一種基于dgps浮標的水下定位導航系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星、至少4個DGPS浮標和至少1個水下定位導航接收機組成。浮標接收GPS信號，浮標之間相互無線通訊，實現(xiàn)DGPS定位。浮標向水中廣播導航信號。用偽隨機擴頻碼對導航信號進行擴頻，擴頻碼同時起到測距碼的作用。水下定位導航接收機不需要向外部發(fā)射信號，通過接收浮標的導航信號，解算出自身在地球坐標內(nèi)的位置以及相對于基站的精確位置，并實現(xiàn)與UTC時間同步。系統(tǒng)中可以有多臺水下定位導航接收機同時接收導航信號，其數(shù)量不受限制。本發(fā)明可以用于水下勘探、水下施工、水下安防、水下導航等領域。
【專利說明】一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下定位導航領域，尤其涉及水下目標隱蔽情況下的定位導航以及時間同步技術。
【背景技術】
[0002]水下導航定位導航技術在海洋監(jiān)測、海洋勘探、海洋維權、水下考古、水下施工、水下安保及軍事等領域有非常重要的應用價值?；诼晫W的水下定位導航系統(tǒng)按照水聲信號的傳播路徑，主要分為兩類:雙程模式和單程模式。
[0003]雙程模式又稱作應答模式，需要水下定位設備配置收發(fā)應答器。浮標和應答器之間雙向收發(fā)水聲信號實現(xiàn)定位。傳統(tǒng)的長基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng)大都是雙程模式。雙程模式的優(yōu)點是水下應答器和浮標之間不需要時間同步。缺點是:1.水下應答器需要向外界發(fā)射聲波信號，增加了功耗，隱蔽性差。2.由于需要雙向收發(fā)信號，水下應答器的數(shù)目受制與浮標的處理能力，不能無限增加。
[0004]單程模式又稱非應答模式。浮標和水下定位設備之間單向傳送信號即可實現(xiàn)定位。目前單程定位系統(tǒng)都是水下信標向浮標發(fā)送信號，浮標根據(jù)接收到信號的特征解算出水下信標的位置。這種模式下，水下信標的數(shù)目也受制于浮標處理能力。
[0005]目前的單程和雙程模式，其信標的位置解算都是在浮標或者船基、岸基完成。信標不能直接獲得自身位置。如果水下設備(如水下潛航器)需要根據(jù)自身位置實現(xiàn)自主航行，則需要通過額外的通信鏈路，將位置信息從浮標發(fā)送給水下設備。
[0006]經(jīng)檢索，中國專利申請?zhí)朇N200310118440的發(fā)明專利公開了一種水下GPS定位導航方法和系統(tǒng)，可以實現(xiàn)水下目標定位導航與授時。該方法有以下局限性:1.系統(tǒng)所需部件龐大，需要至少5個浮標(浮標)，數(shù)據(jù)中心、海面無線通信鏈路，水下無線通信鏈路。2.水下導航接收機與浮標需要雙向通信。水下定位導航接收機需要向外發(fā)射水聲信號，功耗大且不利于隱蔽。3.水下定位導航接收機數(shù)量不能無限增加。4.水下導航接收機無法直接獲得自身位置。數(shù)據(jù)中心解算出位置之后，通過水聲通信鏈路發(fā)送給水下定位導航接收機。增加了定位所需的時間，降低了可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)基于擴頻通訊廣播模式的單程水下定位導航。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由GNSS (GlobalNavigationSatelliteSystem)衛(wèi)星、至少4個DGPS浮標和至少I個水下定位導航接收機組成，其中:
[0009]所述DGPS浮標，通過GPS天線接收現(xiàn)有GNSS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)自身位置定位；各DGPS浮標之間通過無線通訊天線相互通訊，傳送GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，組成差分GPS(DGPS)系統(tǒng)，實現(xiàn)各個DGPS浮標相對地球坐標的定位，以及各DGPS浮標之間相對位置的精確定位；通過GNSS衛(wèi)星授時功能，實現(xiàn)DGPS浮標時間與UTC時間同步；
[0010]所述DGPS浮標，通過擴頻通信的模式向水下廣播導航信號，其中用偽隨機擴頻碼對導航信號進行擴頻，擴頻碼同時起到測距碼的作用；
[0011]所述水下定位導航接收機不需要向外部發(fā)射信號，根據(jù)接收到的DGPS浮標信號，解算出自身位置，并實現(xiàn)與UTC時間同步，系統(tǒng)中可以有多臺水下定位導航接收機同時接收導航信號，其數(shù)量不受限制。
[0012]優(yōu)選地，所述DGPS浮標的導航信號采用雙極性二進制編碼，即其取值為+1或-1，分別對應二進制的O和1，導航信號包含測距碼、導航電文信息:
[0013]所述測距碼是一組長度固定的偽隨機碼，其長度為Pz，周期為PP。每個DGPS浮標對應一個特定序列的偽隨機碼，記為Pi,不同的Pi相互準正交，即它們的互相關函數(shù)的峰值Pcii與自相關函數(shù)的峰值Pesi之間的關系滿足
【權利要求】
