一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)及方法，其將高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步。經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)。聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置。計(jì)算出坐標(biāo)后得到聲信標(biāo)的位置，通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。
【專利說明】一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于時(shí)間同步和寬帶擴(kuò)頻的便攜式水下信標(biāo)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水下定位導(dǎo)航是一切海洋開發(fā)活動(dòng)與海洋高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。海洋勘探、海洋工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)及水下軍事活動(dòng)都需要能夠?qū)λ略O(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。
[0003]傳統(tǒng)的水下目標(biāo)定位跟蹤的主要手段主要是依賴于幾何原理的水聲學(xué)定位方法。根據(jù)測(cè)量基線的長度不同，水聲定位系統(tǒng)可分為超短基線系統(tǒng)(USBL)、短基線系統(tǒng)(SBL)和長基線系統(tǒng)(LBL)。其中，超短基線定位系統(tǒng)是指基線長度極小(小到幾厘米)，多個(gè)陣元?jiǎng)傂怨潭橐惑w、陣元間距恒定的定位系統(tǒng)。超短基線水聲定位系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的用于短距離高精度導(dǎo)航的便攜式小型聲吶基陣。超短基線陣定位是利用小孔徑聲吶基陣對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源測(cè)向原理，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源進(jìn)行定位。超短基線陣將發(fā)射換能器和多個(gè)水聽器組合在一個(gè)整體中，利用發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的時(shí)延確定應(yīng)答器相對(duì)水聲基陣的距離。利用各換能器接收信號(hào)的相位差來測(cè)量應(yīng)答器的方位，從而完成對(duì)水下應(yīng)答器的定位。超短基線系統(tǒng)具有尺寸特別小、安裝方便、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海底電纜定位，水下機(jī)器人導(dǎo)航，水下設(shè)備導(dǎo)航定位等工作。然而，傳統(tǒng)的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)也存在幾方面的不足:
[0004]一方面，傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在對(duì)聲信標(biāo)定位時(shí)，需要聲頭首先發(fā)射定位信號(hào)。應(yīng)答器接收并解算定位信號(hào)后，發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。聲頭定位接收應(yīng)答信號(hào)后，經(jīng)過計(jì)算，得到聲信標(biāo)的位置。應(yīng)答式定位需要進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的往返傳輸，系統(tǒng)延遲較大，完成一次定位的時(shí)間間隔較大(對(duì)于3000米的系統(tǒng)，通常定位時(shí)間間隔大于5s)。同時(shí)聲信標(biāo)需要解算擴(kuò)頻信號(hào)，計(jì)算量較大，減小了聲信標(biāo)工作時(shí)間。難以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。
[0005]另一方面，傳統(tǒng)的超短基線水聲定位系統(tǒng)主要是發(fā)射CW脈沖，從單一參數(shù)或從回波強(qiáng)度等來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位和探測(cè)。但由于CW脈沖聲波承載的信息有限，進(jìn)行多參數(shù)識(shí)別的可能性難度很大，在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下定位精度難以保證。
[0006]此外，聲頭和應(yīng)答器間的距離根據(jù)聲頭發(fā)射分組擴(kuò)頻信號(hào)到接收到應(yīng)答器定位擴(kuò)頻信號(hào)之間的時(shí)延得到的?，F(xiàn)有系統(tǒng)由于其聲信標(biāo)信號(hào)的編解碼方式計(jì)算量較大，導(dǎo)致測(cè)距的時(shí)延精度不夠、多徑處理抗干擾能力不強(qiáng)、測(cè)向精度不高等缺點(diǎn)。
[0007]針對(duì)上述不足，本發(fā)明進(jìn)行了以下多方面的技術(shù)創(chuàng)新，以解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題:
[0008]一方面,本發(fā)明使用了高精度時(shí)間同步技術(shù),采用GPS (Global Position System)產(chǎn)生的PPS (Pulse Per Second)脈沖進(jìn)行便攜式聲頭和聲信標(biāo)的嚴(yán)格時(shí)間同步，一方面很好地解決了水下信標(biāo)低功耗的問題，使得水下信標(biāo)定位的續(xù)航能力進(jìn)一步提高，另一方面縮短了兩次定位之間的時(shí)間間隔，極大地提高了實(shí)時(shí)性。[0009]另一方面，本發(fā)明利用寬帶擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)定位和應(yīng)答的信號(hào)進(jìn)行GOLD編碼，寬帶擴(kuò)頻信號(hào)具備強(qiáng)抗干擾性的特性使得便攜式的水下定位與導(dǎo)航更為精確、作用距離更遠(yuǎn)，較好地解決了抗干擾能力與發(fā)射功率限制的矛盾。
