专利名称：基于gnss卫星的水下航行器定位系统的制作方法
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。[0008]上述方案中，所述GNSS接收机主要由卫星天线、低噪声放大�？�、下变频�？�、模数转换�？楹突藕糯砟？樽槌桑黄渲形佬翘煜呓邮誈NSS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�？榈氖涑龆艘来尉上卤淦的？楹湍Ｊ荒？橛牖藕糯砟？榈氖淙攵肆樱藕糯砟？榈氖涑龆擞胨Υ鸹�。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�？榫苫荒芷髁邮辗⑻煜撸黄渲兴Υ鸹系男藕糯砟？榈氖淙攵擞隚NSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理�？榈氖涑龆擞胨潞叫衅魃系南允旧璞噶印Ｉ鲜龇桨钢校鏊Υ鸹�/或水声问答机上的信号处理�？榫ㄓ蟹⑺偷ピ徒邮盏ピ黄渲蟹⑺偷ピǚ⑺褪菽？椤⑿畔⒔饴肽？�、扩频调制�？�、载波调制�？�、发送带通滤波模块、数模转换�？�、以及发送放大�？椋恍畔⒔饴肽？榈氖淙攵肆臃⑺褪菽？椋畔⒔饴肽？榈氖涑龆艘来尉衫┢档髦颇？楹驮夭ǖ髦颇？橛敕⑺痛瞬？榈� 输入端相连，发送带通滤波�？榈氖涑龆肆邮Ｗ荒？榈氖淙攵耍Ｗ荒？榈氖涑龆司煞⑺头糯竽？橛牖荒芷鞯氖淙攵讼嗔唤邮盏ピń邮辗糯竽？椤⒛Ｊ荒？�、接收带通滤波�？�、捕获�？�、跟踪�？�、相干组合�？�、解码�？�、载波频率和码相位提取模块、以及提取数据和定位�？椋唤邮辗糯竽？榈氖淙攵擞牖荒芷鞯氖涑龆讼嗔邮辗糯竽？榈氖涑龆司赡Ｊ荒？橛虢邮沾瞬？榈氖淙攵肆樱Ｊ荒？榈氖涑龆撕拖喔勺楹夏？榈氖涑龆司氩痘衲？榈氖淙攵肆樱痘衲？榈氖涑龆肆痈倌？椋倌？榈氖涑龆朔治�2路，一路经解码�？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱樱硪宦肪夭ㄆ德屎吐胂辔惶崛∧？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱印１臼涤眯滦驮谒嫔显錾瓒喔龆ㄎ桓”辏枚ㄎ桓”甑腉NSS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。
图I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�？榈乃┢迪低辰峁雇迹煌�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�？榈氖淙攵讼嗔驮肷糯竽？榈氖涑龆艘来尉上卤淦的？楹湍Ｊ荒？橛牖藕糯砟？榈氖淙攵肆樱藕糯砟？榈氖涑龆擞胨Υ鸹�。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�？樽槌桑恍藕糯砟？榫苫荒芷髁邮辗⑻煜�。其中水声应答机上的信号处理�？榈氖淙攵擞隚NSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理�？榈氖涑龆擞胨潞叫衅魃系南允旧璞噶�。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�？榫ㄓ蟹⑺偷ピ徒邮盏ピ�。其中发送单元包括发送数据�？�、信息解码�？椤⒗┢档髦颇？�、载波调制�？�、发送带通滤波�？�、数模转换�？椤⒁约胺⑺头糯竽？�。信息解码�？榈氖淙攵肆臃⑺褪菽？椋畔⒔饴肽？榈氖涑龆艘来尉衫┢档髦颇？楹驮夭ǖ髦颇？橛敕⑺痛瞬？榈氖淙攵讼嗔⑺痛瞬？榈氖涑龆肆邮Ｗ荒？榈氖淙攵耍Ｗ荒？榈氖涑龆司煞⑺头糯竽？橛牖荒芷鞯氖淙攵讼嗔�。接收单元包括接收放大�？�、模数转换�？�、接收带通滤波�？�、捕获�？�、跟踪模块、相干组合�？�、解码�？椤⒃夭ㄆ德屎吐胂辔惶崛∧？�、以及提取数据和定位�？�。接收放大�？榈氖淙攵擞牖荒芷鞯氖涑龆讼嗔邮辗糯竽？榈氖涑龆司赡Ｊ荒？橛虢邮沾瞬？榈氖淙攵肆樱Ｊ荒？榈氖涑龆撕拖喔勺楹夏？榈氖涑龆司氩痘衲？榈氖淙攵肆樱痘衲？榈氖涑龆肆痈倌？椋倌？榈氖涑龆朔治�2路，一路经解码�？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱樱硪宦肪夭ㄆ德屎吐胂辔惶崛∧？