一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法
【專利摘要】本發明屬于水下導航定位領域，具體涉及一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法。本發明包括：使用水下導航收發器以廣播形式向智能浮標定位水聽器和水下基準站發射水聲定位請求信號；基準網中各智能浮標獲取水下用戶的定位請求后，通過同時接收GNSS衛星信號與差分基站的差分修正信息，進行水上差分定位，獲取準確的位置坐標與浮標同步時間；智能浮標內集成的數據處理模塊，將自身位置與發射時間進行水聲編碼與調制。本發明通過水下基站接收與水下用戶同步的浮標水聲定位信號，水下基站提取聲信號空間相關誤差項作為聲信號傳播差分信息，提高聲測信號精度，具有保密性上的優勢，真正意義上提高水下定位精度。
【專利說明】
一種基于聲測誤差相關性的水下増強定位方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水下導航定位領域，具體涉及一種利用若干個基于全球導航衛星系統 (GNSS)差分定位的智能浮標，組成水下定位動態基準網，根據水聲局域傳播的空間相關特 性，利用水下固定基站提取聲測誤差相關項播發給用戶端，修正用戶端聲測信息實現高精 度的基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法。
【背景技術】
[0002] 海洋探索與開發對國家發展戰略具有深遠意義。為拓展水下環境的開發利用，亟 需開展為水下航行、水文監測、海底勘探等提供高精度定位方法的研究。基于全球導航衛星 系統(GNSS)智能浮標陣列的水下定位方法，以定位精度高、作用范圍廣和成本控制低等優 點成為有效實現水下定位的方法之一。考慮到GNSS單機定位精度約10m，導致智能浮標基準 精度受限，進而限制用戶端的定位性能，因而有人在提尚智能浮標基準精度的考慮下，提出 水上差分GNSS技術，將GNSS定位精度提高約lm。
[0003] 然而，以上技術旨在提高水上浮標基準網精度，并未考慮水下聲信號傳播誤差項 也是阻礙高精度水下定位的重要干擾因素。聲信號在水下易受海洋環境密度、溫度以及深 度等影響，使得聲信號在傳播中會受到眾多誤差干擾。由于聲信號所受的多種干擾因素在 局域傳播空間內具有空間相關性，如何充分利用此種誤差空間相關特性，是真正意義上提 高水下定位精度的關鍵所在。
[0004] 基于公共誤差的存在，出現了的一種水下差分定位方法。該方法在短基線水下定 位系統的基礎上，設置水下參考應答器，通過信號雙向傳遞得到短基線區域內的公共誤差， 修正測得的各短基線陣元測得的水下待定位載體的距離，期望以此方法得到更高精度的水 下目標位置。然而，現有的差分定位方法依靠短基線定位系統，各陣元分布密集，各陣元坐 標精度依賴于短基線定位系統，定位精度有限，所采用的信號雙向傳遞模式既不能使水下 目標自主定位也破壞了保密性。綜上所述，設計一種新型基于聲信號水域空間傳播誤差相 關特性的水下定位技術具有相當的迫切性。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于聲測誤差相關性的水下增強定 位方法。
[0006] 本發明的目的是這樣實現的：
[0007] 本發明包括如下步驟：
[0008] (1)使用水下導航收發器以廣播形式向智能浮標定位水聽器和水下基準站發射水 聲定位請求信號；
[0009] (2)基準網中各智能浮標獲取水下用戶的定位請求后，通過同時接收GNSS衛星信 號與差分基站的差分修正信息，進行水上差分定位，獲取準確的位置坐標與浮標同步時間；
[0010] (3)智能浮標內集成的數據處理模塊，將自身位置與發射時間進行水聲編碼與調 制；
