CN202563095U - 基于gnss卫星的水下航行器定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，在水面上增设多个定位浮标，该定位浮标上携带的GNSS接收机和水声应答机。水下航行器上携带有水声问答机。定位浮标利用GNSS卫星定位技术先完成自身的定位和授时。当水下航行器需要定位时，其上的水声问答机发射的询问信号经由定位浮标上的水声应答器应答后返回至水声问答机。当水下航行器同时获得水面上布设的至少3个定位浮标以及一定的解算关系最终获得水下航行器的三维位置坐标。本实用新型能够利用水声相对定位技术将GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标，且定位精度可以保证与GNSS水面定位精度在同一量级。

Description

基于GNSS卫星的水下航行器定位系统

技术领域

本实用新型涉及水下航行器定位领域，具体涉及一种基于GNSS卫星的水下航行器定位系统。

背景技术

水下航行器有时需要在一定海水深度下长时间航行，但由于目前水下航行器的定位手段和定位设备的局限性，使得航行器航行一段时间以后必须上浮校正位置。目前，航行器主要是以惯导为主的综合水下定位方式来进行定位，由于惯性导航系统的累积误差的影响，航行一段时间以后必须上浮水面来校正其位置，这就严重破坏其正常工作。因此，水下航行器的水下自主快速精确绝对定位一直是世界性难题。

GNSS卫星定位系统使整个地球表面以及地球的大部分外部空间实现了全天候定位、导航，广泛应用在交通运输、地形测图、精准农业、防灾减灾等诸多领域。但无线电波无法穿透水，特别是海水，所有卫星定位导航技术在海洋水体内部“失灵”，水下成了GNSS的“盲区”。因此，GNSS不能直接满足江河、湖泊、海洋等水下导航和定位的需求。而声音信号在海水中有很好的传播特性，通过水声信号在水中的传播，可以实现水下定位、导航、探测等。因此，若能把GNSS定位技术、水声定位和水下通讯结合起来则有望解决水下航行器水下长时间航行的需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用水声相对定位技术将GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标，且定位精度可以保证与GNSS水面定位精度在同一量级的基于GNSS卫星的水下航行器定位系统。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的：基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其主要由至少3颗GNSS卫星、布设在水面上的至少3个定位浮标、以及水下航行器组成；其中

定位浮标上携带有GNSS接收机和水声应答机；GNSS接收机的接收端与GNSS卫星相连，GNSS接收机的输出端与水声应答机的输入端相连；上述GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机；上述水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去；

水下航行器上携带有水声问答机；水声问答机的收发端与水声应答机的收发端连接；上述水声问答机在水下航行器需要定位时，首先将其产生的问答信号转换为声信号后发送出去，然后接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定，最后将同时获得的至少3个定位浮标到水下航行器的距离计算出水下航行器的绝对位置坐标。

上述方案中，所述GNSS接收机主要由卫星天线、低噪声放大模块、下变频模块、模数转换模块和基带信号处理模块组成；其中卫星天线接收GNSS卫星信号、其输出端与低噪声放大模块的输入端相连，低噪声放大模块的输出端依次经由下变频模块和模数转换模块与基带信号处理模块的输入端连接，基带信号处理模块的输出端与水声应答机连接。

上述方案中，所述水声应答机和/或水声问答机均由收发天线、换能器和信号处理模块组成；信号处理模块经由换能器连接收发天线；其中水声应答机上的信号处理模块的输入端与GNSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理模块的输出端与水下航行器上的显示设备连接。

上述方案中，所述水声应答机和/或水声问答机上的信号处理模块均包括有发送单元和接收单元；其中

发送单元包括发送数据模块、信息解码模块、扩频调制模块、载波调制模块、发送带通滤波模块、数模转换模块、以及发送放大模块；信息解码模块的输入端连接发送数据模块，信息解码模块的输出端依次经由扩频调制模块和载波调制模块与发送带通滤波模块的输入端相连，发送带通滤波模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端经由发送放大模块与换能器的输入端相连；

