基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法

1.本发明涉及海洋测量技术领域，尤其是基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法。


背景技术：

2.超短基线定位系统由于体积小、重量轻、携带方便等优点，在水下定位领域应用广泛。其定位原理是利用水下应答信号到达接收单元之间的相位差(或时延差)结合水下测量目标到超短基线阵之间的传播时延进行数据解算从而来实现定位。在距海表面一定深度的声源向下以一定角度发射声信号，当发现水下目标时，目标将反射声信号到接收机，然后根据信号的传播时延和声速剖面得到目标到声源的距离，再联合角度信息获得目标的精确位置。然而，传统的超短基线定位系统也存在一些不足之处。
3.一方面现有的传统的超短基线系统水下作业单元无法获得精准的单侧传播时延从而无法获取自身与水上平台的相应距离，限制了一部分水下作业任务。另一方面现有的超短基线系统的水上平台进行定位解算时是将传播时延的一半作为斜距以及定位的处理参数，但水下作业装置在进行水下作业任务时会进行一定距离的移动，水上平台进行解算的传播时延参数并不是真实准确的传播时延参数，对超短基线系统的定位造成一定影响。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，包括如下步骤：
6.步骤1，甲板单元由控制终端输入水声应答器预分组编码，专用信号处理机计算生成相应的应答同步序列与信息序列，并向声换能器基阵发送定位指令；
7.步骤2，声换能器基阵接收到编码序列和定位指令后，启动发射模块，以固定间隔发送唤醒信号、携带时间戳信息的调制信号，同时开启接收模块；
8.步骤3，区域内同组的水声应答器被唤醒信号唤醒，确认后接收时间戳信息并通过自身解算得到单侧传播时延后解算当前与水上单元之间大致距离，发射扩频信号以及结合时间基准芯片发射携带时间戳信息的调制信号；
9.步骤4，声换能器基阵接收到应答信号后，采样并传输至专用信号处理机，完成信号的同步、解调得到相应时间戳信息，结算各通道时延、相位信息；
10.步骤5，甲板单元结合gps、罗经和声速剖面仪数据信息，解算出本组内各个水声应答器的地理坐标，并基于运动状态下的水下作业单元进行一定的运动状态轨迹估计，完成精确定位。
11.上述的一种基于时间戳的双程精准时延测量方法，所述步骤3中唤醒信号检测方法为：被检测信号能量的时域表达式为：
12.其中，d(y)表示判决变量值，n表示检测时信号的抽样数目，n表示采样点数；y(n)＝w(n)，表示通道中噪声的采样值；当被检测信号能量值大于d(y)时，则被检测信号为唤醒信号。
13.上述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，所述步骤3中水声应答器唤醒后，水声应答器对接收到的时间戳信号进行解调得到水上发送声信号时的时间信息，与自身时间基准芯片所得值作差，得到前段精准传播时延ta，并根据当前声速测量水声应答器与水上平台之间大致距离用于水下操作。
14.上述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，所述步骤5中各个水声应答器的地理坐标结算过程具体包括：
15.步骤5.1，计算方向角α，β、声波在声换能器基阵方向上的入射角θ；
16.步骤5.2，对于水上操作平台接收到来自水声应答器发送的时间戳后，得到水声应答器发送声信号的发送时间t
down
并根据自己当前接收信号时间t
up
作差得到精确传播时延tb＝t
up-t
down
，用于声线修正参数计算；
17.步骤5.3，将声速剖面图从水面到水声应答器的垂直深度等间隔分成n层，每层间距相同，且声速变化视为线性变化；
18.步骤5.4，基于步骤5.3的分层声线跟踪，声线在第i层内传播，声线在该层的r点处结束，根据声速的传播规律，分别用c与θ代表声波在基阵接收时声线的速度与方向，深度用z来表示，则第j层内声速的变化梯度gj的计算式可表示为：
19.gj＝(c
j+1-cj)/(z
j+1-zj)
20.波束在第j层经历的弧段长度为δsi＝ri(θ
i+1-θi)，第j层声线的垂直位移δ
zj
、水平位移δxj和传播时间tj为：
[0021][0022]
其中，tj表示声线在第j层的传播时间，j＝1，2，3，......，i-1，i表示声线传播最后一层，rj表示第j层声线路径对应的曲率半径；
[0023]
步骤5.5，将每一层内的传播时间相加，与传播时延tb作比较，将超出时的所在层视为第i层，此时剩余时间计算声线对应的剩余垂直位移δzr、剩余水平位移δxr和剩余传播时间tr为：
