CN108303715A - 基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法及其*** - Google Patents
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Abstract
一种基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括：步骤1.海面信标节点接收北斗卫星导航***广播的定位导航信号，实时更新自身位置，并与北斗时钟保持同步；处于一个三角形栅格顶点的3个海面信标将自身位置和序号等信息组合成定位报文，根据自身发送定位报文的时序表，同时广播给水下移动节点；步骤2.当水下移动节点接收到定位报文时，利用3个定位报文的到达时刻和报文内容，用滤波算法解算其当前时刻的位置；当水下移动节点没有接收到定位报文时刻，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。本发明还包括实施本发明方法的***。
Description
技术领域
本发明涉及水下移动节点的无源定位方法及其***，具体涉及到采用北斗卫星定位导航***实现海面信标节点的定位，基于多个海面信标节点定位信号实现水下移动节点无源定位的方法与***。
背景技术
随着人类日益频繁开展海洋活动，如海洋资源探查、灾害预防警告、海洋战争等，水下无人设备得到广泛应用。因此，水下无人设备的定位与导航受到广泛关注。在水下环境中，由于无线电信号与光信号衰落较快，无法满足长距离传播要求，而声音在水中传播是透明的，因此，一般采用声波进行长距离传输，从而水声定位成为水下无人设备定位的常用手段。但是，水声定位方法仍面临许多挑战。首先，声波在传输中带宽较小，导致传输速率远低于射频信号；其次，声波的传播速度在1500m/s左右，会有较大的传播时延，并且不均匀介质会导致水下声波传播速度不是一个常数，进而使传播轨迹不是一条直线；另外，水下时变的信道条件和多径传播现象，导致链路传输质量较差。因此，高精度的水下定位是一个需要解决的难题。
陆地与海面设备的定位导航有很多成熟技术，如卫星导航(GPS,北斗等)。这些定位导航***采用电磁波定位，因为海水对电磁波的强吸收作用，导致这些陆地与海面的定位***在水下失去其应有的定位效果。
目前广泛应用的水声定位***按基线长短可分为长基线、短基线和超短基线。其中，现有的长基线定位***可用于水下无人设备的自主定位，要在海底布设传感器阵列，采用应答机制进行测距，从而得到较高的定位精度，但是需要固定水域内的部署水声应答装置，而且应答器节点位置标定难度高，使其实现代价较高；短基线水声定位***需要在载体平台上布放传感器阵列，水下无人设备安装应答器，可对水下无人设备进行定位，但是无法实现水下无人设备自主定位；超短基线水声定位***需要在载体平台上布放声学基线阵列，水下无人设备安装应答器，采用应答机制实现对水下无人设备定位，但是同样无法实现水下无人设备的自主定位。另外，短基线和超短基线水声定位***的基线尺度远小于长基线，作用范围有限，无法满足大区域海域的定位要求。
水下无人设备定位导航的另一种实现方式是惯性导航***，但是其水下定位误差会积累，且没有很好的消除机制，随着时间的推移会逐渐恶化，从而导致很难实现精确定位；同时，高精度的惯性测量单元体积庞大，价格高昂。惯性导航***与卫星定位导航***组合定位也是一种惯用手段，卫星定位导航信号的引入可以使浮出水面的水下无人设备实现位置修正，实现较好的定位效果。但是，设备的上浮与下沉过程会中断水下无人设备的任务降低作业效率，同时消耗能源，更不利于水下无人设备的隐蔽性。
目前也有提出基于海面信标节点的水下目标定位技术，即首先利用卫星定位导航***实现海面信标节点的定位，然后基于多个海面信标节点定位信号实现水下移动节点的定位。已有基于海面信标节点的定位***中，经检索，美国专利号US7512036B2公开的一种水下定位的***和方法和美国专利号US5119341公开的一种扩展GPS水下应用的方法，两者的局限性在于假设海面信标节点和水下目标节点之间时间同步，同时未考虑水下节点时钟会出现偏移问题，导致定位误差的增大；中国专利申请号CN200310118440发明公开的一种无高稳定频标的水下GPS定位导航***和方法与中国专利申请号201210065951发明公开的一种基于GNSS卫星的水下航行器定位方法及***,两者的局限在于利用了双程测距解决信标节点和目标节点之间无法一直保持同步问题，即水下节点需要发送请求定位信号，与海面定位信标进行交互。但双程测距会导致水下目标的隐蔽性差，功耗增加，且会使实现定位的水下节点数目受到限制；中国专利申请号201410073253公开了一种基于DGPS浮标的水下定位导航***和方法,局限在于该***默认为信标节点和目标节点之间存在固定的时间差,未考虑水下目标的时钟会出现的频偏和相偏。另外，上述***都没有考虑水声传播路径弯曲问题。
本发明要解决的技术问题是在无法保证海面信标节点与水下移动节点时钟同步，且不采用应答机制测距情况下，实现水下移动节点的无源自主定位。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述技术缺点，提供了一种基于北斗海面信标的水下移动节点无源定位方法及其***。
一种基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：