接收单元包括接收放大模块、模数转换模块、接收带通滤波模块、捕获模块、跟踪模块、相干组合模块、解码模块、载波频率和码相位提取模块、以及提取数据和定位模块；接收放大模块的输入端与换能器的输出端相连，接收放大模块的输出端经由模数转换模块与接收带通滤波模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和相干组合模块的输出端均与捕获模块的输入端连接，捕获模块的输出端连接跟踪模块，跟踪模块的输出端分为2路，一路经解码模块与提取数据和定位模块连接，另一路经载波频率和码相位提取模块与提取数据和定位模块连接。

本实用新型在水面上增设多个定位浮标，该定位浮标的GNSS接收机利用GNSS卫星定位技术先完成水面上各定位浮标的定位和授时，另外，在水下航行器上配以水声问答机，当水下航行器需要定位时，水下航行器上的水声问答机发射询问信号，水上定位浮标的水声应答器接收询问信号并发射应答信号，水下航行器上的水声问答机接收来自多个定位浮标上携带的水声应答器所发出的信号，通过双向测距精确得到水声问答机与应答器的斜距值，最后通过同时获得水面上布设的至少3个定位浮标以及一定的解算关系最终获得水下航行器的三维位置坐标。本实用新型能够利用水声相对定位技术将GNSS水面高精度定位能力向水下延伸，使水下航行器在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标，且定位精度可以保证与GNSS水面定位精度在同一量级。

附图说明

图1为基于GNSS卫星的水下航行器定位系统的原理图；

图2为信号处理模块的水声扩频系统结构图；

图3定位浮标A和水下航行器B之间数据帧传输过程；

图4为双向单程测距方法的原理图；

图5为定位浮标的布设和水下航行器的运动轨迹图；

图6为系统的HDOP值随水下航行器运动变化图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型一种基于GNSS卫星的水下航行器定位系统其主要由至少3颗GNSS卫星、布设在水面上的至少3个定位浮标、以及水下航行器组成。上述定位浮标上携带有GNSS接收机和水声应答机，GNSS接收机的接收端与GNSS卫星相连，GNSS接收机的输出端与水声应答机的输入端相连。上述GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机。上述水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去。水下航行器上携带有水声问答机；水声问答机的收发端与水声应答机的收发端连接。上述水声问答机在水下航行器需要定位时，首先将其产生的问答信号转换为声信号后发送出去，然后接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定，最后将同时获得的至少3个定位浮标到水下航行器的距离计算出水下航行器的绝对位置坐标。

本实用新型所述GNSS接收机与现有技术大体相同，其主要由卫星天线、低噪声放大模块、下变频模块、模数转换模块和基带信号处理模块组成。其中卫星天线接收GNSS卫星信号、其输出端与低噪声放大模块的输入端相连，低噪声放大模块的输出端依次经由下变频模块和模数转换模块与基带信号处理模块的输入端连接，基带信号处理模块的输出端与水声应答机连接。为了能够实现定位浮标的精确定位，在本实用新型中，所述GNSS卫星为4颗，布设在水面上的定位浮标也为3个。

本实用新型所述水声应答机和水声问答机均由收发天线、换能器和信号处理模块组成；信号处理模块经由换能器连接收发天线。其中水声应答机上的信号处理模块的输入端与GNSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理模块的输出端与水下航行器上的显示设备连接。在本实用新型中，所述水声应答机和/或水声问答机上的信号处理模块均包括有发送单元和接收单元。其中发送单元包括发送数据模块、信息解码模块、扩频调制模块、载波调制模块、发送带通滤波模块、数模转换模块、以及发送放大模块。信息解码模块的输入端连接发送数据模块，信息解码模块的输出端依次经由扩频调制模块和载波调制模块与发送带通滤波模块的输入端相连，发送带通滤波模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端经由发送放大模块与换能器的输入端相连。接收单元包括接收放大模块、模数转换模块、接收带通滤波模块、捕获模块、跟踪模块、相干组合模块、解码模块、载波频率和码相位提取模块、以及提取数据和定位模块。接收放大模块的输入端与换能器的输出端相连，接收放大模块的输出端经由模数转换模块与接收带通滤波模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和相干组合模块的输出端均与捕获模块的输入端连接，捕获模块的输出端连接跟踪模块，跟踪模块的输出端分为2路，一路经解码模块与提取数据和定位模块连接，另一路经载波频率和码相位提取模块与提取数据和定位模块连接。参见图。