[0010]另一方面，本發(fā)明聲信標(biāo)利用偽隨機(jī)GOLD碼對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，利用GOLD碼的良好相關(guān)特性，通過多徑處理、多普勒補(bǔ)償和碼序列同步等處理，可準(zhǔn)確估計(jì)到信號(hào)時(shí)延，從而達(dá)到了較高的測(cè)距、測(cè)向精度。
[0011]另一方面，本發(fā)明采用MUSIC方法對(duì)聲信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，有效提高了測(cè)向精度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提出了一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位方法，其將高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下步驟:
[0013]步驟一:利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步；
[0014]步驟二:經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)；
[0015]步驟三:聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置；
[0016]步驟四:通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。
[0017]此外，設(shè)計(jì)了基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)，具有高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下裝置:
[0018]利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步的高精度同步時(shí)鐘裝置；
[0019]經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)的水聲信號(hào)處理器；
[0020]聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置的定位處理器；
[0021]該系統(tǒng)通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]為了更好地闡述本發(fā)明的內(nèi)容，具體涉及附圖如下:
[0023]圖1基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)圖，其中，I——便攜式聲頭，2——聲信標(biāo)；
[0024]圖2線性反饋移位寄存器；
[0025]圖3 Gold序列發(fā)生器；
[0026]圖4聲學(xué)坐標(biāo)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0027]基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)將高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步。經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)。聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置。以下詳細(xì)說明系統(tǒng)處理的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)及方法。
[0028]1.高精度時(shí)間同步
[0029]基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)利用高精度時(shí)間同步技術(shù)，具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0030]傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在對(duì)聲信標(biāo)定位時(shí)，需要聲頭首先發(fā)射定位信號(hào)。應(yīng)答器接收并解算定位信號(hào)后，發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。聲頭定位接收應(yīng)答信號(hào)后，經(jīng)過計(jì)算，得到聲信標(biāo)的位置。應(yīng)答式定位需要進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的往返傳輸，系統(tǒng)延遲較大，完成一次定位的時(shí)間間隔較大(對(duì)于3000米的系統(tǒng)，通常定位時(shí)間間隔大于5s)。同時(shí)聲信標(biāo)需要解算擴(kuò)頻信號(hào)，計(jì)算量較大，減小了聲信標(biāo)工作時(shí)間。
[0031]為克服這些弱點(diǎn)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了便攜式聲頭和聲信標(biāo)的嚴(yán)格時(shí)間同步。時(shí)間同步方法過程如下:
[0032](I)系統(tǒng)利用 GPS (Global Position System)產(chǎn)生的 PPS (Pulse Per Second)脈沖進(jìn)行時(shí)間同步，目前GPS和北斗的授時(shí)系統(tǒng)PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于IOOns的時(shí)間同步信號(hào)。完全能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的要求。
[0033](2) GPS的PPS脈沖同時(shí)接入到聲頭和應(yīng)答器，為聲頭時(shí)鐘和應(yīng)答器時(shí)鐘提供時(shí)間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)聞精度晶振的時(shí)鐘。
[0034](3)應(yīng)答器斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)。