1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航***广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控***，并校准主控***时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控***把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发***的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文。根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学***广播定位报文；
2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收***处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学***完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控***；水下移动节点的主控***解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控***实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控***的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控***的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。
步骤1中，海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位***的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；
步骤1中，海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；
步骤1中,3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址(CodeDivision Multiple Access,CDMA)方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(Code Shift Keying,CSK)相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信。每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列。
步骤2中，由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰(Multiple Access Interference，MAI)，恢复期望的定位报文信息。
步骤2中，水下移动节点位置解算方法如下：
a.当水下移动节点的声学接收***接收到3个定位报文时：
(1)解算模块会接收到来自主控***的经度、维度、高程、定位报文到达时刻Ti(i＝1,2,3指代信标序号)与水下移动节点的深度信息；以T1为参考时间，得到不同定位报文到达时间差：ΔT12＝T2-T1和ΔT13＝T3-T1；
(2)解算模块利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系，结合高程作为信标节点的三维坐标位置(Xi,Yi,Zi)(i＝1,2,3指代信标序号)；水下移动节点位置设为(Xt,Yt,Zt)(t用于指代水下移动节点)，其中Zt为深度信息，通过压力传感器获取，作为已知量；海面信标节点i(i＝1,2,3指代信标序号)到水下移动节点之间距离表示为
(3)由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化,声速剖面表示为c(z)，z表示深度变量；利用Snell定律，建立海面信标节点i(i＝1,2,3)和水下移动节点之间的水平距离、传播延时与传播常数之间的关系,并离散化可得：
其中ρi、τi和ni表示海面信标节点i(i＝1,2,3)到水下移动节点对应的水平距离，传播时延和传播常数；N表示c(z)上的采样点数量，在深度Zi和Zt之间均匀采样，j表示采样点序号，zj表示采样点处的深度，c(zj)表示深度zj对应的声速，
海面信标节点i和水下移动节点直线距离与传播时延之间比值表示为：
由于各项之间变化量较小，上式可简化成：
根据泰勒展开，上式可进一步简化成：
由于信标节点都位于海面，信标节点之间深度差别较小，因此认为不同海面信标节点和水下移动节点的直线距离与传播时延之间比值相等，并表示为m，即：
基于上式，当得到不同海面信标节点定位报文的传播时延之间的差值后，可以得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13(以节点1为参考)即：
(4)基于步骤(a3)可知，解算模块得到了不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13；建立扩展卡尔曼滤波的观测方程和状态方程：
θt,k＝θt,k-1+TkVk-1+wk (8)