采用上述系统所实现的一种基于GNSS卫星的水下航行器定位方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)在水面上布设至少3个定位浮标，上述每个定位浮标上均携带有GNSS接收机和水声应答机；

(2)水下航行器上携带有水声问答机；

(3)定位浮标的GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机；

(4)当水下航行器需要定位时，水下航行器的水声问答机便产生问答信号，并将该问答信号转换为声信号后发送出去；

(5)定位浮标的水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去；

为了完成步骤(4)和步骤(5)的过程，本实用新型需要考虑以下问题：(I)水声扩频技术：

虽然扩频技术已经广泛应用于无线电通信领域，但却很少应用于水声通信领域，主要是因为有限的水声信道带宽，以及声波在水中的传播损失随其频率的指数次方增加。水声信道是一个时变、空变的随机信道，存在着严重的多途干扰和多普勒频偏。使用扩频信号可以在一定程度上消除信道传输中的多途性；扩频信号的相关增益可以使得在负信噪比的条件下进行信号的恢复。扩频通信的抗干扰、抗衰落能力也很强，这是对复杂多变的水声信道的一个很好的解决方案，它不仅可以解决长距离移动目标的通信问题，还能进行敌我识别、导航和定位等。因此，本实用新型采用DSSS技术如图2所示。

由于水声信道高频吸收衰减的限制了远程通信，最佳载波频率通常低于15kHz，信道的可用带宽仅为几～十几千赫兹，若再考虑发射换能器与发射机的匹配，则通信声纳的通信带宽一般为几kHz。系统可采用的m序列直接扩频编解码方式。

(II)发射信号波形设计：

水下系统传输信道的误码情况是复杂多变的、没有规律可循，其原因不是孤立的，难以克服。不知道什么时候会出现差错，也不知道会出现哪一类型的差错，以及如何预防。因此，有必要采用适应能力强的纠错码技术。水声信道是一个典型的误码率高的无线信道，信道编码在损失一定信息速率的情况下，可有效地降低信息的误码率。由于RA码作为LDPC码的一种改进，兼顾了Turbo码和LDPC码的优点，具有较高的性能和较低的实现复杂度，可以采用RA码。由于信道衰落引起的误码可能是比较集中的，因此，在纠错编码之后，还要采用交织编码。交织的目的是将在信道上发送的相连续的各个比特广泛地分散在待纠错译码的数据序列内，从而经过解交织之后，信道中各个突发连续差错就被分散在待纠错译码的数据序列之内，即被分散在多个接收码字上，使得后面的纠错译码算法能够纠正错误；

(III)伪随机码设计：

伪随机码设计即，码型、码速和码长。水声扩频通信系统中，在考虑伪随机码码型时，主要考虑其自相关性。由于m序列有很好的二值自相关特性，所以在水声扩频通信系统中，可以采用m序列。伪随机码的码速率主要由系统带宽决定，通常取伪随机PN码的码速率Rc等于系统带宽W，如W＝10kHz，则可取Rc＝10kcp s。码长(码周期)则应由信道的最大多径时延决定，可以取1023。

(IV)系统的处理增益：

直扩系统的处理增益Gp＝Rc/Ra，Ra为信息码元速率。通常信息码元周期Ta为伪随机码码元(码片)周期Tc的整数倍，即Ta/Tc＝k N，其中k＝1，2，…。因为系统传输的信息量较小，为了提高水下航行器的隐蔽性，扩频增益尽量大。因此，信息速率可以选取5Hz。

