出x(Z)。
之后，根据有效声速、水声水平传播距离和传播时延三者之间的关系构建如下的关系式：
其中，c表示有效声速，t(Z)表示待定位信标发送回传信息到USBL基阵的传播时延。
利用穷举法，遍历水声声线的入射角度，通过公式(1)和公式(2)得到在不同入射角度下水声水平传播距离、深度与真实声速的对应关系，然后将传播时延以及不同入射角度下得到的水声水平传播距离代入公式(3)中得到不同水声水平传播距离下的有效声速，最后，基于得到的不同有效声速、水声水平传播距离和深度信息构建得到上述有效声速表。
基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息可通过下式计算得到：
其中，表示相对位置信息，R表示待定位信标与USBL基阵之间的斜距，c表示有效声速，T表示传播时延，Δt1、Δt2表示USBL基阵中不同基元间收到回传信号的时间差，d表示USBL基阵中基元之间的基线长度，/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系x轴的夹角，/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系y轴的夹角。
主控模块确定USBL定位结果的过程为：主控模块，还用于从目标定位信息中提取自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角，基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果。
地理定位信息和艏向角均通过GPS天线确定得到，GPS天线确定地位定位信息和艏向角的过程为现有技术，在此不进行详述。在主控模块确定出待定位信标的USBL定位结果后，可通过水声信号将USBL定位结果发送给待定位信标，以使待定位信标明确当前在大地坐标系下的位置信息。
其中，基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果可通过下式计算得到：
其中，表示待定位信标的USBL定位结果，/>表示相对位置信息，/>表示自平衡浮标的地理定位信息，/>表示从自平衡浮标的浮标坐标系转换到大地坐标系的欧拉旋转矩阵，A表示艏向角，/>表示USBL基阵坐标系与所述浮标坐标系之间的欧拉旋转矩阵，其中α表示在z轴方向上，USBL基阵与自平衡浮标之间的安装角度误差，/>为USBL基阵坐标系与浮标坐标系在三个方向的安装位移误差。
在实际使用过程中，待定位信标可能存在着长时间或短时间的静止状态，该系统可以为其提供定位精度更高的距离交汇定位服务即确定待定位信号的LBL(Long BaseLine，长基线)定位结果。具体地，主控模块，还用于在检测出状态信息为静态状态信息时，向USBL基阵发送第二触发指令；USBL基阵，还用于接收第二触发指令，在第二触发指令下基于回传信息确定有效声速，并将有效声速和回传信息中包括的传播时延发送至主控模块；其中，传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长；主控模块，还用于基于目标定位信息、有效声速和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
具体确定LBL定位结果的过程为：USBL基阵，还用于从回传信息中提取传播时延、深度信息，以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速，并将有效声速发送至主控模块；其中，水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离，有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系；主控模块，还用于从目标定位信息中提取自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息，基于有效声速、地理定位信息和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
USBL基阵确定有效声速的过程可参见上述描述过程，在此不进行赘述，其中，基于有效声速、地理定位信息和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果可通过下式计算得到：
其中，c表示有效声速，T表示传播时延，[xB，yB，zB]表示地理定位信息，[xG，yG，zG]表示待定位信标的LBL定位结果，V表示观测残差。
