本發(fā)明屬于水聲工程領域，涉及一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)及其信號形式設計方法。

背景技術：

水聲超短基線系統(tǒng)是一種常見的水聲定位技術，與其它基線相比，超短基線定位系統(tǒng)基線基陣尺寸小，易于安裝，輕便靈活，操作方便等優(yōu)點。傳統(tǒng)的水聲超短基線系統(tǒng)只支持單一用戶或者多個窄帶用戶的同時定位跟蹤，且當進行多用戶同時定位跟蹤時，用戶之間的干擾是多用戶數量受限的主要原因。在解決填海造地、水運交通時的鋪排作業(yè)過程中，一般采用超短基線和長基線組合導航的技術，一方面指導鋪排施工，另一方面對完成的排體進行高精度水下定位檢測，此時需要對個水聲應答器的高精度定位信息，因此水聲超短基線系統(tǒng)要滿足多個寬帶用戶的精確定位跟蹤需求。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對背景技術的不足提供了一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)及其信號形式設計方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案

一種多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)，包含聲頭和水聲應答器，所述水聲應答器包含入水檢測電路模塊、收發(fā)合置換能器模塊、mcu模塊、dsp模塊、發(fā)射電路模塊、接收電路模塊、壓力傳感器模塊、電源模塊；

入水檢測電路模塊，用于檢測水聲應答器是否入水，入水即給系統(tǒng)供電，離開水即斷電；

收發(fā)合置換能器模塊，用于接收聲頭發(fā)射的聲信號，并發(fā)射定位信號給聲頭；

mcu模塊，與dsp模塊連接，用于檢測聲頭發(fā)射的喚醒信號，以及控制dsp模塊的工作；

dsp模塊，接受mcu模塊的控制，用于解算聲頭發(fā)射的定位信號；

發(fā)射電路模塊，用于對應答聲信號進行數模轉換和功率放大后發(fā)送給收發(fā)合置換能器；

接收電路模塊，用于對收發(fā)合置換能器接收的聲信號進行功率放大、濾波處理和模數轉換；

壓力傳感器模塊，用于檢測水聲應答器的入水深度；

電源模塊，用于負責整個水聲應答器的電源供給；

所述聲頭包含換能器基陣模塊、接收電路模塊、發(fā)射電路模塊、fpga模塊、arm模塊、甲板處理單元模塊、聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊；

換能器基陣模塊，用于發(fā)射聲信號給水聲應答器，并接收水聲應答器發(fā)射的定位信號；

接收電路模塊，用于對水聲應答器發(fā)射的定位信號進行前期預處理；

發(fā)射電路模塊，用于對發(fā)射聲信號進行前期預處理；

fpga模塊，用于接收電路模塊之后的數據采集，并驅動dac模塊和同步聲學數據、姿態(tài)數據、gps數據；

arm模塊，用于與上位機通信；

甲板處理單元模塊，用于處理聲學數據，并發(fā)送控制命令；

聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊，用于提供聲頭的精確位置和姿態(tài)信息；

一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號形式設計方法，具體包含如下步驟：

步驟1，構造gmw序列；

步驟2，根據gmw序列構造低相關序列集；

步驟3，進行boc調制。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號形式設計方法的進一步優(yōu)選方案，gmw序列如下：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，是從擴域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函數，i是不為1的陪集首，且0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號形式設計方法的進一步優(yōu)選方案，所述步驟2具體步驟如下：

同一本原產生的兩個gmw序列，定義如下：

若m、n、r1、r2為整數，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元，則兩個gmw序列定義為：

其中，x、y/{xi}、{yi}是兩個gmw序列，r1、r2屬于陪集，α∈gf(pⁿ)且是本原元。互相關函數定義為：

其中，rx,y(τ)是互相關函數，rx',y'(τ/t)是m序列的互相關函數，x',y'是m序列，t是序列長度，τ是序列相位。且有：

其中，x'、y'/{xi'}、{yi'}是m序列，t是序列長度，α∈gf(pⁿ)且是本原元，r1、r2屬于陪集。

由同一本原元產生的gmw序列具有良好的互相關特性，滿足低相關序列要求，但是由同一本原元生成的序列數量有限；

構造二元低相關序列集，具體步驟如下：

步驟2.1，同一本原元產生的兩個gmw序列如下：

其中，a、b是gmw序列，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分別對應著gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

其中，a'、b'/{ai'}、{bi'}是m序列，t是序列長度，r、s屬于陪集。

步驟2.2，計算m序列a'和b'的互相關函數，若有m-1個時延滿足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

其中，ra',b'(l)是m序列a'和b'的互相關函數，l是m序列的不同相位。

步驟2.3，基于gmw序列a、b構成的復合序列集是：

其中，a是復合序列集，s是左移算子，a、b是兩個gmw序列，t是序列長度，在序列集中任意兩個序列的互相關函數滿足：

其中，rx,y(τ)是復合序列集其中任兩個序列的互相關函數，rx',y'(τ/t)是構成復合序列集的兩個gmw序列的互相關函數，t是序列長度，τ是序列相位。此時，構造出了序列數目是m，低相關值等于-1，低相關區(qū)長度等于t的一個lcz序列集a。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號形式設計方法的進一步優(yōu)選方案，所述步驟3具體如下：