(V)调制解调方式：

在直接序列扩频系统中，调制方式通常采用相位相干调制解调方式，如BPSK、QPSK等。虽然QPSK扩频系统与BPSK扩频系统相比在码间干扰上有一定优势，但系统相对复杂得多，在不影响扩频系统总体优势的情况下，可以采用BPSK方式进行设计与分析。

因此，本实用新型步骤(4)中水声问答机将问答信号转换为声信号和/或步骤(5)中水声应答机将应答信号为声信号的过程具体如下：

(a)信息编码：将问答信号进行纠错编码和交织编码；

(b)扩频调制：采用m序列对信息编码后的问答信号进行直接序列扩频；

(c)载波调制：采用相位想干调制方式对扩频调制后的问答信号进行调制；

(d)发射带通滤波：将载波调制后的问答信号进行带通滤波；

(e)数模转换：将滤波后的问答信号进行模数转换；

(f)发射放大：将模数转换后的问答信号进行发达后发送出去。

(6)水下航行器的水声问答机接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定；

为了实现高精度定位，本实用新型采用双向测距技术进行高精度测距。双向单程距离测量中，定位浮标的水声应答机和水下航行器的水声问答机都具有信号的收发功能，通过伪码和载波相位测量，浮标和水下航行器各自得到相对距离，通过双向测量消除钟差，实现浮标和水下航行器间测距、时间同步和数据交互。

在双向单程距离测量过程中，定位浮标A和水下航行器B之间数据帧传输过程如图3所示，其数据帧中各参数定义如下：

(1)A发送的帧头；

(2)A发送帧头时刻的A本地距离测量、定位和授时值；

(3)B接收的帧头；

(4)B接收到的A传输帧勤务段内的A本地距离测量值；

(5)B发送的帧头；

(6)B发送帧头时刻的B本地距离测量值；

(7)A接收的帧头；

(8)A接收到的B传输帧勤务段内的B本地距离测量值。

A本地距离测量值：指A利用B发送的导航信号测得的距离。

B本地距离测量值：指B利用A发送的导航信号测得的距离。

双向单程距离测量原理如图4所示，定位浮标A和水下航行器B分别以自身时钟为基准发射前向测距信号和反向测距信号，由于双方时间不一致，双方发送的测距信号帧同步之间存在钟差Δt。

(a)定位浮标上的水声应答机通过捕获跟踪反向测距信号，获得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T₁，其中

T₁＝t₂+τ+r₁+Δt             ①

上式中，t₂为水下航行器的水声问答机自身时延，τ为水下航行器与定位浮标天线间的声传播时延，r₁为定位浮标的发射器的自身时延，Δt为水下航行器与定位浮标间的时钟差；

(b)水下航行器上的水声问答机通过捕获跟踪反向测距信号，获得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T₂，其中

T₂＝t₁+τ+r₂-Δt             ②

上式中，t₁为定位浮标的发射器的自身时延，τ为水下航行器与定位浮标天线间的声传播时延，r₂为水下航行器的水声问答机自身时延，Δt为水下航行器与定位浮标间的时钟差；

(c)由以上两式即可得到浮标A和水下航行器B间的真实距离和钟差

$D=\frac{1}{2}\·[(T_1+T_2)-(t_1+t_2)-(r_1+r_2)]\·c$ ③’

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{2}\·[(T_1-T_2)-(t_2-t_1)-(r_1-r_2)]$ ④’

设t₁₂＝t₁+r₂，t₂₁＝t₂+r₁，则

$D=\frac{1}{2}\·[(T_1+T_2)-(t_{12}+t_{21})]\·c$ ③

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{2}\·[(T_1-T_2)+(t_{12}-t_{21})]$ ④