具体实现时，可基于多个自平衡浮标各自对应的有效声速、传播时延和地理定位信息联立方程，解得LBL定位结果。考虑到上述系统无法进行人为干预，因此需要具备自主剔除野点的能力，为上述公式引入M估计方法，以最小化野点对迭代过程和结果的影响，结合Levenberg-Marquardt(列文伯格-马夸尔特法)迭代，获得距离交汇定位结果即LBL定位结果，并通过水声通信的方式，将LBL定位结果传递至待定位信标。
在图3的基础上，图4示出了另一种自平衡浮标的模块结构示意图，如图4所示，主控箱100除了包括相互连接的主控模块300和通信模块301之外，自平衡浮标30还包括：与主控模块300连接的电源检测模块401；其中，电源检测模块401，用于检测太阳能电池板的电量，并将电量发送至主控模块300；主控模块300，还用于比较电量与预设电量阈值的大小，在比较出电量小于预设电量阈值时，生成报警信息，并将报警信息通过通信模块发送至指控中心。
预设电量阈值可以根据实际需要进行设置，在此不进行限定，当指控中心接收到报警信息后，可调整该系统的太阳能电池板不向该水域的水下传感器进行供电，使用其他电能充足的系统为其进行供电，提高全网络的能源利用率。
如图4所示，自平衡浮标30还包括：与通信模块301和主控模块300均连接的继电器402；其中，通信模块301还用于接收指控中心下发的控制指令，控制继电器402执行与控制指令对应的操作，实现对主控模块300的控制；其中，控制指令为重启指令或关机指令。通过继电器对主控模块的重启或关机以达到故障排查和节约电能的目的。
如图4所示，自平衡浮标30还包括：与主控模块300连接的无线电台403；
主控模块300还用于在预设时间段内未接收到通信模块发送的定位指令或控制指令时，切换为无线电台接收定位指令或控制指令。
如果通信模块在预设时间段内未向主控模块发送定位指令或控制指令，说明海上信号较弱，则可以通过无线电台接收指控中心下发的定位指令或控制指令，以保证正常定位。
如图4所示，主控箱100还包括：与太阳能电池板103连接的网位仪404；其中，网位仪用于搜索预设范围内的行驶船只，向行驶船只发送自平衡浮标的位置信息。避免与来往船只发生碰撞，同时可以实现自平衡浮标的安全监测，该位置信息即为网位仪确定出的自平衡浮标在大地坐标系下的位置。
本发明实施例提供一种超短基线定位系统，其中，该系统包括：上述的自平衡浮标及与至少一个待定位信标，自平衡浮标和待定位信标进行水声通信，且处于同一水域。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种自平衡浮标，其特征在于，所述自平衡浮标包括主控箱、GPS模块、USBL基阵、太阳能电池板、浮标体、安装底座、万向节联轴器和配重块，所述GPS模块包括GPS天线；
其中，所述主控箱、所述GPS天线和所述太阳能电池板安装在所述浮标体上，所述浮标体与所述安装底座连接安装，所述万向节联轴器的第一连接头与所述安装底座连接安装，所述万向节联轴器的第二连接头与所述USBL基阵连接安装，所述配重块安装在所述USBL基阵上；
所述USBL基阵和所述GPS天线均与所述主控箱电连接，所述主控箱、所述GPS天线和所述USBL基阵均与所述太阳能电池板电连接；
所述自平衡浮标用于确定处于同一水域的待定位信标的位置信息。
2.根据权利要求1所述的自平衡浮标，其特征在于，所述浮标体为圆盘形结构，材质为聚乙烯工程塑料；所述配重块的材料为铁包铅。
3.根据权利要求1所述的自平衡浮标，其特征在于，所述自平衡浮标还包括：置于所述主控箱内且相互连接的主控模块和通信模块；
所述通信模块，与指控中心连接，用于接收所述指控中心下发的针对待定位信标的定位指令；
所述主控模块，用于将所述定位指令发送至所述USBL基阵，所述定位指令中携带有所述待定位信标的信标标识；
所述USBL基阵，用于向所述信标标识对应的待定位信标发送定位信号，接收所述待定位信标发送的针对所述定位信号的回传信号，并将所述回传信号携带的所述待定位信标的状态信息，以及所述待定位信标接收所述定位信号的接收时间发送至所述主控模块，所述回传信号还携带有回传信息；
所述GPS天线，用于实时定位所述自平衡浮标的定位信息，并将所述定位信息，以及与所述定位信息对应的定位时间发送至所述主控模块；
所述主控模块，还用于从多个定位信息中确定与接收时间匹配的定位时间对应的目标定位信息，在检测出所述状态信息为动态状态信息时，向所述USBL基阵发送第一触发指令；
所述USBL基阵，还用于接收所述第一触发指令，在所述第一触发指令下基于所述回传信息确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息，并将所述相对位置信息发送至所述主控模块；