其中，下标k-1和k表示卡尔曼滤波中引入的时刻标量，为k-1和k时刻，ΔD12,k，ΔD13,k表示k时刻的观测量，即k时刻不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；θt,k和θt,k-1分别表示k时刻和k-1时刻的状态矢量，即水下移动节点的二维坐标(Xt,k,Yt,k)和(Xt,k-1,Yt,k-1)；Zt,k表示k时刻水下移动节点的深度信息；S1,k,S2,k,S3,k为k时刻3个海面信标节点三维坐标(Xi,k,Yi,k,Zi,k)(i＝1,2,3)；Vk-1表示k-1时刻水下移动节点的二维移动速度；Tk表示k-1时刻和k时刻的时间间隔；δk和wk为k时刻观测噪声和过程噪声；
观测方程中h(θt,k,Zt,k,S1,k,Si,k)(l＝2,3指代信标序号2,3)表示为：
首先基于k-1时刻水下移动节点位置估算值θt,k-1|k-1和移动速度估算值对于k时刻水下移动节点位置进行预测：
其中θt,k|k-1＝[Xt,k|k-1Yt,k|k-1]T表示k时刻水下移动节点预测值；
计算其协方差Pk|k-1：
其中，Pk|k-1表示k时刻水下移动节点预测值的协方差矩阵，Pk-1|k-1表示k-1时刻水下移动节点位置估算值的协方差矩阵，Qk-1|k-1表示水下移动节点移动速度估算值的协方差；
因此卡尔曼增益Kk表示为：
其中Rk表示观测误差的协方差；Hk为观测矩阵，由于观测方程式非线性方程，对其进行一阶泰勒展开，近似线性化：
其中，表示为：
因此，k时刻的水下移动节点位置估算值为：
利用高斯反算把二维坐标位置转化为经度和纬度；并更新k时刻水下移动节点位置的协方差用于下一时刻计算：
Pk|k＝Pk|k-1-KkHkPk|k-1 (15)
估计k时刻水下移动节点移动速度并计算其协方差Qk|k，用于下一时刻计算：
b.当水下移动节点的声学接收***未接收到3个定位报文时：
水下移动节点的解算模块不会接收到来自主控***提交报文信息和报文到达时刻，只接收到水下移动节点的深度信息，即处于k-1时刻和k时刻之间。基于k-1时刻估算水下移动节点的位置和移动速度，估算当前时刻水下移动节点的位置θ't,k|k，即
其中，T'k表示当前时刻距离k-1时刻的时间间隔；
利用高斯反算把二维空间坐标位置转化为经度和纬度。
实施本发明的基于北斗海面信标的水下移动节点无源定位方法的***，包含至少3个海面信标节点、水下移动节点(包括第二定位接收机)、岸基数据控制中心和船基控制中心。另外，本发明***需要借助于北斗卫星导航***实现海面信标的定位。
所述海面信标节点包括北斗卫星接收机、第一主控***、综合定位/通信功能的第一声学收发***等。由于水下移动节点至少需要接收3个定位信标的定位信号才能完成位置解算，且信标节点构成正三角形栅格的拓扑结构可最大化覆盖海域面积。因此海面信标节点部署拓扑采用正三角形为栅格，3个海面信标位于正三角形顶点，所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基础构成，覆盖目标海域，保证覆盖海域下方任意位置的水下移动节点，均可接收到一个正三角形栅格顶点上3个海面信标发送的定位信号。
所述水下移动节点，具有一定的移动速度，包括推进器、第二定位接收机(第二主控***、综合定位/通信功能的第二声学接收***、第二解算模块、第二短消息处理模块)、压力传感器等；
所述船基控制中心，为定位辅助***，部署于海面信标节点覆盖海域内，携带有第三定位接收机(综合定位/通信功能的第三声学接收***、第三解算模块、第三短消息处理模块)，用于监控海面信标节点的工作状况。船基控制中心在海面信标节点覆盖海域内，通过第三声学接收***监听特定的海面信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断海面信标节点的工作状态。另外，船基控制中心通过移动，可以间断的监听所有海面信标节点的工作状况，从而监控定位***运行状况；
所述岸基数据控制中心，用于控制水下移动节点。岸基数据控制中心可通过北斗卫星导航***，下达指令给海面信标节点，海面信标节点再通过短数据报文方式广播给对应的水下移动节点。
海面信标节点部署拓扑采取正三角形栅格为基础构成：
由于水下移动节点至少需要接收3个定位信号才能完成位置解算，且信标节点构成正三角形栅格的拓扑结构可最大化覆盖海域面积。因此海面信标节点部署拓扑采用正三角形为栅格，3个海面信标位于正三角形顶点，所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基础构成，覆盖目标海域，保证覆盖海域下方任意位置的水下移动节点，均可接收到一个正三角形栅格顶点上3个海面信标发送的定位信号；
海面信标节点的广播时序是：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；
海面信标节点以CDMA扩频方式向水下广播定位报文：位于一个三角形栅格上的3个海面信标需要同时广播其定位报文，因此采用CDMA方式；对于生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(Code Shift Keying,CSK)相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；
水下移动节点利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰，恢复期望的定位报文信息；
水下移动节点的定位解算过程如下：
a.当水下移动节点的声学接收***接收到3个定位报文时：