在工作中，定位浮标A和水下航行器B的测距-时间比对和数据交换过程完全相同。以定位浮标A为例，将定位浮标A测量的伪距测量值(实际实现用浮标A测到的本地时延测量值T₁计算)代入式①，同时利用接收到的水下航行器B传输帧勤务段内伪距数据(水下航行器B发出传输帧头时刻测得的水下航行器B本地伪距测量值，实际实现用水下航行器B测到的本地时延测量值T₂计算)带入式②。式③和式④分别给出了定位浮标A到水下航行器B间的距离和钟差的计算公式。

在测量中，时延T₁和时延T₂可以分别从定位浮标A和水下航行器B的码跟踪环中提取(通过载波相位平滑距离技术提高精度)，并嵌入到传输帧勤务段数据区内，通过定位浮标到水下航行器数据交换链路向对方发送。由于单向传播时延t₁₂和t₂₁可以通过标校得到，从而通过双向单程距离测量即可得到准确的距离和时间比对测量值。

信号处理模块的数字信号处理过程过程如下：

首先，来自系统时钟经过DCM后生成整个参考工作时钟，并产生FFT捕获电路所需要参考时钟；

FFT捕获电路对的数字信号进行FFT运算，捕获得到输入信号的伪码相位和载波多普勒频率。；

当FFT捕获电路完成伪码相位和载波多普勒频率捕获后，产生捕获中断并输出该数据段对应的同步时钟；

载波和码跟踪处理电路响应捕获中断，读取捕获结果，并以FFT捕获电路输出的同步时钟作为码相位和载波相位初始预置的参考时钟，之后根据载波和码跟踪算法完成跟踪锁定；当跟踪环路失锁时，载波和码跟踪环路控制FFT捕获电路重新进行捕获；

载波和码跟踪处理电路的载波环滤器和码跟踪环滤器对初次积分累加结果进行鉴别和滤波处理后，分别输出载波NCO和码NCO的频率字，用于调整再生载波和再生伪码，之后通过多次滤波和调整，最终达到再生载波的相位和再生伪码的相位与输入信号的载波相位和码相位锁定；

在跟踪过程中，根据再生伪码发生器输出的伪码序列的起始位置产生再生位同步时钟，当载波和伪码跟踪锁定后，再生位同步时钟与输入信号数据位完全对齐；

为了准确地提取出输入信号的帧同步脉冲，位同步帧同步处理电路根据再生位同步时钟对I路即时通道的积分累加结果进行处理输出帧同步脉冲；

位同步帧同步处理电路完成帧同步和帧保护后，一方面从信息帧中提取出勤务段数据中的距离信息T2，输出给测距与时间比对电路；另一方面输出位同步时钟、数据流、位计数、帧同步信号给拆帧电路，拆帧电路对一帧数据位进行处理，分别提取出其中的辅助数据和原始数据；

时序控制电路以高稳时钟为基准，产生本地1PPM分脉冲和本地固定1PPS秒脉冲，并输出固定1PPS秒脉冲；在距离测量处理电路中，来自拆帧电路的辅助数据中含有终端B的发射帧同步时刻的帧号和秒计数，根据此信息和环路跟踪处理电路输出的一次测量结果，可以获得接收信号的帧同步时刻，对发射帧同步求差后即可获得本地距离测量值T1；

在测距与时间比对电路中，利用本地距离测量值T1和接收到的勤务段中的对方测得的距离T2，根据双向单程测距原理即可获得距离测量值D和时差测量值Δt，当同时测量出3个以上的值时，可以完成水下航行器的实时定位和授时；

根据时差测量值，时序控制电路调整再生1PPS的相位；

拆帧电路输出的另一路原始数据进入格式编排电路后，与本地距离测量值T1、本地秒计数等一起形成发射数据帧，在本地1PPM分脉冲对首帧发射数据同步后，随后数据在数据位发送位时钟的控制下，输出到数据调制电路；

