一種融合水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型的水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化方法，利用的設(shè)備包括多個定位潛標(biāo)、被測目標(biāo)平臺、無線中繼浮標(biāo)和船載顯控平臺。多個定位潛標(biāo)沉底布放成海底測量陣，之后對定位潛標(biāo)陣的位置進(jìn)行測量。被測目標(biāo)在海底測量陣組成的測量區(qū)域內(nèi)航行，被測目標(biāo)平臺持續(xù)等間隔發(fā)送聲學(xué)詢問信號，作用距離內(nèi)的定位潛標(biāo)接收到詢問信號后等待固定延時回復(fù)應(yīng)答信號，被測目標(biāo)平臺接收到應(yīng)答回復(fù)信號后根據(jù)信號檢測結(jié)果進(jìn)行自身位置解算，并將解算結(jié)果結(jié)合深度測量結(jié)果通過水聲通信方式發(fā)送給最近的定位潛標(biāo)，最近的定位潛標(biāo)傳輸給船載顯控平臺，即可在顯控平臺上實時監(jiān)測被測目標(biāo)的水下位置。
【專利說明】一種融合水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?體化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化方法，適用 于水下目標(biāo)的精確定位跟蹤、水下遙控遙測、水下監(jiān)控和水聲通信等。

【背景技術(shù)】
[0002] 水聲定位技術(shù)是指利用目標(biāo)發(fā)出的聲波(包括自身的輻射噪聲或主動發(fā)射的聲信 號）或目標(biāo)的回波信號來確定目標(biāo)的存在。水聲定位方法主要指的是可用于局部區(qū)域精確 導(dǎo)航定位的方法。水聲定位方法是由多個基元(接收器或應(yīng)答器）組成基陣構(gòu)成的方法，基 陣中基元之間的距離稱為基線長度，傳統(tǒng)上我們根據(jù)方法的基線長度將定位方法分為3種 類型：長基線定位方法（Long Base Line, LBL)、短基線定位方法（Short Base Line, SBL)和 超短基線定位方法（Ultra Short Base Line, USBL)。上述各種定位方法可以單獨使用，也 可以根據(jù)實際需求進(jìn)行組合，從而構(gòu)成組合定位方法，例如長/超短基線方法（L/USBL)、短 /超短基線方法（S/USBL)等。
[0003] 水聲定位技術(shù)在海洋環(huán)境觀測、海洋測繪、資源勘探和國防建設(shè)中均起到了重要 作用。隨著水下應(yīng)用的縱深推廣，現(xiàn)有單一的水聲定位功能已無法滿足一些特定應(yīng)用需求。 在水下目標(biāo)定位的同時利用海洋信道傳遞數(shù)據(jù)信息及定位信息的需求大為增加。各種數(shù)據(jù) 信息，如軍事上的潛艇之間以及潛艇與水面艦艇之間的通信聯(lián)系、艦潛對抗演練過程中的 潛艇位置信息，民用上如遙測數(shù)據(jù)、水下機(jī)器人和海上石油平臺的遙控指令、水文站采集的 數(shù)據(jù)、海底勘探數(shù)據(jù)等，均需要利用水聲信道和水聲通信方法進(jìn)行傳送。所以實現(xiàn)水下目標(biāo) 定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲通信網(wǎng)絡(luò)傳輸一體化是要解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種兼具有特定測量區(qū)域內(nèi)水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù) 水聲通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化方法，本發(fā)明能夠以較少的水下節(jié)點實現(xiàn)大范圍水下目標(biāo)定位 及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲通信。
[0005] 本發(fā)明包括目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸，目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水 聲網(wǎng)絡(luò)傳輸利用的設(shè)備包括多個定位潛標(biāo)、被測目標(biāo)平臺、無線中繼浮標(biāo)和船載顯控平臺； 多個定位潛標(biāo)布放在海底構(gòu)成海底定位潛標(biāo)陣，布放完成后，對定位潛標(biāo)陣的位置進(jìn)行測 量，測量選擇自測陣方式或直接測陣方式；在被測目標(biāo)平臺上裝載定位潛標(biāo)陣的位置信息， 被測目標(biāo)在定位潛標(biāo)陣組成的測量區(qū)域內(nèi)航行時，被測目標(biāo)平臺持續(xù)等間隔發(fā)送聲學(xué)詢問 