水下移动节点根据3个定位报文的到达时刻，计算不同定位报文到达时间差，并基于Snell定律，对于声线弯曲进行补偿，得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；
基于扩展卡尔曼滤波方法，不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值作为观测值，并根据上一时刻的位置和移动速度信息，对于当前时刻水下移动节点的位置和移动速度进行解算；
b.当水下移动节点的声学接收***未接收到3个定位报文时：
当水下移动节点在未接收到定位报文时刻，基于扩展卡尔曼滤波方法。利用上一时刻解算的位置和移动速度，估算当前时刻的水下移动节点位置。
水下移动节点与海面信标节点不需要保持同步，且不需要发出任何信号。
定位报文中不需要包含发送时间戳。
本发明还包含辅助通信功能：
岸基数据控制中心，用于控制水下移动节点。当岸基数据控制中心需要发送控制指令给某个水下移动节点时，首先借助北斗卫星导航***，将控制指令下达给海面信标节点。在海面信标节点广播定位报文的间隔中，每个三角形栅格上的一个海面信标节点将来自岸基数据控制中心的控制指令编码成短消息报文，广播给水下移动节点，以保证海面信标节点覆盖海域的水下移动节点至少接收到一次短息消息报文；当水下移动节点的综合定位/通信声学接收***收到短消息报文时，提交给主控***；水下移动节点的主控***根据报文的类型将该报文传输给水下移动节点的短消息处理模块；短消息处理模块解析报文的目的地址，当目的地址匹配该水下移动节点时，解析报文中的指令内容，指令水下移动节点做出相应操作，如果地址不匹配，丢弃相应的短消息报文。
本发明的优点是：实现了水下移动节点与海面信标节点不同步情况下，水下移动节点的无源定位。考虑了传播路径弯曲问题，减小定位的误差。海面信标节点以正三角形栅格为单位部署方式实现最大化的海域覆盖，可提供大区域的节点定位；实现序贯滤波的解算方法，并可以在没有获得定位报文时估算自身位置；综合定位/通信声学***的CDMA方式结合了M进制CSK高阶调制，相比于传统直接序列扩频方式，定位接收机利用置零串行多址干扰抵消技术消除远近效应引起的MAI，并提高了通信速率；另一方面，增加了辅助通信功能，实现了***的功能多样化。
附图说明：
图1为本发明方法的实施***的总构成图；
图2为本发明实例海面信标节点拓扑结构图；
图3为本发明实例***海面信标节点和水下移动节点工作原理框图；
图4为本发明实例一个海面信标节点栅格定位报文到达时刻图。
具体实施方式：
为了更详细的对于该发明进行解释说明，拟结合附图进行示例性说明，但并不局限于附图中，其中附图中结构有所省略或者比例大小不符合实际尺寸，仅|供进一步说明参考使用。
一种基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括以下步骤：
1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航***广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控***，并校准主控***时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控***把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发***的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文。根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学***广播定位报文；
2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收***处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学***完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控***；水下移动节点的主控***解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控***实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控***的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控***的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。
步骤1中，海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位***的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；
步骤1中，海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；
步骤1中,3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址(CodeDivision Multiple Access,CDMA)方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(Code Shift Keying,CSK)相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信。每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列。