在bpsk調制基礎上，進行一個由正余弦型符號函數組成的副載波調制就是boc調制，boc調制偶數階信號的功率譜密度公式如下：

其中，f、fs、fc分別是載波頻率、副載波頻率和碼元速率。

bpsk信號調制是基帶脈沖控制載波相位的一種數字調制形式，它的功率譜密度公式：

其中，a是幅度，f、fc分別是載波頻率和碼元速率。

本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1、本發(fā)明利用跡函數在二元域上構造出一類基于gmw序列的低相關區(qū)序列，得到在低相關區(qū)內互相關函數邊峰取值為-1的低相關區(qū)序列集，當水聲超短基線系統(tǒng)在同時定位多個水聲應答器時，若將同步接收的時間點控制在碼分多址的低相關區(qū)之內的話可以提升碼分多址直接序列擴頻系統(tǒng)的容量。

2、本發(fā)明利用在bpsk調制基礎上，進行一個由正余弦型符號函數組成的副載波調制：boc調制，boc調制將信號功率調制到載波頻率兩邊的旁瓣上，提高了頻帶利用率和增加gabor帶寬，同時在臨近一個碼片范圍內的相關函數主瓣更尖銳，進一步保證多用戶信號檢測和分離。

附圖說明

圖1為水聲應答器硬件詳細設計框圖；

圖2為聲頭硬件詳細設計框圖；

圖3為低相關序列集中序列的周期自相關和周期互相關圖；

圖4為水聲超短基線系統(tǒng)三個用戶同時工作一個用戶同步接收時低相關性能比較圖；

圖5為水聲超短基線系統(tǒng)三個用戶同時工作一個用戶同步接收時低相關性能比較的局部放大圖；

圖6為boc(1,1)和bpsk的基帶功率譜密度曲線；

圖7為給定初始條件的boc(1,1)調制和bpsk調制的自相關圖；

圖8為基于低相關序列的boc(1,1)和bpsk性能比較圖；

圖9為基于低相關序列的boc(1,1)和bpsk性能比較的局部放大圖；

圖10為本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖。

圖中標號具體如下：1-聲頭，2-水聲應答器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

一種多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)，如圖10所示，包含聲頭和水聲應答器，如圖1所示，所述水聲應答器包含入水檢測電路、收發(fā)合置換能器、mcu模塊、dsp模塊、接收電路、壓力傳感器、電源模塊；

如圖2所示，所述聲頭包含換能器基陣模塊、接收電路模塊、發(fā)射電路模塊、fpga模塊、arm模塊、甲板處理單元模塊、聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊:換能器基陣模塊用于發(fā)射聲信號給水聲應答器，并接收水聲應答器發(fā)射的定位信號；接收電路模塊(前放、濾波、agc、adc)對水聲應答器發(fā)射的定位信號進行前期預處理；fpga模塊用于接收電路模塊之后的數據采集，并驅動dac模塊和同步聲學數據、姿態(tài)數據、gps數據；arm模塊用于與上位機通信；甲板處理單元模塊用于處理聲學數據，并發(fā)送控制命令；聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊用于提供聲頭的精確位置和姿態(tài)信息。

低互相關序列集的構造。所述一種基于擴頻通信的多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)信號形式設計算法利用gmw序列構造低相關序列集，在序列集內的任意兩個序列具有一定長度的低互相關窗，當某個序列同步接收時可以有效減小其它序列的多址干擾。

跡函數實質是從擴域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函數，定義為：

gmw序列，定義式為：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1；

基于gmw序列的低相關區(qū)序列集的構造如下，同一本原產生的兩個gmw序列，定義如下：

若m、n、r1、r2為整數，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。則兩個gmw序列定義為：

互相關函數定義為：

其中，x',y'是m序列，且有：

由同一本原元產生的gmw序列具有良好的互相關特性，滿足低相關序列要求。但是由同一本原元生成的序列數量有限，下面介紹long等人基于gmw序列復合形式，構造二元低相關序列集，步驟如下：

第1步同一本原元產生的兩個gmw序列如下：

其中，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分別對應著gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

第2步計算m序列a'和b'的互相關函數，若有m-1個時延滿足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