[0011] (4)智能浮標動態基準網以其無線通信鏈路對其各浮標水聲定位信號發射時間進 行統一調控，利用水聲發射機將調制信號廣播發射給水下導航收發機與水下固定基準站；
[0012] (5)水下固定基準站當收到水下用戶的定位請求后，等待智能浮標的水聲定位信 號，當接收到多于4顆的智能浮標的定位信號后，因基準位置已知，采用定位反演算法提取 水聲信號傳播誤差項，作為水聲信號修正信息，進行差分數據編碼調制，播發給水下用戶；
[0013] (6)水下用戶通過水聲收發機接收多于4顆來自智能浮標的定位信號和來自水下 基準站的差分修正信號后，進行浮標信息與差分信息的時間、數據一致性檢驗；
[0014] (7)當浮標信息與差分信息通過數據一致性檢驗后，利用差分信息將接收的水聲 定位信息進行差分修正，通過空間距離交會原理獲取最終的高精度水下定位結果。
[0015] 所述步驟(2)中智能浮標的位置來自于多衛星系統組合的水上差分定位。
[0016] 所述步驟(4)中利用海面無線通信鏈路，統一調控浮標基準網的水聲定位信號發 射時間，為用戶執行定位算法提供時間基準。
[0017]所述步驟(5)中水下固定基準站位置已知，能夠通過定位反演提取水聲信號綜合 誤差項，作為修正用戶端聲測信號的差分信息。
[0018] 所述步驟(7)中基于水聲信號在水下局域誤差相關特性，用戶端利用基準站播發 的聲測信號差分信息，進行水下差分定位，可以獲取更高精度的聲測信息。
[0019] 本發明的有益效果在于：
[0020] 本發明充分利用水聲信號在水下傳播的誤差空間相關特性，通過水下基站接收與 水下用戶同步的浮標水聲定位信號，水下基站提取聲信號空間相關誤差項作為聲信號傳播 差分信息，播發給用戶用以修正聲測信息，提高聲測信號精度，水下用戶的定位過程最終是 在用戶處完成，具有保密性上的優勢，真正意義上提高水下定位精度。
【附圖說明】
[0021] 圖1是運用本發明的基于聲測誤差相關性的水下基站增強定位方法的實施例一示 意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0023] 本發明公開一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法。本發明基于水聲信號 在水下傳播的空間相關特性，通過對空間相關誤差進行差分修正，獲取用戶端準確的聲測 信息，用以得到更高的水下定位精度。本發明由水上差分智能浮標基準網，海面無線電通信 鏈路，水下水聲通信鏈路，水下固定基準站等組成。本發明方法是：用戶端向浮標網與基準 站廣播定位請求;浮標網利用全球導航衛星系統(GNSS)水上差分技術，獲取自身精準位置 與GNSS同步時間并編碼與調制生成水聲定位信號，通過海面無線電通信鏈路，統一調控浮 標網向用戶端與基準站廣播發射水聲信號的時間；水下基準站獲取捕獲浮標網的水聲定位 信號，提取水聲傳播綜合誤差項，并編碼調制生成差分信號廣播發射給用戶端;用戶同時接 收到來自浮標網的水聲定位信號與基準站的差分信號后，對聲測信息差分修正獲取高精度 的水下定位結果。本發明在水上與水下同時采用差分修正思想，實現水下高精度定位，為水 下航行、水文監測、海底勘探等拓展水下環境的開發與利用提供精準的定位信息。
[0024]本發明充分利用聲信號水下局域傳播的空間誤差相關特性，通過水下固定基站提 取水聲信號空間綜合誤差項，并播發給用戶端用以修正聲測信息，以期達到既保證保密性 不被破壞又可以獲得較高精度的水下定位的目的。該方法同時采用水上GNSS的差分定位技 術，確保智能浮標動態基準網的精度。
[0025]本發明基于聲測誤差空間相關特性，進行水下聲測信號差分修正實現用戶主動高 精度水下定位，包括以下步驟：
[0026]步驟1，水下用戶使用水下導航收發器以廣播形式向智能浮標定位水聽器和水下 基準站發射水聲定位請求信號；
[0027]步驟2,基準網中各智能浮標獲取水下用戶的定位請求后，通過同時接收GNSS衛星 信號與差分基站的差分修正信息，進行水上差分定位，獲取準確的位置坐標與浮標同步時 間；