步骤2中，由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰(Multiple Access Interference，MAI)，恢复期望的定位报文信息。
步骤2中，水下移动节点位置解算方法如下：
c.当水下移动节点的声学接收***接收到3个定位报文时：
(1)解算模块会接收到来自主控***的经度、维度、高程、定位报文到达时刻Ti(i＝1,2,3指代信标序号)与水下移动节点的深度信息；以T1为参考时间，得到不同定位报文到达时间差：ΔT12＝T2-T1和ΔT13＝T3-T1；
(2)解算模块利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系，结合高程作为信标节点的三维坐标位置(Xi,Yi,Zi)(i＝1,2,3指代信标序号)；水下移动节点位置设为(Xt,Yt,Zt)(t用于指代水下移动节点)，其中Zt为深度信息，通过压力传感器获取，作为已知量；海面信标节点i(i＝1,2,3指代信标序号)到水下移动节点之间距离表示为
(3)由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化,声速剖面表示为c(z)，z表示深度变量；利用Snell定律，建立海面信标节点i(i＝1,2,3)和水下移动节点之间的水平距离、传播延时与传播常数之间的关系,并离散化可得：
其中ρi、τi和ni表示海面信标节点i(i＝1,2,3)到水下移动节点对应的水平距离，传播时延和传播常数；N表示c(z)上的采样点数量，在深度Zi和Zt之间均匀采样，j表示采样点序号，zj表示采样点处的深度，c(zj)表示深度zj对应的声速，
海面信标节点i和水下移动节点直线距离与传播时延之间比值表示为：
由于各项之间变化量较小，上式可简化成：
根据泰勒展开，上式可进一步简化成：
由于信标节点都位于海面，信标节点之间深度差别较小，因此认为不同海面信标节点和水下移动节点的直线距离与传播时延之间比值相等，并表示为m，即：
基于上式，当得到不同海面信标节点定位报文的传播时延之间的差值后，可以得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13(以节点1为参考)即：
(4)基于步骤(a3)可知，解算模块得到了不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13；建立扩展卡尔曼滤波的观测方程和状态方程：
θt,k＝θt,k-1+TkVk-1+wk (8)
其中，下标k-1和k表示卡尔曼滤波中引入的时刻标量，为k-1和k时刻，ΔD12,k，ΔD13,k表示k时刻的观测量，即k时刻不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；θt,k和θt,k-1分别表示k时刻和k-1时刻的状态矢量，即水下移动节点的二维坐标(Xt,k,Yt,k)和(Xt,k-1,Yt,k-1)；Zt,k表示k时刻水下移动节点的深度信息；S1,k,S2,k,S3,k为k时刻3个海面信标节点三维坐标(Xi,k,Yi,k,Zi,k)(i＝1,2,3)；Vk-1表示k-1时刻水下移动节点的二维移动速度；Tk表示k-1时刻和k时刻的时间间隔；δk和wk为k时刻观测噪声和过程噪声；
观测方程中h(θt,k,Zt,k,S1,k,Si,k)(l＝2,3指代信标序号2,3)表示为：
首先基于k-1时刻水下移动节点位置估算值θt,k-1|k-1和移动速度估算值对于k时刻水下移动节点位置进行预测：
其中θt,k|k-1＝[Xt,k|k-1Yt,k|k-1]T表示k时刻水下移动节点预测值；
计算其协方差Pk|k-1：
其中，Pk|k-1表示k时刻水下移动节点预测值的协方差矩阵，Pk-1|k-1表示k-1时刻水下移动节点位置估算值的协方差矩阵，Qk-1|k-1表示水下移动节点移动速度估算值的协方差；
因此卡尔曼增益Kk表示为：
其中Rk表示观测误差的协方差；Hk为观测矩阵，由于观测方程式非线性方程，对其进行一阶泰勒展开，近似线性化：
其中，表示为：
因此，k时刻的水下移动节点位置估算值为：
利用高斯反算把二维坐标位置转化为经度和纬度；并更新k时刻水下移动节点位置的协方差用于下一时刻计算：
Pk|k＝Pk|k-1-KkHkPk|k-1 (15)
估计k时刻水下移动节点移动速度并计算其协方差Qk|k，用于下一时刻计算：
d.当水下移动节点的声学接收***未接收到3个定位报文时：
水下移动节点的解算模块不会接收到来自主控***提交报文信息和报文到达时刻，只接收到水下移动节点的深度信息，即处于k-1时刻和k时刻之间。基于k-1时刻估算水下移动节点的位置和移动速度，估算当前时刻水下移动节点的位置θ't,k|k，即
其中，T'k表示当前时刻距离k-1时刻的时间间隔；
利用高斯反算把二维空间坐标位置转化为经度和纬度。
本发明基于北斗信标的水下移动节点定位***的实例，由岸基数据中心12，10个波浪滑翔机13-1,2…10，船基控制中心14，2个水下滑翔机15-1,2(包含定位接收机)组成；该***还借助北斗卫星导航***11实现海面信标节点的定位和同步。其中波浪滑翔机充当海面信标节点，水下滑翔机充当水下移动节点。如图1所示。