信號給定位潛標(biāo)，作用距離內(nèi)的定位潛標(biāo)接收到詢問信號后，等待固定延時回復(fù)對應(yīng)自身 地址的應(yīng)答信號，其中的固定延時是方法事先設(shè)定好的，用于消除信號處理時間不一致對 定位結(jié)果的影響；被測目標(biāo)平臺接收到應(yīng)答回復(fù)信號后，進(jìn)行應(yīng)答信號檢測和應(yīng)答信號時 延估計，根據(jù)多個定位潛標(biāo)的應(yīng)答信號時延估計結(jié)果和定位潛標(biāo)的位置信息采用長基線定 位方法進(jìn)行自身位置解算；被測目標(biāo)平臺根據(jù)自身安裝的壓力傳感器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集及 深度計算；被測目標(biāo)平臺將定位解算結(jié)果和深度測量結(jié)果通過水聲通信方式發(fā)送給最近的 定位潛標(biāo)，最近的定位潛標(biāo)依次沿水聲通信鏈路和無線通信鏈路傳輸給船載顯控平臺，最 后在船載顯控平臺上實時監(jiān)測被測目標(biāo)的水下位置； 上述定位潛標(biāo)具備詢問信號接收功能、應(yīng)答信號回復(fù)功能、通信信號接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能， 是本發(fā)明水下定位與通信的關(guān)鍵節(jié)點； 上述船載顯控平臺兼具有與定位潛標(biāo)的水聲數(shù)據(jù)通信功能及與無線中繼浮標(biāo)的無線 數(shù)據(jù)通信功能，既實現(xiàn)聲學(xué)信號的接收、處理和水聲通信解碼，又與無線中繼浮標(biāo)進(jìn)行無線 數(shù)據(jù)傳輸通信；也就是說，船載顯控平臺直接與定位潛標(biāo)進(jìn)行水聲數(shù)據(jù)通信，或通過無線中 繼浮標(biāo)間接實現(xiàn)與定位潛標(biāo)的數(shù)據(jù)通信；間接通信時，船載顯控平臺與無線中繼浮標(biāo)之間 采用無線擴(kuò)頻通信方式通信，無線中繼浮標(biāo)與定位潛標(biāo)之間采用水聲通信方式通信。
[0006] 上述對水下目標(biāo)的定位采用長基線定位方法，在已知定位潛標(biāo)陣位置信息的前提 下，通過測量水下被測目標(biāo)平臺到定位潛標(biāo)陣之間的時延信息，利用球面幾何交匯原理即 可實現(xiàn)目標(biāo)精確定位；在目標(biāo)深度信息已知的情況下，至少需要知道被測目標(biāo)平臺到三個 定位潛標(biāo)之間的時延才能獲得目標(biāo)位置的唯一解。
[0007] 設(shè)定被測目標(biāo)位置坐標(biāo)為

【權(quán)利要求】
1. 一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化方法，包括目標(biāo)定位及遙 控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸，其特征在于目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸利用的設(shè)備 包括多個定位潛標(biāo)、被測目標(biāo)平臺、無線中繼浮標(biāo)和船載顯控平臺；多個定位潛標(biāo)布放在海 底構(gòu)成海底定位潛標(biāo)陣，布放完成后，對定位潛標(biāo)陣的位置進(jìn)行測量，測量選擇自測陣方式 或直接測陣方式；在被測目標(biāo)平臺上裝載定位潛標(biāo)陣的位置信息，被測目標(biāo)在定位潛標(biāo)陣 組成的測量區(qū)域內(nèi)航行時，被測目標(biāo)平臺持續(xù)等間隔發(fā)送聲學(xué)詢問信號給定位潛標(biāo)，作用 距離內(nèi)的定位潛標(biāo)接收到詢問信號后，等待固定延時回復(fù)對應(yīng)自身地址的應(yīng)答信號，其中 的固定延時是方法事先設(shè)定好的，用于消除信號處理時間不一致對定位結(jié)果的影響；被測 目標(biāo)平臺接收到應(yīng)答回復(fù)信號后，進(jìn)行應(yīng)答信號檢測和應(yīng)答信號時延估計，根據(jù)多個定位 潛標(biāo)的應(yīng)答信號時延估計結(jié)果和定位潛標(biāo)的位置信息采用長基線定位方法進(jìn)行自身位置 解算；被測目標(biāo)平臺根據(jù)自身安裝的壓力傳感器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集及深度計算；被測目標(biāo) 平臺將定位解算結(jié)果和深度測量結(jié)果通過水聲通信方式發(fā)送給最近的定位潛標(biāo)，最近的定 位潛標(biāo)依次沿水聲通信鏈路和無線通信鏈路傳輸給船載顯控平臺，最后在船載顯控平臺上 實時監(jiān)測被測目標(biāo)的水下位置； 上述定位潛標(biāo)具備詢問信號接收功能、應(yīng)答信號回復(fù)功能、通信信號接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能， 