1.一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星、至少4個DGPS浮標和至少I個水下定位導航接收機組成，其中: 所述DGPS浮標，通過GPS天線接收現(xiàn)有GNSS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)自身位置定位；各DGPS浮標之間通過無線通訊天線相互通訊，傳送GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，組成差分GPS系統(tǒng)，即DGPS系統(tǒng)，實現(xiàn)各個DGPS浮標相對地球坐標的定位，以及各DGPS浮標之間相對位置的精確定位；通過GNSS衛(wèi)星授時功能，實現(xiàn)DGPS浮標時間與UTC時間同步； 所述DGPS浮標，通過擴頻通信的模式向水下廣播導航信號，其中用偽隨機擴頻碼對導航信號進行擴頻，擴頻碼同時起到測距碼的作用； 所述水下定位導航接收機不需要向外部發(fā)射信號，根據(jù)接收到的DGPS浮標信號，解算出自身位置，并實現(xiàn)與UTC時間同步；系統(tǒng)中可以有多臺水下定位導航接收機同時接收導航信號，其數(shù)量不受限制。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，其特征在于，所述DGPS浮標的導航信號采用雙極性二進制編碼，即其取值為+1或-1，分別對應二進制的O和1，導航信號包含測距碼、導航電文信息: 所述測距碼是一組長度固定的偽隨機碼，其長度為Pz，周期為Pp;每個DGPS浮標對應一個特定序列的偽隨機碼，記為Pi,不同的Pi相互準正交，即它們的互相關函數(shù)的峰值Pqh與自相關函數(shù)的峰值Prai之間的關系滿足
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，其特征在于，所述DGPS浮標的絕對位置或者相對位置已知，DGPS浮標之間保持時鐘同步。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，其特征在于，所述DGPS浮標布置在水面、水中或水底，DGPS浮標的位置固定或者移動。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，其特征在于，所述DGPS浮標以聲波的形式，向水下發(fā)射導航信號，信號調(diào)制模式采用擴頻通信模式。
6.一種基于DGPS浮標的水下定位導航方法，該方法包括DGPS浮標發(fā)射導航信號步驟、水下定位導航接收機接收DGPS浮標信號并進行定位導航解算步驟； DGPS浮標記為Si，其中i = 1，2，...，m，其中m為DGPS浮標數(shù)量，m≤4，DGPS浮標的位置坐標分別Sei = (Xi, Yi, Zi)； 所述DGPS浮標發(fā)射導航信號步驟，具體如下: ①生成導航電文，記為Di,導航電文由同步幀和信息幀組成，同步幀是一組固定的二進制數(shù)據(jù)，記為T ;信息幀包含了 DGPS浮標時間和DGPS浮標位置坐標； ②利用測距碼作為擴頻碼，對導航電文進行擴頻，得到擴頻信號，記為Hi= DiXPi ； ③利用擴頻后的信號Ki,對載波進行調(diào)制:因為所有DGPS浮標與UTC時間同步，可實現(xiàn)載波同步，即所有DGPS浮標的載波頻率相位同步，記為C，導航信號記為Xi, Xi = CXKi =CXDiXPi ； ④將導航信號Xi通過DGPS浮標發(fā)射到水中；所述水下定位導航接收機接收DGPS浮標信號并進行定位導航解算，具體如下: 定位導航接收機在水下，其坐標為Rcd = (x，y，z)，與DGPS浮標之間的距離為
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于DGPS浮標的水下定位導航系統(tǒng)，其特征在于，所述定位導航解算，具體步驟如下: ①信號解調(diào)分離:利用碼測距碼Pi的正交性，將各個DGPS浮標的信號解調(diào)并分離出來；即:依次將各個測距碼Pi依次與信號Y進行相關運算，如果相關運算的結果大于設定的閾值，則該路信號對應了第i個DGPS浮標發(fā)射，經(jīng)過水體傳播后，被接收機接收到的信號，記為Yi ；②信號跟蹤:實現(xiàn)信號分離之后，對各路信號Yi分別跟蹤；即在t時刻，將信號Yi依次與對應的測碼Pi進行相關運算，測出相關峰值相對于的開始位置的時間，稱為碼相位只: ③幀同步及導航電文解析:接收到的信號Yi與同步幀T比對，確定導航電文的開始時亥IJ，記為tSi，從tSi時刻開始，對測距碼進行整周期計數(shù)，計數(shù)值記為Ni ;依次對導航電文進行解析，得到DGPS浮標位置和DGPS浮標時間； ④偽距測量:利用從幀同步開始的計數(shù)值Ni和碼相位W汁算出導航信號從DGPS浮標Si到接收機的傳播時間Ti, Ti=PpXN^i;根據(jù)聲波在水中的傳播速度c計算DGPS浮標Si到接收機的偽距LpLi = CXTi ;傳播時間Ti包含了接收機與DGPS浮標的時間差Λ t，偽距L1、DGPS浮標Si到接收機之間的實際距離Lsi關系為=Li = LSi+c Δ t ； ⑤定位解算:水下定位導航接收機接收到一個DGPS浮標的信號，即得到一個偽距，接收到全部m個DGPS浮標信號之后，即獲得m個偽距方程，組成如下方程組:
【文檔編號】G01S19/42GK103823229SQ201410073253
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權日:2014年2月28日
【發(fā)明者】關新平, 趙健康, 王紅雨, 賀超峰 申請人:上海交通大學