[0035]經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)最大時(shí)間同步誤差不高于1ms。聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射定位信號(hào)，避免了傳統(tǒng)應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)聲音雙向傳輸帶來的時(shí)間延遲。從而，提高了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，降低了聲信標(biāo)計(jì)算復(fù)雜度，減少了功耗，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0036]2.寬帶擴(kuò)頻水聲信號(hào)
[0037]水下寬帶擴(kuò)頻聲信標(biāo)采用寬帶擴(kuò)頻水聲信號(hào)作為定位信號(hào)，具有抗干擾、抗多徑能力強(qiáng)、測(cè)距精確和作用距離大等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0038]超短基線水聲定位系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的用于短距離高精度導(dǎo)航的便攜式小型聲吶基陣。超短基線陣定位是利用小孔徑聲吶基陣對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源測(cè)向原理，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源進(jìn)行定位。超短基線陣將發(fā)射換能器和多個(gè)水聽器組合在一個(gè)整體中，利用發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的時(shí)延確定應(yīng)答器相對(duì)水聲基陣的距離。利用各換能器接收信號(hào)的相位差來測(cè)量應(yīng)答器的方位，從而完成對(duì)水下應(yīng)答器的定位。超短基線系統(tǒng)具有尺寸特別小、安裝方便、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海底電纜定位，水下機(jī)器人導(dǎo)航，水下設(shè)備導(dǎo)航定位等工作。
[0039]傳統(tǒng)的超短基線水聲定位系統(tǒng)主要是發(fā)射CW脈沖，從單一參數(shù)或從回波強(qiáng)度等來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位和探測(cè)。但由于CW脈沖聲波承載的信息有限，進(jìn)行多參數(shù)識(shí)別的可能性難度很大，在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下定位精度難以保證。
[0040]而數(shù)字寬帶短基線定位系統(tǒng)主要通過短基線定位系統(tǒng)各基陣發(fā)射寬帶擴(kuò)頻信號(hào)，較好地解決了抗干擾能力與發(fā)射功率限制的矛盾。系統(tǒng)利用寬頻帶的發(fā)射信號(hào)，通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、測(cè)距、測(cè)向、位置解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理，能夠較為精確的得到聲信標(biāo)的位置。此外在信號(hào)處理中寬帶擴(kuò)頻信號(hào)能夠有效地衰減系統(tǒng)中的非相關(guān)噪聲，如水聲環(huán)境噪聲、系統(tǒng)電噪聲等，抗多徑干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下完成對(duì)水下工作人員或者無人潛器進(jìn)行精確位置定位。
[0041]在信息論中，對(duì)于連續(xù)信道，如果信道帶寬為B，且受到加性高斯白噪聲干擾，則其信道容量的理論公式(香農(nóng)公式)為:
[0042]C = B log2(l+S/N) (2.1)
[0043]其中C-信道容量，單位bit/s ；B-信道帶寬，單位Hz ；S-信號(hào)平均功率，單位w ；N-噪聲平均功率，單位W。
[0044]從香農(nóng)公式可知:
[0045](I)要增大信息傳輸速率，就必須增大信道帶寬B或信噪比S。由于公式中對(duì)數(shù)部分變化得比較緩慢，因此增加B比增加S更加有效，也就是說如果傳輸信號(hào)的帶寬變窄，將導(dǎo)致信號(hào)功率的大幅提高。而如果通過增加帶寬去換取信號(hào)功率的減小，就能節(jié)省較大的信號(hào)功率能源。即B增加時(shí)，信道容量增加較快。
[0046](2)當(dāng)信道容量為常量時(shí)，信道帶寬與信噪比存在互換關(guān)系。在C恒定的情況下，可以通過減少發(fā)送功率，增加信道帶寬的方法保持信道容量不變的目標(biāo)。也可以通過減小帶寬，增強(qiáng)信號(hào)功率的方法。信道容量可以通過帶寬與信噪比的互換而保持不變。
[0047](3)當(dāng)帶寬增加到一定程度時(shí)，信道容量也不能無限增加。這是因?yàn)楫?dāng)信道帶寬B增加時(shí)，噪聲功率也隨著增加，所以C有一個(gè)極限值。
[0048]本系統(tǒng)聲信標(biāo)利用偽隨機(jī)GOLD碼對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。聲信標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步后，定時(shí)發(fā)射寬帶擴(kuò)頻水聲信號(hào)，用于定位和導(dǎo)航。
[0049]GOLD碼生成過程描述如下:
[0050](1)選擇GOLD碼階數(shù)η ；
[0051](2)查表選擇本原多項(xiàng)式，生成2個(gè)η階m序列；
[0052](3)循環(huán)移位，生成2~n_l個(gè)GOLD偽隨機(jī)碼。
[0053]m序列是最長線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有許多優(yōu)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。
[0054]反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長，即達(dá)到周期P = 2n-l。按圖2中線路連接關(guān)系，可以寫為:




η
[0055]= C\an~\ ? C2an-2 ? …? iVlA ? Cna0 = ^Cian~i (模 2) (2.2)





i=l
[0056]該式稱為遞推方程。
[0057]上面已經(jīng)指出，Ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在將它用下列方程表示:



η
[0058]/(x) = c。+^ + C2X2 + …+cj”(2.3)




/=0