[0024][0025]
其中，ri表示第i层声线路径对应的曲率半径，p表示snell常数；θr表示最终声线的入射角，θi表示第i层声线的入射角，gi表示第i层内声速的变化梯度，
[0026]
步骤5.6，将整个水柱分为n层，则总的声线水平距离x和垂直距离z分别为：
[0027][0028][0029]
步骤5.7，声线在平面的投影与水平x轴方向夹角γ为：
[0030][0031]
与y轴方向夹角λ为90
°‑
γ
[0032]
其中，α，β为方向角；
[0033]
步骤5.8，根据声线水平位移，得到水声应答器在发射声信号时的位置为：(xcosγ,xcosλ,z)。
[0034]
上述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，所述步骤5.1具体包括：
[0035]
步骤5.1.1，建立空间坐标系，明确水声应答器、声换能器的坐标；
[0036]
步骤5.1.2，根据水声应答器位置及接受声波的时延差计算x轴方向角α及y轴的方向角β；
[0037]
步骤5.1.3，根据x轴方向角α及y轴的方向角β计算z轴方向的角度即掠射角余弦值为
[0038]
步骤5.1.4，计算声波在声换能器基阵方向上的入射角
[0039]
本发明的有益效果是，本发明采用时间戳信息结合互相关以及时间基准芯片获取时间信息功能的方式对其两侧时延进行相应估计，水下作业单元与海面超短基线平台的大致距离由平台发送的时间戳与水下作业单元带有的时间基准芯片进行时延解算获取。水下作业单元可将其发射声信号时的当前时间信息以时间戳的形式发送给水上平台从获得更准确的数据，并由此进行水下装置运动状态估计从而更好的进行水声定位。
附图说明
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0041]
图1为本发明超短基线定位示意图；
[0042]
图2为本发明能量检测流程图；
[0043]
图3为本发明实施例波束在第i层弧段长度示意图；
[0044]
图4为本发明水声应答器内工作流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
[0046]
本实施例公开了一种基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，包
括如下步骤：
[0047]
步骤1，甲板单元由控制终端输入水声应答器预分组编码，专用信号处理机计算生成相应的应答同步序列与信息序列，并向声换能器基阵发送定位指令；
[0048]
步骤2，声换能器基阵接收到编码序列和定位指令后，启动发射模块，以固定间隔发送唤醒信号、携带时间戳信息的调制信号，同时开启接收模块；
[0049]
步骤3，区域内同组的水声应答器被唤醒信号唤醒，确认后接收时间戳信息并通过自身解算得到单侧传播时延后解算当前与水上单元之间大致距离，发射扩频信号以及结合时间基准芯片发射携带时间戳信息的调制信号；
[0050]
对于唤醒信号来讲目前，常用的唤醒信号检测方法为能量检测、匹配滤波检测，循环统计量检测，而能量检测和匹配滤波检测广泛应用于水声通信领域。能量检测方法应用最为广泛，它不需要信号的先验知识，通过计算一段时间内时域或频域的能量来判断是否超越预设门限值，简单易行。
[0051][0052]
如公式1所示，在能量检测模型中，x(n)和w(n)分别代表通道中信号和噪声的采样值，n代表采样点数，信号和噪声的总能量值要大于只有噪声的能量值，即公式2所示：
[0053]
ε[(x(n)+w(n))2]＝ε[x2(n)]+ε[w2(n)]＞ε[w2(n)](2)
[0054]
所以，根据能量检测公式，被检测信号能量的时域表达式为公式3：
[0055][0056]
通过与预设门限值的比较，即可得出在采样时间内被检测信号是信道噪声还是唤醒信号。能量检测方法适合于判决对任何形式的信号能量，但为提高检测精度，水声应答器使用了频域的能量检测形式，通过快速傅里叶变换(fft)检测预设频段的信号总能量，检测方框图如图2所示。
[0057]
步骤3中水声应答器唤醒后，水声应答器对接收到的时间戳信号进行解调得到水上发送声信号时的时间信息，与自身时间基准芯片所得值作差，得到前段精准传播时延ta，并根据当前声速测量水声应答器与水上平台之间大致距离用于水下操作。
[0058]
步骤4，声换能器基阵接收到应答信号后，采样并传输至专用信号处理机，完成信号的同步、解调得到相应时间戳信息，结算各通道时延、相位信息；
[0059]