是本發(fā)明水下定位與通信的關(guān)鍵節(jié)點； 上述船載顯控平臺兼具有與定位潛標(biāo)的水聲數(shù)據(jù)通信功能及與無線中繼浮標(biāo)的無線 數(shù)據(jù)通信功能，既實現(xiàn)聲學(xué)信號的接收、處理和水聲通信解碼，又與無線中繼浮標(biāo)進(jìn)行無線 數(shù)據(jù)傳輸通信；也就是說，船載顯控平臺直接與定位潛標(biāo)進(jìn)行水聲數(shù)據(jù)通信，或通過無線中 繼浮標(biāo)間接實現(xiàn)與定位潛標(biāo)的數(shù)據(jù)通信；間接通信時，船載顯控平臺與無線中繼浮標(biāo)之間 采用無線擴(kuò)頻通信方式通信，無線中繼浮標(biāo)與定位潛標(biāo)之間采用水聲通信方式通信； 上述對水下目標(biāo)的定位采用長基線定位方法，在已知定位潛標(biāo)陣位置信息的前提下， 通過測量水下被測目標(biāo)平臺到定位潛標(biāo)陣之間的時延信息，利用球面幾何交匯原理即可實 現(xiàn)目標(biāo)精確定位；在目標(biāo)深度信息已知的情況下，至少需要知道被測目標(biāo)平臺到三個定位 潛標(biāo)之間的時延才能獲得目標(biāo)位置的唯一解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于該方法在特定的測量區(qū)域內(nèi)最多可同時對三個水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位； 最大可測量區(qū)域為30kmX30km，定位潛標(biāo)在測量區(qū)域內(nèi)按4kmX4km或5kmX5km的基本測 控單元布放；基本測控單元的大小可根據(jù)實時海況及水文數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于該方法工作頻帶為7. 0kHz~14. OkHz，每個單頻信號代表一個信道，共分為 34個信道，信道之間頻點間隔200Hz，信號脈寬在5ms?10ms內(nèi)可調(diào)，調(diào)整步長為lms ;34個 信道中的某兩個信道作為喚醒信號信道，其余的32個信道作為水聲通信信道，同時在32個 信道中優(yōu)化選取疒12個信道的脈沖信號進(jìn)行跳頻編碼優(yōu)化組合；跳頻編碼優(yōu)化組合的脈 沖個數(shù)由實際布放的定位潛標(biāo)數(shù)量決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于該方法詢問信號由喚醒信號和跳頻編碼信號組成；不同的被測目標(biāo)平臺 都采用同樣的喚醒信號和跳頻編碼信號，喚醒信號和跳頻編碼信號之間的時延間隔不同代 表不同的目標(biāo)，例如間隔50ms代表目標(biāo)1，100ms代表目標(biāo)2,150ms代表目標(biāo)3 ;喚醒信號米 用固定的單頻信號CRF1，信號脈寬為5ms ;詢問信號的跳頻編碼信號也是固定的信號形式， 信號脈寬為7miTl2mS ;本發(fā)明中定位潛標(biāo)回復(fù)的應(yīng)答信號也采用跳頻編碼信號形式，每一 個定位潛標(biāo)分配不同的跳頻編碼信號，代表定位潛標(biāo)的地址碼。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于水聲遙控遙測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容有：定位潛標(biāo)自檢命令、定位潛標(biāo)釋放命 令、定位潛標(biāo)開始自測陣、開始目標(biāo)定位、停止目標(biāo)定位、設(shè)置定位潛標(biāo)路由表、設(shè)置定位潛 標(biāo)位置、回傳自檢結(jié)果、回傳自測陣結(jié)果、回傳目標(biāo)定位結(jié)果；其中前7個為下行指令，后三 個為上行指令；水聲通信協(xié)議的格式如下：中繼節(jié)點地址碼6bits、目的節(jié)點或源節(jié)點地址 碼6bits、遙控遙測指令碼4bits、數(shù)據(jù)內(nèi)容碼和奇偶校驗碼2bits ;其中數(shù)據(jù)內(nèi)容碼的長度 根據(jù)不同的指令內(nèi)容確定；針對下行指令，水聲通信協(xié)議中的前12bits代表中繼節(jié)點地址 和目的節(jié)點地址；針對上行指令，水聲通信協(xié)議中的前12bits代表中繼節(jié)點地址和源節(jié)點 地址；下行指令的源節(jié)點默認(rèn)為船載顯控平臺，上行指令的目的節(jié)點地址也默認(rèn)為船載顯 控平臺。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于該方法的水聲通信采用RZ-OFSK數(shù)字通信方式，共有32個公共通信信道， 每個信道的脈沖信號可以代表5bits信息；水聲通信信號由喚醒脈沖信號和水聲通信脈沖 串信號組成，水聲通信脈沖串最多有12個脈沖信號，即每次最多可以傳送60bits信息量； 每個脈沖信號的脈寬為5ms，脈沖之間的間隔為50ms~80ms，總信號長度小于1. Is。