在数据调制电路，来自多普勒模拟电路的码速率时钟控制码发生器产生发射伪码，与数据完成数据调制后，输出发射数据流；

多普勒模拟电路根据控制面板或上位机的控制，计算出载波(发射通道第一中频)NCO频率字，并输出至发射通道子系统，控制产生多普勒频率的载波；为了模拟码多普勒，多普勒模拟电路计算出对应的码NCO频率字，产生包含码多普勒的码速率时钟；

当对定位浮标A和水下航行器B进行测距和误码率等测试时，数据接口1和2直接相连，此时从上位机下传的原始数据经RS232接口、接口控制电路、数据产生处理、数据接口2、数据接口1进入格式编排电路，经扩频调制后，从发射通道发送到终端B的接收通道；而从拆帧电路输出的数据经数据接口1、数据接口2、数据产生处理、接口控制电路、RS232接口，上传至上位机完成误码率测试。

(7)当水下航行器的水声问答机同时得到至少3个定位浮标到水下航行器的距离时，就可以计算出水下航行器的绝对位置坐标。

获得3～4个的浮标和距离观测量之后，进行定位解算，常用的方法是最小二乘和卡尔曼滤波，由于卡尔曼滤波法的计算量较大，故本项目拟采用加权最小二乘法定位解算，以获得较高的定位精度。

为了提高双向测距精度，水下航行器可以采用高精度的铷钟作为时间标准，因此，要完成水下航行器的定位，采用3个定位浮标的测距即可实现水下航行器的三维定位，为了提高接收机的冗余解算，定位浮标数可以增加到4个，定位方程中有三个未知数，需要至少3个独立的方程才能够解出。

$D=\sqrt{{(x_i-x_u)}^2+{(y_i-y_u)}^2+{(z_i-z_u)}^2}$ ⑤

上式中，(x_u，y_u，z_u)为定位浮标的三维坐标，(x_i，y_i，z_i)为水下航行器的三维坐标。

将上面的方程在近似位置

用泰勒级数一阶展开，当观测的卫星数目n≥3时，最小二乘解为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{V}{u}}_{\mathrm{LS}}={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T\mathrm{\Δ}\stackrel{V}{r}$ ⑥

${\stackrel{V}{u}}_{\mathrm{LS}}={\stackrel{V}{u}}_{\mathrm{LS}}^{\′}+{\mathrm{\Δ}\stackrel{V}{u}}_{\mathrm{LS}}$ ⑦

加权最小二乘的原理与最小二乘法类似，只是将各个观测信息的观测误差方差的作为权值引入，构成观测方差阵R。修改如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{LS}}^{\′}={\left(H^T{R}_n^{-1}H\right)}^{-1}{H}^T{R}_n^{-1}\mathrm{\Δ}\stackrel{r}{r}$ ⑧

如果能够准确估计出观测信息的误差方差，则加权最小二乘与卡尔曼滤波权阵可以直接通过各可见浮标误差方差得到，此时权阵最为精确，定位效果最佳。但是实际工程中，准确描述各可见星等效距离误差需要大量统计信息，同时也加重了导航处理器的运算负担。为简化计算过程，可以按仰角事先确定权值数据表，计算进行查询。

水下航行器定位精度：

σ＝HDOP×σ_ρ               ⑨

上式中，HDOP是浮标的几何精度因子；σ_ρ是浮标至水下航行器的测量误差，该项误差包含的主要误差有浮标位置误差σ_p(假设GNSS定位误差为10米)，浮标的时间基准误差σ_t(GNSS授时误差20ns)，双向测距中码噪声误差σ_s等。

设定水下航行器深度为300米，以水下航行器为中心，判断定位浮标仰角门限为5°，则浮标距离水下航行器正上方最远距离为300/tan(5)＝3429m，水下航行器与定位浮标的直线距离最远为300/sin(5)＝3442m。随着水下航行器的运行，部分仰角会减小，所以实验设定仰角为12°左右。运动方向为正北方向，速度4节(2m/s)，如图6所示。