步骤5，甲板单元结合gps、罗经和声速剖面仪数据信息，解算出本组内各个水声应答器的地理坐标，并基于运动状态下的水下作业单元进行一定的运动状态轨迹估计，完成精确定位。
[0060]
位置解算的具体过程包括如下步骤：
[0061]
步骤5.1，计算方向角α，β、声波在声换能器基阵方向上的入射角θ；
[0062]
超短基线定位如图1所示，在本实施例中，以声换能器1、2作为x轴，声换能器3、4作为y轴，其连线中心点作为坐标原点o，并由此建立空间坐标系。水声应答器p的坐标为(x，y，z)，声换能器1坐标为(d/2，0，0)，声换能器3坐标为(-d/2，0，0)，声换能器2坐标为(0，-d/2，0)，声换能器4坐标为(0，d/2，0)。
[0063]
假设声换能器1和声换能器3接收声波的时延差为声换能器2和声换能器4接
收声波的时延差为若目标与声换能器基阵距离较远，根据远场平面波假设可得：
[0064][0065]
通过水上解算的基阵之间的时延带入可得α，β的大小，并由此得出z方向上的角度即掠射角为从而得到声波在基阵方向上的入射角并依据声速剖面进行声线修正，本发明为声线修正提供了一个更为精确的传播时延。
[0066]
步骤5.2，对于水上操作平台接收到来自水声应答器发送的时间戳后，得到水声应答器发送声信号的发送时间t
down
并根据自己当前接收信号时间t
up
作差得到精确传播时延tb＝t
up-t
down
，用于声线修正参数计算；
[0067]
步骤5.3，将声速剖面图从水面到水声应答器的垂直深度等间隔分成n层，每层间距相同，且声速变化视为线性变化；
[0068]
步骤5.4，基于步骤5.3的分层声线跟踪，声线在第i层内传播，声线在该层的r点处结束，根据声速的传播规律，分别用c与θ代表声波在基阵接收时声线的速度与方向，深度用z来表示，则第j层内声速的变化梯度gj的计算式可表示为：
[0069]gj
＝(c
j+1-cj)/(z
j+1-zj)
[0070]
声波的传播方向和速度满足snell法则，在声速常梯度变化情况下，波束在第i层内的实际传播轨迹为一连续的、对应一定曲率半径ri的弧段，p为snell常数。声线跟踪算法的声速函数采用harmonic平均声速。假设声速在第i层内以常梯度gi变化，其层内(z∈[zi，z
i+1
])的声速函数ci(z)表示为：
[0071]ci
(z)＝ci+gi(z)(z-zi)
[0072]
声速在第i层的传播时间为：
[0073][0074]
将ci(z)带入并求积分得
[0075]
ti＝(1/gi)ln(c
i+1
/ci)。
[0076]
如图3所示，波束在第j层经历的弧段长度为δsi＝ri(θ
i+1-θi)，第j层声线的垂直位移δzj、水平位移δxj和传播时间tj为：
[0077][0078]
其中，tj表示声线在第j层的传播时间，j＝1，2，3，......，i-1，i表示声线传播最后一层，rj表示第j层声线路径对应的曲率半径；
[0079]
步骤5.5，将每一层内的传播时间相加，与传播时延tb作比较，将超出时的所在层视为第i层，此时剩余时间计算声线对应的剩余垂直位移δzr、剩余水平位移δxr和剩余传播时间tr为：
[0080][0081]
其中，ri表示第i层声线路径对应的曲率半径，p表示snell常数；θr表示最终声线的入射角，θi表示第i层声线的入射角，gi表示第i层内声速的变化梯度，
[0082]
步骤5.6，将整个水柱分为n层，则总的声线水平距离x和垂直距离z分别为：
[0083][0084][0085]
步骤5.7，声线在平面的投影与水平x轴方向夹角γ为：
[0086][0087]
与y轴方向夹角λ为90
°‑
γ
[0088]
其中，α，β为方向角；
[0089]
步骤5.8，根据声线水平位移，得到水声应答器在发射声信号时的位置为：(xcosγ，xcosλ，z)。
[0090]
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，甲板单元由控制终端输入水声应答器预分组编码，专用信号处理机计算生成相应的应答同步序列与信息序列，并向声换能器基阵发送定位指令；步骤2，声换能器基阵接收到编码序列和定位指令后，启动发射模块，以固定间隔发送唤醒信号、携带时间戳信息的调制信号，同时开启接收模块；步骤3，区域内同组的水声应答器被唤醒信号唤醒，确认后接收时间戳信息并通过自身解算得到单侧传播时延后解算当前与水上单元之间大致距离，发射扩频信号以及结合时间基准芯片发射携带时间戳信息的调制信号；步骤4，声换能器基阵接收到应答信号后，采样并传输至专用信号处理机，完成信号的同步、解调得到相应时间戳信息，结算各通道时延、相位信息；步骤5，甲板单元结合gps、罗经和声速剖面仪数据信息，解算出本组内各个水声应答器的地理坐标，并基于运动状态下的水下作业单元进行一定的运动状态轨迹估计，完成精确定位。