10个波浪滑翔机充当海面信标节点，上半部分位于海面上，下半部分位于海面下方，配备有北斗卫星接收机、主控***、综合定位/通信功能的声学收发***等；其中北斗卫星接收机位于波浪滑翔机海面部分，声学收发***位于波浪滑翔机水下部分；波浪滑翔机通过接收北斗卫星导航***的导航信号，实时更新自身位置，并与北斗卫星基准时钟保持同步，即所有波浪滑翔机保持时间同步；每个波浪滑翔机根据自身的时序表，将自身位置信息和序号编码成定位报文，广播给水下滑翔机；
2个水下滑翔机充当水下移动节点，配备有定位接收机(主控***、综合定位/通信功能的声学接收***、解算模块、短消息处理模块)、压力传感器等；水下滑翔机当接收定位信号时，利用序贯算法解算自身位置；未接收到定位信号时，也可以利用序贯算法估算自身位置；
岸基数据控制中心，位于海岸上，用于控制水下滑翔机。岸基数据控制中心通过北斗卫星导航***，下达指令给波浪滑翔机，波浪滑翔机再通过短数据报文方式广播给相应的水下滑翔机。
船基控制中心，配备有定位接收机(综合定位/通信功能的声学接收***、解算模块、短消息处理模块)，用于监控波浪滑翔机的工作状况。船基控制中心位于波浪滑翔机覆盖海域内，通过声学接收***监听特定的波浪滑翔机发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断波浪滑翔机的工作状态。另外，船基控制中心通过移动，可以间断的监听所有波浪滑翔机的工作状况，从而监控定位***运行状况；
10个波浪滑翔机拟采用图2所示的拓扑结构，其中21,22…210分别表示10个波浪滑翔机。首先3个波浪滑翔机构成正三角形栅格，三角形栅格边长为4.5公里，波浪滑翔机位于三角形顶点；10个波浪滑翔机构成10个正三角形栅格1,2…10，无缝覆盖目标海域；可实现100平方公里以上的覆盖海域范围。
首先处于栅格1上的3个波浪滑翔机同时广播其的定位报文，相距固定时间间隔后，栅格2上的3个波浪滑翔机同时广播其定位报文，直至栅格10上的3个波浪滑翔机广播完其定位报文，然后开始下一轮的广播时序。
处于一个栅格上的3个波浪滑翔机采用CDMA方式同时广播定位报文时，会被分配3个不同的伪随机序列，如当栅格1广播定位报文时，波浪滑翔机21、23和24会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个波浪滑翔机，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列，如波浪滑翔机24同属于栅格1和2，当栅格1或者栅格2上在广播定位报文，波浪滑翔机24在两次广播定位报文时，分配的伪随机序列也不同；
当岸基数据控制中心需要控制水下滑翔机时，可通过卫星通信下达给两个波浪滑翔机21和22，波浪滑翔机21和22将控制命令和目的地址编码成短消息报文；在两个序号相邻的栅格广播定位报文间隔，可以广播短消息报文给水下滑翔机。
当一个栅格上的3个波浪滑翔机同时广播其定位报文时，水下滑翔机实现多用户接收。具体地，如图3所示。
一个栅格上的3个波浪滑翔机，每个波浪滑翔的北斗卫星接收机31通过接收来自北斗卫星导航***的卫星信号，解析出天线所在处的经度、纬度、高程传输给主控***，并实现主控***32和北斗基准时钟同步；主控***将卫星天线所在高程减去卫星天线和声学收发***33高度差，作为波浪滑翔机的高程，主控***将经度、纬度、高程和自身序号编码成定位报文，根据自身时序表，3个波浪滑翔机通过各自的综合定位/通信功能的声学接收***33广播定位报文；
水下滑翔机的综合定位/通信功能的声学接收***34处于侦听状态，一旦接收到定位信号，完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控***35；水下滑翔机的主控***解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块38；同时水下滑翔机的主控***实时从压力传感器36读取深度信息，传输给解算模块；当水下滑翔机的解算模块接收到来自主控***的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控***的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。
当波浪滑翔机接收到短消息报文时，主控***通过判断报文中的目的地址，当匹配目的地址时，提交给短消息处理模块37，做出相应响应，否则丢弃该短消息报文。
如图4，当水下滑翔机实现多用户接收之后，解算模块获取到达时刻T1，T2，T3。假设位于一个三角形栅格上的波浪滑翔机1，2，3对应的定位信号的传播时延为ΔT1，ΔT2，ΔT3。由于3个波浪滑翔机同时广播其定位信号，可知ΔT2-ΔT1＝T2-T1＝ΔT12,ΔT3-ΔT1＝T3-T1＝ΔT13。因此，基于在接收端得到的到达时刻，可以获取不同定位信号传播时延的差值；在根据对于声线弯曲的修正，解算模块即得到不同波浪滑翔机和水下滑翔机直线距离的差值。除此之外，解算模块还需要对于经纬度和高程进行高斯正算，得到对应波浪滑翔机的三维坐标；在得到水下滑翔机的三维坐标后，也需要高斯反算得到对应的经纬度和高程。
以上所述为本发明的一个实例，其中海面信标节点可以由浮标等来代替，实现其他水下目标的定位；船基控制中心，作为附属***，可以由其他载体或多个载体来替代，实现对于定位***监控功能；岸基数据中心，除了处于海岸，同时也可以建设在其他地方，需实现卫星通信；