如图5和6所示，当4个定位浮标一个位于水下航行器上方，其他三个浮标呈等边三角形，水下航行器位于其中心时HDOP值最小，约为1.5。

假设，系统选用的伪码速率为5KHz，声在海水中传播速度为1500米/秒，若码环路的跟踪精度为伪码码片的1/20，则

σ_s＝1/20×1500×1/(5×10³)＝0.0015          ⑩

则

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ρ}}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_p^2+{\mathrm{\σ}}_t^2+{\mathrm{\σ}}_s^2}=\sqrt{{10}^2+({20\×10}^{-9}\×1500)+0.0015^2}=10$

则

σ_H＝HDOP×σ_ρ＝10×1.5＝15

因此，水下航行器在不依赖外界传感器辅助的情况下绝对定位精度可以达到15米。

从式

可以看出，引起水下航行器定位误差的主要是HDOP和浮标的定位误差，所以，高精度的GNSS浮标定位和小的几何精度因子是提高水下航行器定位的根本。

Claims (4)

1.基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其特征是：其主要由至少3颗GNSS卫星、布设在水面上的至少3个定位浮标、以及水下航行器组成；其中：

定位浮标上携带有GNSS接收机和水声应答机；GNSS接收机的接收端与GNSS卫星相连，GNSS接收机的输出端与水声应答机的输入端相连；上述GNSS接收机接收3颗或3颗以上的GNSS播放的卫星信号，实时完成定位浮标的定位和授时，并把定位和授时信息发送到水声应答机；上述水声应答机接收到水下航行器发来的问答信号后，将定位和授时信息进行编码和调制为应答信号，并将该应答信号转换为声信号发射出去；

水下航行器上携带有水声问答机；水声问答机的收发端与水声应答机的收发端连接；上述水声问答机在水下航行器需要定位时，首先将其产生的问答信号转换为声信号后发送出去，然后接收定位浮标的水声应答机返回的应答信号后，完成定位浮标到水下航行器的距离测定，最后将同时获得的至少3个定位浮标到水下航行器的距离计算出水下航行器的绝对位置坐标。

2.根据权利要求1所述基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其特征是：所述GNSS接收机主要由卫星天线、低噪声放大模块、下变频模块、模数转换模块和基带信号处理模块组成；其中卫星天线接收GNSS卫星信号、其输出端与低噪声放大模块的输入端相连，低噪声放大模块的输出端依次经由下变频模块和模数转换模块与基带信号处理模块的输入端连接，基带信号处理模块的输出端与水声应答机连接。

3.根据权利要求1或2所述基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其特征是：所述水声应答机和/或水声问答机均由收发天线、换能器和信号处理模块组成；信号处理模块经由换能器连接收发天线；其中水声应答机上的信号处理模块的输入端与GNSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理模块的输出端与水下航行器上的显示设备连接。

4.根据权利要求3所述基于GNSS卫星的水下航行器定位系统，其特征是：所述水声应答机和/或水声问答机上的信号处理模块均包括有发送单元和接收单元；其中

发送单元包括发送数据模块、信息解码模块、扩频调制模块、载波调制模块、发送带通滤波模块、数模转换模块、以及发送放大模块；信息解码模块的输入端连接发送数据模块，信息解码模块的输出端依次经由扩频调制模块和载波调制模块与发送带通滤波模块的输入端相连，发送带通滤波模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端经由发送放大模块与换能器的输入端相连；

接收单元包括接收放大模块、模数转换模块、接收带通滤波模块、捕获模块、跟踪模块、相干组合模块、解码模块、载波频率和码相位提取模块、以及提取数据和定位模块；接收放大模块的输入端与换能器的输出端相连，接收放大模块的输出端经由模数转换模块与接收带通滤波模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和相干组合模块的输出端均与捕获模块的输入端连接，捕获模块的输出端连接跟踪模块，跟踪模块的输出端分为2路，一路经解码模块与提取数据和定位模块连接，另一路经载波频率和码相位提取模块与提取数据和定位模块连接。

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