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w 化方法，其特征在于船載顯控平臺與無線中繼浮標(biāo)之間的無線數(shù)據(jù)通信內(nèi)容與水聲遙控 遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容相同，只是通信協(xié)議格式不同；無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的格式如下：幀頭 lByte、數(shù)據(jù)長度2Bytes、目的節(jié)點地址2Bytes、數(shù)據(jù)類型lByte、數(shù)據(jù)內(nèi)容NBytes和校驗 和2Bytes ;數(shù)據(jù)長度指的是數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗和的總字節(jié)數(shù)；校驗和由數(shù)據(jù)類型 和數(shù)據(jù)內(nèi)容共同參與計算；數(shù)據(jù)占用2Bytes時，先發(fā)低位，再發(fā)高位。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于定位潛標(biāo)作為水下定位與通信的關(guān)鍵節(jié)點，每個定位潛標(biāo)分配一個節(jié)點 編號和一個節(jié)點地址碼，節(jié)點編號與節(jié)點地址碼是一一對應(yīng)的關(guān)系；節(jié)點編號根據(jù)布放的 節(jié)點在測量陣型中的行列關(guān)系進(jìn)行編號，例如第一行的5個節(jié)點的編號分別為：11#、21#、 31#、41#、51# ;第一列的5個節(jié)點的編號分別為：11#、12#、13#、14#、15#，以此類推；船載顯 控平臺、無線中繼浮標(biāo)和被測目標(biāo)平臺同樣分配一個節(jié)點編號和一個節(jié)點地址碼，節(jié)點編 號與節(jié)點地址碼也是一一對應(yīng)的關(guān)系。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于數(shù)據(jù)傳輸路由表包含上行節(jié)點編號或地址碼和下行節(jié)點編號或地址碼， 每次測量之前需要根據(jù)測量范圍確定布放的定位潛標(biāo)節(jié)點數(shù)，從而確定每一個節(jié)點的數(shù)據(jù) 傳輸路由表并進(jìn)行設(shè)置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下目標(biāo)定位及遙控遙測數(shù)據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊惑w化 方法，其特征在于直接測陣方式是測量船繞一個或多個定位潛標(biāo)航行一圈，在航行過程中 選取合適的多個測點位置通過船載顯控平臺發(fā)送詢問信號測量得到測量船到定位潛標(biāo)的 時延信息，在已知測點位置大地坐標(biāo)和傳播聲速的情況下，根據(jù)球面幾何交匯原理即可求 得定位潛標(biāo)的大地坐標(biāo)；所述的自測陣方式是指利用測量船先采用直接測陣的方式測量得 到陣型邊緣處的定位潛標(biāo)的大地坐標(biāo)，再通過測量兩兩定位潛標(biāo)之間的時延信息，最后根 據(jù)球面交匯原理求得其余未知位置潛標(biāo)的大地坐標(biāo)；下發(fā)自測陣指令時，每次都只測量兩 個定位潛標(biāo)之間的時延信息，即指定的定位潛標(biāo)接收到自測陣命令后，進(jìn)行自測陣命令解 碼，若解碼結(jié)果中中繼節(jié)點地址和目的節(jié)點地址相同，則開始發(fā)射詢問信號，然后根據(jù)自測 陣地址碼檢測對應(yīng)定位潛標(biāo)的應(yīng)答信號并計算兩個定位潛標(biāo)之間的時延信息；自測陣完畢 后將時延結(jié)果沿原路回傳；若解碼結(jié)果中繼節(jié)點地址和目的節(jié)點地址不同，則應(yīng)該根據(jù)預(yù) 先設(shè)定的路由表，重新生成中繼節(jié)點地址，然后把自測陣命令發(fā)送出去，依次類推；自測陣 時，每個定位潛標(biāo)都只對距其6km范圍的定位潛標(biāo)進(jìn)行時延測量；自測陣時，中繼節(jié)點對接 收到的自測陣命令解碼后不需要進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)；為了提高自測陣的測量精度，每收到一個 自測陣指令，選擇進(jìn)行多次時延測量，然后根據(jù)多次測量的時延平均值進(jìn)行自測陣定位解 算。
【文檔編號】H04L29/06GK104297727SQ201410399265
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】黃敏燕, 馮海泓, 劉百峰, 尹彩玲, 尹飛星, 何海興, 程淑萍 申請人:嘉興中科聲學(xué)科技有限公司