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱�。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(I)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；[0025](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⑴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Re等于系统带宽W，如W= 10kHz，则可取Re = IOkcp 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�。颂岣咚潞叫衅鞯囊涡裕┢翟鲆婢×看�。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⑷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(I) 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At。(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 +!T1+ Δ t①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，A为定位浮标的发射器的自身时延，At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
权利要求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I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�？�、下变频�？�、模数转换�？楹突藕糯砟？樽槌桑黄渲形佬翘煜呓邮誈NSS卫星信号、其输出端与低噪声放大�？榈氖淙攵讼嗔驮肷糯竽？榈氖涑龆艘来尉上卤淦的？楹湍Ｊ荒？橛牖藕糯砟？榈氖淙攵肆樱藕糯砟？榈氖涑龆擞胨Υ鸹印�
3.根据权利要求I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�？樽槌桑恍藕糯砟？榫苫荒芷髁邮辗⑻煜撸黄渲兴Υ鸹系男藕糯砟？榈氖淙攵擞隚NSS接收机的输出端连接，水声问答机上的信号处理�？榈氖涑龆擞胨潞叫衅魃系南允旧璞噶�。
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�？榫ㄓ蟹⑺偷ピ徒邮盏ピ黄渲� 发送单元包括发送数据�？�、信息解码�？�、扩频调制�？�、载波调制�？�、发送带通滤波�？�、数模转换�？�、以及发送放大�？椋恍畔⒔饴肽？榈氖淙攵肆臃⑺褪菽？椋畔⒔饴肽？榈氖涑龆艘来尉衫┢档髦颇？楹驮夭ǖ髦颇？橛敕⑺痛瞬？榈氖淙攵讼嗔⑺痛瞬？榈氖涑龆肆邮Ｗ荒？榈氖淙攵耍Ｗ荒？榈氖涑龆司煞⑺头糯竽？橛牖荒芷鞯氖淙攵讼嗔� 接收单元包括接收放大�？�、模数转换�？�、接收带通滤波�？�、捕获�？�、跟踪�？�、相干组合�？�、解码�？�、载波频率和码相位提取�？椤⒁约疤崛∈莺投ㄎ荒？椋唤邮辗糯竽？榈氖淙攵擞牖荒芷鞯氖涑龆讼嗔邮辗糯竽？榈氖涑龆司赡Ｊ荒？橛虢邮沾瞬？榈氖淙攵肆樱Ｊ荒？榈氖涑龆撕拖喔勺楹夏？榈氖涑龆司氩痘衲？榈氖淙攵肆樱痘衲？榈氖涑龆肆痈倌？椋倌？榈氖涑龆朔治�2路，一路经解码�？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱樱硪宦肪夭ㄆ德屎吐胂辔惶崛∧？橛胩崛∈莺投ㄎ荒？榱�。
专利摘要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。
文档编号G01S15/06GK202563095SQ20122009404
公开日2012年11月28日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者孙希延, 纪元法, 符强, 王守华, 邓洪高, 吴孙勇, 严素清, 张瑞霞 申请人:桂林电子科技大学
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