2.根据权利要求1所述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤3中唤醒信号检测方法为：被检测信号能量的时域表达式为：其中，d(y)表示判决变量值，n表示检测时信号的抽样数目，n表示采样点数；y(n)＝w(n)，表示通道中噪声的采样值；当被检测信号能量值大于d(y)时，则被检测信号为唤醒信号。3.根据权利要求1所述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤3中水声应答器唤醒后，水声应答器对接收到的时间戳信号进行解调得到水上发送声信号时的时间信息，与自身时间基准芯片所得值作差，得到前段精准传播时延t
a
，并根据当前声速解算出水声应答器与水上平台之间大致距离用于水下操作。4.根据权利要求1所述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤5中各个水声应答器的地理坐标结算过程具体包括：步骤5.1，计算方向角α，β、声波在声换能器基阵方向上的入射角θ；步骤5.2，对于水上操作平台接收到来自水声应答器发送的时间戳后，得到水声应答器发送声信号的发送时间t
down
并根据自己当前接收信号时间t
up
作差得到精确传播时延t
b
＝t
up-t
down
，用于声线修正算法进行参数计算；步骤5.3，将声速剖面图从水面到水声应答器的垂直深度等间隔分成n层，每层间距相同，且声速变化视为线性变化；步骤5.4，基于步骤5.3的分层声线跟踪，声线在第i层内传播，声线在该层的r点处结束，根据声速的传播规律，分别用c与θ代表声波在基阵接收时声线的速度与方向，深度用z来表示，则第j层内声速的变化梯度g
j
的计算式可表示为：g
j
＝(c
j+1-c
j
)/(z
j+1-z
j
)波束在第j层经历的弧段长度为δs
j
＝r
j
(sinθ
j+1-θ
j
)，第j层声线的垂直位移δz
j
、水平位移δx
j
和传播时间t
j
为：
其中，t
j
表示声线在第j层的传播时间，j＝1，2，3，......，i-1，i表示声线传播最后一层，r
j
表示第j层声线路径对应的曲率半径；步骤5.5，将每一层内的传播时间相加，与传播时延t
b
作比较，将超出时的所在层视为第i层，此时剩余时间计算声线对应的剩余垂直位移δz
r
、剩余水平位移δx
r
和剩余传播时间t
r
为：其中，r
i
表示第i层声线路径对应的曲率半径，p表示snell常数；θ
r
表示最终声线的入射角，θ
i
表示第i层声线的入射角，g
i
表示第i层内声速的变化梯度，步骤5.6，将整个水柱分为n层，则总的声线水平距离x和垂直距离z分别为：则总的声线水平距离x和垂直距离z分别为：步骤5.7，声线在平面的投影与水平x轴方向夹角γ为：与y轴方向夹角λ为90
°‑
γ其中，α，β为方向角；步骤5.8，根据声线水平位移，得到水声应答器在发射声信号时的位置为：(xcosγ，xcosλ，z)。5.根据权利要求4所述的基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤5.1具体包括：步骤5.1.1，建立空间坐标系，明确水声应答器、声换能器的坐标；步骤5.1.2，根据水声应答器位置及接受声波的时延差计算x轴方向角α及y轴的方向角β；步骤5.1.3，根据x轴方向角α及y轴的方向角β计算z轴方向的角度即掠射角余弦值为步骤5.1.4，计算声波在声换能器基阵方向上的入射角

技术总结
本发明公开了基于时间戳的双程精准时延测量下的超短基线定位方法，采用时间戳信息结合互相关以及时间基准芯片获取时间信息功能的方式对其两侧时延进行相应估计，水下作业单元与海面超短基线平台的大致距离由平台发送的时间戳与水下作业单元带有的时间基准芯片进行时延解算获取。水下作业单元可将其发射声信号时的当前时间信息以时间戳的形式发送给水上平台从获得更准确的数据，并由此进行水下装置运动状态估计从而更好的进行水声定位。本发明超短基线定位方法有效提高了超短基线系统的定位精度。统的定位精度。统的定位精度。


技术研发人员：巩小东 马昕宇 郑轶 倪秀辉 冯向超 孟雍祥 李新娟 王亚洲 李腾 马云飞 彭凯
受保护的技术使用者：山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋仪器仪表科技中心有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/5