第3步基于gmw序列a、b構成的復合序列集是：

其中，s是左移算子。在序列集中任意兩個序列的互相關函數滿足：

此時，構造出了序列數目是m，低相關值等于-1，低相關區(qū)長度等于t的一個lcz序列集a。

低相關序列集中任一個序列擁有和m序列一樣完美的周期自相關函數，任兩個序列的周期互相關函數在零時延附近有一段長度是t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，數值是-1/1023低相關窗。在水聲超短基線多用戶定位跟蹤模式下，單用戶對聲頭發(fā)射的信號進行同步接收時，其它用戶的多址干擾決定了系統(tǒng)多用戶的數量，如果把同步時間點放在低相關區(qū)域內將有效地減小多址的干擾。定位信號持續(xù)時間超過水聲信道時延擴展的情況下，并不是所有移位相關結果都影響多徑帶來的干擾，對于超出水聲信道時延擴展的相關結果，對性能沒有影響，如果把多徑的位置控制在低相關區(qū)域內將有效地減小多徑的干擾。低相關序列集中序列的周期自相關和周期互相關圖如圖3，上子圖是低相關序列集中的任一個序列的循環(huán)自相關函數，下子圖是低相關序列集內任意兩個序列的循環(huán)互相關函數；

當水聲超短基線系統(tǒng)三個水聲應答(三個用戶)同時工作時，聲頭將低相關序列集中的三通道序列疊加發(fā)射，每個水聲應答器對應id的低相關序列同步接收，此時其它水聲應答器的低相關序列對當前水聲應答器來說是多址干擾，此時的同步時間點必然是在低互相關區(qū)域內，其它水聲應答器對當前同步接收水聲應答器的多址干擾較小。水聲超短基線系統(tǒng)三個用戶同時工作一個用戶同步接收時低相關性能比較圖如圖4，上子圖發(fā)射信號形式是低相關序列集中的三個序列三通道疊加，中子圖發(fā)射信號形式是不具有優(yōu)良互相關特性的三個低相關序列三通道疊加，下子圖發(fā)射信號形式是一個低相關序列與gold序列和m序列三通道疊加，且水聲超短基線系統(tǒng)三個用戶同時工作一個用戶同步接收時低相關性能比較的局部放大圖如圖5；

boc調制。二進制偏移載波鍵控(boc)技術是galileo導航系統(tǒng)的主要調制體制，是針對原有信號頻帶與gps增發(fā)的信號頻帶共用的目的提出來的。傳統(tǒng)的bpsk調制方式是將信號的能量集中在載頻附近。boc調制方式具有頻譜分裂的特點，將信號的能量推向載頻兩邊。這既能使兩種調制方式并存提高頻帶利用率，又能增加gabor帶寬，同時在臨近一個碼片范圍內的相關函數主瓣更尖銳，進一步保證多用戶信號檢測和分離。

在bpsk調制基礎上，進行一個由正余弦型符號函數組成的副載波調制就是boc調制。boc(fs，fc)調制偶數階信號的功率譜密度公式如下：

其中，fs、fc分別是副載波頻率和碼率與基準碼元速率的比值。

bpsk信號調制，也稱二進制相移鍵控，是基帶脈沖控制載波相位的一種數字調制形式，它的功率譜密度公式：

其中，a是幅度，fc是碼元速率。當幅度a為1，基準碼元速率為500cps，可得boc(1,1)和bpsk的基帶功率譜密度曲線如圖6，由圖可以看出，boc(1,1)調制在頻帶寬度不變的條件下將頻譜分裂成左右對稱結構，fs、fc這兩個參數決定了兩邊主瓣之間主、旁瓣的個數。因此推算boc(1,1)主瓣之間主、旁瓣的個數為兩個，即證明主瓣間旁瓣的個數為零；

由維納-辛欽定理可知，在功率譜密度已知條件下可推導出自相關函數。假設是頻率帶限的接收系統(tǒng)，它的歸一化自相關函數與功率譜密度的關系如下：

其中，b是水聽器頻帶寬度，給出初始條件和功率譜密度就得到boc(1,1)調制和bpsk調制的自相關函數如圖7，由圖可以看出，在相同的頻帶寬度時，bpsk調制方式的自相關曲線沒有boc(1,1)調制的自相關曲線尖銳，這對時延精度的提高大有幫助；

(3.2)基于boc調制的低相關窗水聲同步系統(tǒng)。下面分別對基于低相關序列的不同調制方式的同步性能進行比較研究，調制方式采用傳統(tǒng)的bpsk調制方式和改進的boc調制方式，同樣采用水聲超短基線系統(tǒng)中三個水聲應答同時工作時，聲頭將低相關序列集中的三通道序列疊加發(fā)射，每個水聲應答器對應id的低相關序列同步接收，基于低相關序列的boc(1,1)和bpsk性能比較如圖8，基于低相關序列的boc(1,1)和bpsk性能比較的局部放大圖如圖9，由圖8和圖9可以看出，在取得低相關區(qū)的基礎上，基于boc調制方式呈現明顯的頻譜分裂特性，且基于boc調制方式在正負一個碼片范圍內的歸一化相關峰最大邊峰的值是0.6158，主峰寬度約為0.3ms。而基于bpsk調制方式在正負一個碼片范圍內的相關峰最大邊峰的值是0.8747，主峰寬度約為1ms。可知次大峰的值得到明顯的改善，且主峰寬度明顯減小。這可以大大減小多徑干擾的影響，提高在正負碼片范圍內的定位精度。