所述主控模块，还用于基于所述目标定位信息和所述相对位置信息确定所述待定位信标的USBL定位结果。
4.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述主控模块，还用于在检测出所述状态信息为静态状态信息时，向所述USBL基阵发送第二触发指令；
所述USBL基阵，还用于接收所述第二触发指令，在所述第二触发指令下基于所述回传信息确定有效声速，并将所述有效声速和所述回传信息中包括的传播时延发送至所述主控模块；其中，所述传播时延为所述待定位信标发送回传信息到所述USBL基阵的时长；
所述主控模块，还用于基于所述目标定位信息、所述有效声速和所述传播时延确定所述待定位信标的LBL定位结果。
5.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述USBL基阵，还用于从所述回传信息中提取传播时延、深度信息，以及所述待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于所述传播时延、所述深度信息、所述温度信息和所述盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与所述水声水平传播距离和所述深度信息匹配的有效声速，基于所述传播时延和所述有效声速确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息；其中，所述传播时延为所述待定位信标发送回传信息到所述USBL基阵的时长，所述水声水平传播距离为所述USBL基阵与所述待定位信标的水平距离，所述有效声速表中存储有水声水平传播距离、所述深度信息与有效声速的对应关系。
6.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述主控模块，还用于从所述目标定位信息中提取所述自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角，基于所述相对位置信息、所述地理定位信息和所述艏向角确定所述待定位信标的USBL定位结果。
7.根据权利要求4所述的自平衡浮标，其特征在于，所述USBL基阵，还用于从所述回传信息中提取传播时延、深度信息，以及所述待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息，基于所述传播时延、所述深度信息、所述温度信息和所述盐度信息确定水声水平传播距离，从有效声速表中查询与所述水声水平传播距离和所述深度信息匹配的有效声速，并将所述有效声速发送至所述主控模块；其中，所述水声水平传播距离为所述USBL基阵与所述待定位信标的水平距离，所述有效声速表中存储有水声水平传播距离、所述深度信息与有效声速的对应关系；
所述主控模块，还用于从所述目标定位信息中提取所述自平衡浮标在大地坐标系下的地理定位信息，基于所述有效声速、所述地理定位信息和所述传播时延确定所述待定位信标的LBL定位结果。
8.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述自平衡浮标还包括：与所述主控模块连接的电源检测模块；
所述电源检测模块，用于检测所述太阳能电池板的电量，并将所述电量发送至所述主控模块；
所述主控模块，还用于比较所述电量与预设电量阈值的大小，在比较出所述电量小于所述预设电量阈值时，生成报警信息，并将所述报警信息通过所述通信模块发送至所述指控中心。
9.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述自平衡浮标还包括：与所述通信模块和所述主控模块均连接的继电器；
所述通信模块，还用于接收所述指控中心下发的控制指令，控制所述继电器执行与所述控制指令对应的操作，实现对所述主控模块的控制；其中，所述控制指令为重启指令或关机指令。
10.根据权利要求3所述的自平衡浮标，其特征在于，所述自平衡浮标还包括：与所述主控模块连接的无线电台，以及与所述太阳能电池板连接的网位仪；
所述主控模块，还用于在预设时间段内未接收到所述通信模块发送的所述定位指令或所述控制指令时，切换为所述无线电台接收所述定位指令或所述控制指令；
所述网位仪，用于搜索预设范围内的行驶船只，向所述行驶船只发送所述自平衡浮标的位置信息。
11.一种超短基线定位系统，其特征在于，所述系统包括：如权利要求1-10任一项所述的自平衡浮标及与至少一个待定位信标，所述自平衡浮标和所述待定位信标进行水声通信，且处于同一水域。
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