另外，除了借助于北斗卫星导航***，也可以借助于其他全球导航***，例如GPS，GLONASS，GALILEO等。而当水下移动节点自身可以提供速度矢量，会提高定位精度；而水下移动节点自身不提供深度信息时，只需要将正三角形栅改成四边形等其它形状，保证水下移动节点可以一次接收到4个及其以上定位报文。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法，包括如下步骤：
步骤1.海面信标节点上的北斗卫星接收机，接收北斗卫星导航***广播的定位导航信号，实时解析出海面信标北斗卫星天线所处位置的经度、纬度和高程，传输给海面信标节点的主控***，并校准主控***时钟和北斗基准时间保持同步，即所有海面信标之间保持同步；海面信标的主控***把北斗卫星接收机高程信息减去综合定位/通信功能的声学收发***的高度差值，作为海面信标节点的高程，然后把自身信标序号、经度、纬度、高程等信息组合成定位报文；根据自身发送定位报文的时序表，处于一个三角形栅格顶点处的海面信标节点同时通过各自的声学***广播定位报文；
海面信标节点数量至少3个,水下移动节点定位***的海面信标部署拓扑为:首先三个海面信标节点构成正三角形栅格,信标节点位于三角形顶点；所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基本单位，无缝覆盖目标海域；
海面信标节点的定位信号广播时序：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；
3个海面信标节点同时广播定位报文，海面信标节点采用码分多址CDMA方式广播定位信号，具体地，对于编码生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控CSK相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；每个正三角形栅格上的3个海面信标在广播定位报文时都会被分配3个不同的伪随机序列；属于不同正三角形栅格的同一个海面信标节点，在不同的正三角形栅格广播定位报文时，会被分配不同的伪随机序列；
步骤2.水下移动节点的综合定位/通信功能的声学接收***处于侦听状态，一旦接收到定位信号，声学***完成多用户信号接收，记录3个定位报文的到达时刻，并把解码的定位报文及其到达时刻发送给主控***；水下移动节点的主控***解读定位报文内容，把报文中的经度、维度、高程和对应报文到达时刻传输给解算模块；同时水下移动节点的主控***实时从压力传感器读取深度信息，传输给解算模块；当水下移动节点的解算模块接收到来自主控***的报文信息时，利用滤波算法解算其当前时刻的位置；当没有收到来自主控***的报文信息时，也可以利用滤波算法估算其当前时刻的位置。
由于位于正三角形栅格上的3个信标节点采用CDMA方式同时广播定位报文，水下移动节点同时接收到3个信号。由于CDMA方式中扩频序列的准正交性质，利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰MAI，恢复期望的定位报文信息。
水下移动节点位置解算方法如下：
a.当水下移动节点的声学接收***接收到3个定位报文时：
(1)解算模块会接收到来自主控***的经度、维度、高程、定位报文到达时刻Ti(i＝1,2,3指代信标序号)与水下移动节点的深度信息；以T1为参考时间，得到不同定位报文到达时间差：ΔT12＝T2-T1和ΔT13＝T3-T1；
(2)解算模块利用高斯正算将报文中的经度和纬度转化为高斯平面坐标系，结合高程作为信标节点的三维坐标位置(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,3指代信标序号；水下移动节点位置设为(Xt,Yt,Zt)，t指代水下移动节点，其中Zt为深度信息，通过压力传感器获取，作为已知量；海面信标节点i到水下移动节点之间距离表示为
(3)由于介质不均匀导致声速不是常数，不考虑声速剖面的横向变化,声速剖面表示为c(z)，z表示深度变量；利用Snell定律，建立海面信标节点i(i＝1,2,3)和水下移动节点之间的水平距离、传播延时与传播常数之间的关系,并离散化可得：
其中ρi、τi和ni表示海面信标节点i(i＝1,2,3)到水下移动节点对应的水平距离，传播时延和传播常数；N表示c(z)上的采样点数量，在深度Zi和Zt之间均匀采样，j表示采样点序号，zj表示采样点处的深度，c(zj)表示深度zj对应的声速，
海面信标节点i和水下移动节点直线距离与传播时延之间比值表示为：
由于各项之间变化量较小，上式可简化成：
根据泰勒展开，上式可进一步简化成：
由于信标节点都位于海面，信标节点之间深度差别较小，因此认为不同海面信标节点和水下移动节点的直线距离与传播时延之间比值相等，并表示为m，即：
基于上式，当得到不同海面信标节点定位报文的传播时延之间的差值后，可以得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13，以节点1为参考，即：
(4)基于步骤(3)可知，解算模块得到了不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值ΔD12和ΔD13；建立扩展卡尔曼滤波的观测方程和状态方程：
θt,k＝θt,k-1+TkVk-1+wk(8)