[0059]這一方程稱為特征多項(xiàng)式。經(jīng)嚴(yán)格證明:若反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式，則移位寄存器能產(chǎn)生m序列。只要找到本原多項(xiàng)式，就可構(gòu)成m系列發(fā)生器。
[0060]m序列雖然性能優(yōu)良，但同樣長度的m序列個(gè)數(shù)不多，且序列之間的互相關(guān)值并不都好。R ^Gold提出了一種基于m序列的碼序列，稱為Gold碼序列。隨著級(jí)數(shù)η的增加，Go I d碼序列的數(shù)量遠(yuǎn)超過同級(jí)數(shù)的m序列的數(shù)量，且Go I d碼序列具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，得到了廣泛的應(yīng)用。
[0061]Gold序列就是為了解決m序列個(gè)數(shù)不多且m序列之間的互相關(guān)函數(shù)值不理想而提出的，它是用一對(duì)周期和速率均相同的m序列優(yōu)選對(duì)模2加后得到的。其發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
[0062]Gold序列具有良好的自、互相關(guān)特性，且地址數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列地址數(shù)。
[0063]本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景不同，可以選擇不同階數(shù)的GOLD碼。GOLD碼階數(shù)越高，序列長度越大，抗噪聲和多徑干擾性越強(qiáng)，不過解碼計(jì)算量，發(fā)射功耗也大大增加。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)可選的 GOLD 碼階數(shù)包括:4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。
[0064]3.水聲信號(hào)處理
[0065]3.1 測(cè)距
[0066]聲頭和應(yīng)答器間的距離根據(jù)聲頭發(fā)射分組擴(kuò)頻信號(hào)到接收到應(yīng)答器定位擴(kuò)頻信號(hào)之間的時(shí)延得到。本系統(tǒng)利用GOLD碼的良好相關(guān)特性，通過多徑處理、多普勒補(bǔ)償和碼序列同步等處理，可準(zhǔn)確估計(jì)到信號(hào)時(shí)延，從而達(dá)到了較高的測(cè)距精度。
[0067]偽隨機(jī)碼大都具有尖銳的自相關(guān)特性和較好的互相關(guān)特性，同一碼組內(nèi)的各個(gè)碼元占據(jù)的頻帶可以做到很寬且平衡相等?；镜膫坞S機(jī)碼序列互相關(guān)性都不夠好。因此，實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中常選用自相關(guān)性好的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻碼，而另外選擇互相關(guān)性好的編碼作為地址碼。
[0068]信號(hào)的自相關(guān)性是用自相關(guān)函數(shù)來表征的，而自相關(guān)函數(shù)所解決的是信號(hào)與它自身相移以后的相似性問題，其定義如下:
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位方法，其將高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下步驟: 步驟一:利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步； 步驟二:經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)； 步驟三:聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置； 步驟四:通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航； 其中，步驟一中高精度時(shí)間同步方法過程如下: (1)系統(tǒng)利用GPS產(chǎn)生的PPS脈沖進(jìn)行時(shí)間同步，目前GPS和北斗的授時(shí)系統(tǒng)PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于10ns的時(shí)間同步信號(hào)，完全能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的要求； (2)GPS的PPS脈沖同時(shí)接入到聲頭和應(yīng)答器，為聲頭時(shí)鐘和應(yīng)答器時(shí)鐘提供時(shí)間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)高精度晶振的時(shí)鐘； (3)應(yīng)答器斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 步驟二中聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)的方法如下: 利用偽隨機(jī)GOLD碼對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，聲信標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步后，定時(shí)發(fā)射寬帶擴(kuò)頻水聲信號(hào)，用于定位和導(dǎo)航， GOLD碼生成過程描述如下: (1)選擇GOLD碼階數(shù)η； (2)查表選擇本原多項(xiàng)式,生成2個(gè)η階m序列； (3)循環(huán)移位，生成2~n-l個(gè)GOLD偽隨機(jī)碼， m序列是最長線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列；由于反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，確定線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長，即達(dá)到周期P = 2n-l。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:
GOLD 碼階數(shù)包括:4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于: 步驟三中聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，測(cè)距過程如下: 相關(guān)計(jì)算:設(shè)輸入序列X (η)長為N1，參考GOLD碼序列y (η)長為N2,對(duì)兩個(gè)有限長序列利用FFT求線性相關(guān)的步驟如下: 籲為了使兩個(gè)有限長序列的線性相關(guān)可用其圓周相關(guān)代替而不產(chǎn)生混淆，選擇周期N≥NfN2-1，且N = 2-，以便使用FFT，將x (n), y (η)補(bǔ)零至長為N，即:
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的方法，其特征在于: 聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，時(shí)延估計(jì)如下: 得到輸入序列X (η)和參考GOLD碼序列y (η)的互相關(guān)r (η)之后，需要對(duì)r (η)進(jìn)行峰值檢測(cè)，設(shè)定檢測(cè)門限thO，當(dāng)r(n)峰值大于檢測(cè)門限，即檢測(cè)到定位信號(hào)，定位信號(hào)時(shí)延估計(jì)如下:
τ = τ0+max{r(η)}-N/2 其中:τ是聲信標(biāo)定位信號(hào)時(shí)延，Ttl輸入序列χ(η)起始時(shí)刻的時(shí)延，max{}表示求序列最大峰值下標(biāo)，N是傅里葉變換點(diǎn)數(shù)； 斜距計(jì)算如下: 在聲速c抑制的情況下，計(jì)算聲信標(biāo)斜距:
R = c* τ 其中:R是聲信標(biāo)相對(duì)聲頭換能器中心的斜距，c是聲速，τ是聲信標(biāo)定位信號(hào)傳輸?shù)铰曨^的時(shí)延。
6.如權(quán)利要求2或3或4或5所述的方法，其特征在于: 采用MUSIC方法對(duì)聲信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，利用信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交性，構(gòu)造空間譜函數(shù)，通過譜峰搜索，檢測(cè)信號(hào)的D0A，最終得到聲信標(biāo)矢徑&與X軸的夾角α以及聲信標(biāo)矢徑
7.一種基于時(shí)間同步的便攜式水下寬帶擴(kuò)頻信標(biāo)定位系統(tǒng)，具有高精度的姿態(tài)傳感器MRU和羅經(jīng)與聲學(xué)基陣一體化集成到便攜式聲頭內(nèi)部，其特征在于包含以下裝置: 利用高精度時(shí)間同步技術(shù)對(duì)便攜式聲頭和聲信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間同步的高精度同步時(shí)鐘裝置； 經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步的聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)的水聲信號(hào)處理器； 聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)解算、斜距計(jì)算、高精度測(cè)向及位置解算得到聲信標(biāo)的位置的定位處理器； 該系統(tǒng)通過連續(xù)應(yīng)答、解算、定位便可以繪制出聲信標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航； 其中，高精度同步時(shí)鐘裝置的特征在于: (1)系統(tǒng)利用GPS產(chǎn)生的PPS脈沖進(jìn)行時(shí)間同步，目前GPS和北斗的授時(shí)系統(tǒng)PPS脈沖上升沿能夠提供精度小于10ns的時(shí)間同步信號(hào)，完全能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的要求； (2)GPS的PPS脈沖同時(shí)接入到聲頭和應(yīng)答器，為聲頭時(shí)鐘和應(yīng)答器時(shí)鐘提供時(shí)間同步基準(zhǔn)，并校準(zhǔn)高精度晶振的時(shí)鐘； (3)應(yīng)答器斷開PPS脈沖，利用內(nèi)部高精度晶振時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于: 聲信標(biāo)定時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻水聲信號(hào)的的水聲信號(hào)處理器的特征在于: 利用偽隨機(jī)GOLD碼對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，聲信標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格時(shí)間同步后，定時(shí)發(fā)射寬帶擴(kuò)頻水聲信號(hào)，用于定位和導(dǎo)航， GOLD碼生成過程描述如下: (1)選擇GOLD碼階數(shù)η； (2)查表選擇本原多項(xiàng)式,生成2個(gè)η階m序列； (3)循環(huán)移位，生成2~n-l個(gè)GOLD偽隨機(jī)碼， m序列是最長線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列；由于反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，確定線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長，即達(dá)到周期P = 2n-l。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于:
GOLD 碼階數(shù)包括:4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20。
10.如權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于: 聲頭接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，定位處理器處理的測(cè)距過程如下: 相關(guān)計(jì)算:設(shè)輸入序列X (η)長為N1，參考GOLD碼序列y (η)長為N2,對(duì)兩個(gè)有限長序列利用FFT求線性相關(guān)的步驟如下: 籲為了使兩個(gè)有限長序列的線性相關(guān)可用其圓周相關(guān)代替而不產(chǎn)生混淆，選擇周期N≥NfN2-1，且N = 2-，以便使用FFT，將x (n), y (η)補(bǔ)零至長為N，即:
【文檔編號(hào)】G01S15/06GK104020473SQ201410264835
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】羅宇, 施劍 申請(qǐng)人:羅宇, 施劍