[0028] 步驟3,智能浮標內集成的數據處理模塊，將自身位置與發射時間進行水聲編碼與 調制；
[0029] 步驟4,智能浮標動態基準網以其無線通信鏈路對其各浮標水聲定位信號發射時 間進行統一調控，利用水聲發射機將調制信號廣播發射給水下導航收發機與水下固定基準 站；
[0030] 步驟5，水下固定基準站當收到水下用戶的定位請求后，等待智能浮標的水聲定位 信號，當接收到多于4顆的智能浮標的定位信號后，因基準位置已知，采用定位反演算法提 取水聲信號傳播誤差項，作為水聲信號修正信息，進行差分數據編碼調制，播發給水下用 戶；
[0031] 步驟6,水下用戶通過水聲收發機接收多于4顆來自智能浮標的定位信號和來自水 下基準站的差分修正信號后，進行浮標信息與差分信息的時間、數據一致性檢驗；
[0032] 步驟7,當浮標信息與差分信息通過數據一致性檢驗后，利用差分信息將接收的水 聲定位信息進行差分修正，通過空間距離交會原理獲取最終的高精度水下差分定位結果。 [0033]本發明集成全球差分定位、水聲通信，海洋環境，計算機處理等技術，利用聲信號 水下傳播空間相關特性，通過基站提取綜合誤差項修正水下用戶聲測信號，有效為水下航 行、水文監測、海底勘探等提供高精度定位信息。
[0034]下面通過實施例，并結合附圖1，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0035] 實施例：
[0036]本發明是基于聲測誤差相關性的水下基站差分定位方法，具體步驟包括：
[0037]步驟1，用戶發送定位請求信號
[0038] 水下用戶使用水下導航收發器以廣播形式向智能浮標定位水聽器和水下基準站 發射水聲定位請求信號。
[0039] 用戶采取主動式定位方式，在有定位需求時發射水聲定位請求信號。其中水下基 站(Base)坐標是固定已知的，記為(xb，yb，zb)。
[0040] 步驟2,基準網各智能浮標的位置與時鐘解算
[0041] 基準網中各智能浮標(Float)獲取水下用戶的定位請求后，通過同時接收GNSS衛 星信號與差分基站的差分修正信息，使用傳統衛星定位中的差分定位，獲取高精度的位置 坐標（)與浮標同步時間$，其中i表示智能浮標編號。
[0042]步驟3,智能浮標對發射信息進行水聲編碼與調制
[0043]步驟2中得到了智能浮標自身位置與發射時間，智能浮標內集成的數據處理模塊， 對這些信息進行數模轉換，經過放大濾波、聲波換能器的轉換，得到了智能浮標位置和時間 信息的聲波信號。
[0044] 步驟4,智能浮標網調控統一時間播發定位信息
[0045] a.利用無線通信鏈路建立各智能浮標的通訊平臺，以GPS同步時間為基準，確定統 一的發射水聲信號時間；
[0046] b.在統一發射時間確定后，利用水聲發射機將調制信號廣播發射給水下導航收發 機與水下固定基準站。
[0047] 步驟5,水下基站提取水聲信號傳播誤差項
[0048] a.水下基站收到水下用戶的定位請求后，等待智能浮標的水聲定位信號，當接收 到多于4顆智能浮標的定位信號后，對其進行水聲信號解調后，可以獲取到各智能浮標自身 位置與發射時間。根據聲波信號的傳播時間計算得到智能浮標到基站的傳播偽距€
[0049]
[0050]其中：Vscmnd-聲波在水中的傳播速度；
[0051 ] tb，<. 一分別為基站接收到浮標i播發信號的時間和浮標播發信號時間；
[0052] -浮標i到水下基站的幾何距離；
[0053] Stb-水下基站接收機鐘差；
[0054] δο!1，^ 一分別是浮標i的水中傳播綜合誤差項和水下基站的水聲信號測量噪聲 項。
[0055] b.基站確切坐標已知，由智能浮標的位置（和基站位置(Xb，yb，Zb)進行 距離求解，得到智能浮標到基站的幾何距離忠：
[0056]
(2.)