其中，下标k-1和k表示卡尔曼滤波中引入的时刻标量，为k-1和k时刻，ΔD12,k，ΔD13,k表示k时刻的观测量，即k时刻不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；θt,k和θt,k-1分别表示k时刻和k-1时刻的状态矢量，即水下移动节点的二维坐标(Xt,k,Yt,k)和(Xt,k-1,Yt,k-1)；Zt,k表示k时刻水下移动节点的深度信息；S1,k,S2,k,S3,k为k时刻3个海面信标节点三维坐标(Xi,k,Yi,k,Zi,k)(i＝1,2,3)；Vk-1表示k-1时刻水下移动节点的二维移动速度；Tk表示k-1时刻和k时刻的时间间隔；δk和wk为k时刻观测噪声和过程噪声；
观测方程中h(θt,k,Zt,k,S1,k,Si,k)表示为式(9)，其中l＝2,3指代信标序号2,3：
首先基于k-1时刻水下移动节点位置估算值θt,k-1|k-1和移动速度估算值对于k时刻水下移动节点位置进行预测：
其中θt,k|k-1＝[Xt,k|k-1 Yt,k|k-1]T表示k时刻水下移动节点预测值；
计算其协方差Pk|k-1：
其中，Pk|k-1表示k时刻水下移动节点预测值的协方差矩阵，Pk-1|k-1表示k-1时刻水下移动节点位置估算值的协方差矩阵，Qk-1|k-1表示水下移动节点移动速度估算值的协方差；
因此卡尔曼增益Kk表示为：
其中Rk表示观测误差的协方差；Hk为观测矩阵，由于观测方程式非线性方程，对其进行一阶泰勒展开，近似线性化：
其中，表示为：
因此，k时刻的水下移动节点位置估算值为：
利用高斯反算把二维坐标位置转化为经度和纬度；并更新k时刻水下移动节点位置的协方差用于下一时刻计算：
Pk|k＝Pk|k-1-KkHkPk|k-1 (15)
估计k时刻水下移动节点移动速度并计算其协方差Qk|k，用于下一时刻计算：
b.当水下移动节点的声学接收***未接收到3个定位报文时：
水下移动节点的解算模块不会接收到来自主控***提交报文信息和报文到达时刻，只接收到水下移动节点的深度信息，即处于k-1时刻和k时刻之间；基于k-1时刻估算水下移动节点的位置和移动速度，估算当前时刻水下移动节点的位置θ't,k|k，即
其中，T′k表示当前时刻距离k-1时刻的时间间隔；
利用高斯反算把二维空间坐标位置转化为经度和纬度。
2.实施如权利要求1所述的基于北斗信标的水下移动节点无源定位方法的***，其特征在于：由至少3个海面信标节点、水下移动节点、岸基数据控制中心和船基控制中心组成；
所述海面信标节点包括北斗卫星接收机、第一主控***、综合定位/通信功能的第一声学收发***；
所述水下移动节点，包括推进器、第二定位接收机、压力传感器，第二定位接收机包括第二主控***、综合定位/通信功能的第二声学接收***、第二解算模块、第二短消息处理模块；
所述船基控制中心，为定位辅助***，部署于海面信标节点覆盖海域内，携带有第三定位接收机，用于监控海面信标节点的工作状况，第三位接收机包括综合定位/通信功能的第三声学接收***、第三解算模块、第三短消息处理模块；船基控制中心在海面信标节点覆盖海域内，通过第三声学接收***监听特定的海面信标节点发送的报文，根据接收到报文的时序和内容，判断海面信标节点的工作状态；另外，船基控制中心通过移动，间断的监听所有海面信标节点的工作状况，从而监控定位***运行状况；
所述岸基数据控制中心，用于控制水下移动节点；岸基数据控制中心通过北斗卫星导航***，下达指令给海面信标节点，海面信标节点再通过短数据报文方式广播给对应的水下移动节点；
海面信标节点部署拓扑采取正三角形栅格为基础构成：
由于水下移动节点至少需要接收3个定位信号才能完成位置解算，且信标节点构成正三角形栅格的拓扑结构可最大化覆盖海域面积。因此海面信标节点部署拓扑采用正三角形为栅格，3个海面信标位于正三角形顶点，所有海面信标节点的部署拓扑采取正三角形栅格为基础构成，覆盖目标海域，保证覆盖海域下方任意位置的水下移动节点，均可接收到一个正三角形栅格顶点上3个海面信标发送的定位信号；
海面信标节点的广播时序是：以正三角形栅格为单位，即位于一个三角形栅格上的3个海面信标节点同时广播其定位报文；当一个三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文，相距固定时间间隔后，下一个时序的三角形栅格上的海面信标节点广播定位报文；直至所有三角形栅格广播完定位报文，重新开始下一轮定位报文的广播时序；
海面信标节点以CDMA扩频方式向水下广播定位报文：
位于一个三角形栅格上的3个海面信标需要同时广播其定位报文，因此采用CDMA方式；对于生成的定位报文，采用多进制卷积码与M进制码元移位键控(Code Shift Keying,CSK)相结合，并分配给海面信标节点不同的伪随机序列，实现多用户通信；
水下移动节点利用串行多址干扰抵消技术抑制远近效应引起的多用户干扰，恢复期望的定位报文信息；
水下移动节点的定位解算过程如下：
c.当水下移动节点的声学接收***接收到3个定位报文时：
水下移动节点根据3个定位报文的到达时刻，计算不同定位报文到达时间差，并基于Snell定律，对于声线弯曲进行补偿，得到不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值；
基于扩展卡尔曼滤波方法，不同海面信标节点与水下移动节点间距离的差值作为观测值，并根据上一时刻的位置和移动速度信息，对于当前时刻水下移动节点的位置和移动速度进行解算；
d.当水下移动节点的声学接收***未接收到3个定位报文时：
当水下移动节点在未接收到定位报文时刻，基于扩展卡尔曼滤波方法。利用上一时刻解算的位置和移动速度，估算当前时刻的水下移动节点位置。
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