[0057] c.提取水聲信號傳播綜合誤差項
[0058]
(3)
[0059] d.將乍為水聲信號差分修正信息，對其進行差分數據編碼調制，播發給水下用 戶。
[0060] 步驟6,用戶接收智能浮標信號和基站差分信號并進行時間、數據一致性檢驗
[0061] a.水下用戶通過水聲收發機接收步驟4中得到的智能浮標定位信號和步驟5中得 到的水下基站差分修正信號，對其進行水聲信號解調獲取各自有效信息。
[0062] b.進行智能浮標信息與差分信號的時間、數據一致性檢驗。
[0063]步驟7，用戶解算自身位置
[0064] a.當浮標信息與差分信息通過步驟6中的時間、數據一致性檢驗后，判斷水聲信號 數目，若用戶接收到的信號數目少于4個，則這一歷元放棄解算，重復上述所有步驟進入下 一歷元的解算。
[0065] b.若水聲信號數目多于4顆，則進行位置解算，首先GNSS智能浮標播發的發射時間 可以作為GNSS智能浮標到水下目標傳播偽距的初始發射時間，水下用戶(User)利用到達時 間差，來獲取各浮標水聲信號的傳播偽距€ :
[0066]
[0067]其中：-浮標i到水下用戶的幾何距離；
[0068] Stu-水下用戶接收機鐘差；
[0069] Sd1-水聲信號在水中傳播綜合誤差項；
[0070] 4 一用戶水聲信號測量噪聲項。
[0071] c.對GNSS智能浮標到水下目標傳播偽距/T使用水下基站播發的水聲信號傳播綜 合誤差項?進行修正補償，得到修正后的GNSS智能浮標到水下目標傳播偽距療：
[0072]
[0073]
[0074] 其中：Stbu-水下基站和水下用戶的鐘差殘余量
[0075] -觀測噪聲殘余量
[0076] d.綜合各智能浮標信息，忽略觀測噪聲殘余量，進行定位解算：
[0077]
[0078]進行最小二乘解算，獲取最終的高精度水下差分定位結果，輸出用戶的位置(xu， yu,Zu)〇
[0079]當然，本發明還可有其他多種實施例，在不偏離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明做出各種相應的調整，但這些相應的調整都應屬于本 發明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 使用水下導航收發器以廣播形式向智能浮標定位水聽器和水下基準站發射水聲定 位請求信號； (2) 基準網中各智能浮標獲取水下用戶的定位請求后，通過同時接收GNSS衛星信號與 差分基站的差分修正信息，進行水上差分定位，獲取準確的位置坐標與浮標同步時間； (3) 智能浮標內集成的數據處理模塊，將自身位置與發射時間進行水聲編碼與調制； (4) 智能浮標動態基準網以其無線通信鏈路對其各浮標水聲定位信號發射時間進行統 一調控，利用水聲發射機將調制信號廣播發射給水下導航收發機與水下固定基準站； (5) 水下固定基準站當收到水下用戶的定位請求后，等待智能浮標的水聲定位信號，當 接收到多于4顆的智能浮標的定位信號后，因基準位置已知，采用定位反演算法提取水聲信 號傳播誤差項，作為水聲信號修正信息，進行差分數據編碼調制，播發給水下用戶； (6) 水下用戶通過水聲收發機接收多于4顆來自智能浮標的定位信號和來自水下基準 站的差分修正信號后，進行浮標信息與差分信息的時間、數據一致性檢驗； (7) 當浮標信息與差分信息通過數據一致性檢驗后，利用差分信息將接收的水聲定位 信息進行差分修正，通過空間距離交會原理獲取最終的高精度水下定位結果。2. 根據權利要求1所述的一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法，其特征在于： 所述步驟(2)中智能浮標的位置來自于多衛星系統組合的水上差分定位。3. 根據權利要求1所述的一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法，其特征在于： 所述步驟(4)中利用海面無線通信鏈路，統一調控浮標基準網的水聲定位信號發射時間，為 用戶執行定位算法提供時間基準。4. 根據權利要求1所述的一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法，其特征在于： 所述步驟(5)中水下固定基準站位置已知，能夠通過定位反演提取水聲信號綜合誤差項，作 為修正用戶端聲測信號的差分信息。5. 根據權利要求1所述的一種基于聲測誤差相關性的水下增強定位方法，其特征在于： 所述步驟(7)中基于水聲信號在水下局域誤差相關特性，用戶端利用基準站播發的聲測信 號差分信息，進行水下差分定位，可以獲取更高精度的聲測信息。
【文檔編號】G01S5/18GK105974363SQ201610293169
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】李亮, 劉亞, 賈春, 崔鵬, 丁繼成, 趙琳
【申請人】哈爾濱工程大學