CN108318863B - 基于海底信标的水下无人设备无源定位方法及其*** - Google Patents
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Abstract
一种基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括：步骤1.船基依次对海底信标节点进行编号、时钟同步驯服与布放，并通过短基线水声定位***完成海底信标节点的位置标定，将定位结果发送至相应海底信标节点；步骤2.海底信标节点将自身的序号、经度、纬度、深度等信息组合成定位报文；根据定位报文的发送时序，处于一个正方形栅格顶点的海底信标节点同时通过综合定位/通信功能的声学收发模块发送定位报文；步骤3.水下无人设备接收海底信标节点的定位报文，将定位报文中的经度、纬度、深度和定位报文到达时刻传输给解算模块。当接收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算。本发明还包括实施本发明方法的***。
Description
技术领域
本发明属于水下无人设备定位领域，具体涉及一种采用短基线水声定位***实现海底信标节点的定位，并基于海底信标节点实现水下无人设备无源自主定位的方法与***。
背景技术
在新国际形势下，各国面临日益严峻的海洋权益问题，水下安防成为大国博弈的关键。因此，建立海洋环境立体监测***成为各国一项紧迫的战略任务。同时，随着水下无人设备在海洋勘探、工程建设和海底救捞等海洋活动中的广泛应用，水下无人设备的定位技术得到了普遍关注。
全球定位***(Global Positioning System,GPS)和北斗卫星导航***(BeiDouNavigation Satellite System,BDS)等卫星定位***通过电磁波实现陆地和海面设备的精确定位。但是，由于海水对电磁波的强吸收作用，这些***无法用于水下无人设备的定位。
声波在水下环境具有良好的传播特性，可作为水下长距离信息传输的载体。因此，水下无人设备的定位常采用水声定位***。根据基线的长度，水声定位***可分为长基线、短基线和超短基线。长基线定位***通常需要在海底部署多个基线阵元，基线长度在几百米至几千米之间。***通过测量水下无人设备与海底信标节点之间的距离实现定位解算。长基线定位***的优点是定位精度较高；缺点是基线阵元的布放、校准和回收过程较为繁琐。短基线定位***将基线阵元安装在载体上，基线长度在几米至几十米之间。***通过测量声波的传播时间获取斜距，并通过声波传播到不同基线阵元的时间差或相位差获取方位角，从而实现定位解算。短基线定位***的优点是***组成相对简单，使用方便；缺点是载体上的基线阵元需要精确调校以构成良好的几何形状，且容易受到载体噪声的干扰。超短基线定位***将基线阵元安装在载体上，基线长度通常在厘米级。***通过测量声波传播到各个基线阵元的相位差获取方位角实现定位解算。超短基线定位***的优点是***集成度高，使用方便；缺点是测量距离较近，定位精度低于上述两种***。
基于上述原理，业界提出几种基于海底信标节点的水声定位***。经检索，哈尔滨工程大学公开了一种基于多个海底信标节点的水声定位***，但局限性在于假设水下无人设备与海底信标节点的时钟同步，在实际中很难做到；中国人民解放军91388部队公开了一种基于小孔径基阵的水声定位***，相比于长基线水声定位***，该***能获得较高的定位精度，但***组成复杂，海底信标节点的布放难度较大；上海交通大学公开了一种基于等效声速的水下声学定位方法，该方法利用达到时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)计算等效声速，并通过卡尔曼滤波减小背景噪声的影响，提高定位精度，但该方法需要多次迭代，计算复杂度较高。
另外，现有的水声定位***大多存在以下问题：
1.定位过程需要水下无人设备发送应答信号。因水下无人设备由电池供电，出于节能的考虑，一些水下无人设备未配备信号发射装置，无法发送应答信号。另外，在特殊安全需求的场景中，出于隐蔽性考虑，水下无人设备不能发送信号。
2.解算算法假设声速固定不变。在水下环境，声速随温度、盐度和深度变化，如果按照固定声速解算会降低定位的准确度。
3.解算算法假设声线沿直线传播。在水下环境，声线向具有较小声速的水层方向弯曲，如果按照直线传播的模型处理会降低定位的准确度。
针对上述问题，在海底信标节点与水下无人设备的无法保持同步时钟，且不采用应答机制的情况下，实现水下无人设备的无源自主定位是非常必要的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于海底信标节点的水下无人设备无源自主定位的方法与***。所述***包括船基、至少4个海底信标节点与水下无人设备。
一种基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括以下步骤：
步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：
步骤11.海底信标节点编号，将序号写入各个海底信标节点的主控模块。
步骤12.海底信标节点同步驯服，使海底信标节点的时钟保持同步。
步骤13.船基在目标海域布放第1个海底信标节点。
步骤14.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基。
步骤15.船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过搭载的短基线水声定位***完成海底信标节点的位置标定。
步骤16.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态。
步骤17.重复步骤13-16，完成所有海底信标节点的布放与位置标定。
步骤13中，海底信标节点部署拓扑为：如果海底信标节点为4个，4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域。
步骤15中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位***发送询问信号。海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号。根据该应答信号，船基的短基线水声定位***获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度与深度信息，并发送给相应的海底信标节点。
步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：
步骤21.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将节点序号、经度、纬度、深度等信息生成定位报文。
步骤22.根据定位报文发送的时序设计，一个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤22中，海底信标节点的定位报文发送时序设计为：
步骤221.对拓扑的正方形栅格编号。
步骤222.第1个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤223.经过固定时间间隔，第2个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤224.依此类推，直至所有正方形栅格的海底信标节点发送定位报文，完成第一轮定位报文的发送。
步骤225.重复步骤222-224，开始下一轮定位报文的发送。
步骤22中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiplefrequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。
步骤3.水下无人设备的位置解算，具体步骤为：
步骤31.水下无人设备的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态，一旦收到海底信标节点的定位报文，记录定位报文的到达时刻。当收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算。
步骤32.水下无人设备的主控模块解读定位报文内容，将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块。
步骤33.水下无人设备的解算模块将海底信标节点的经度、纬度和深度转换为世界大地坐标系(world geodetic system s4,WGSs4)坐标。
步骤34.水下无人设备的解算模块根据4个海底信标节点的WGSs4坐标、4个定位报文的到达时刻解算水下无人设备所在位置的WGSs4坐标。
步骤35.水下无人设备的解算模块将计算得到的WGSs4坐标转换为经度、纬度与深度，作为定位结果。
步骤33中，WGSs4的定义是：原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向国际时间局(Bureau International de l'Heure,BIH)定义的协议地极(ConventionalTerrestrial Pole,CTP)方向；x轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点；y轴和z轴，x轴构成右手坐标系。
步骤34中，具体解算步骤为：
步骤341.水下无人设备收到一个正方形栅格中4个海底信标节点的定位报文，解算模块将第i(i＝1,2,3,4)个海底信标节点的经度、纬度与深度转换为WGSs4坐标(xi,yi,zi)；水下无人设备在WGSs4的待求坐标为(x,y,z)。
步骤342.假设海底信标节点在t0时刻同时发送定位报文，水下无人设备收到第i个海底信标节点定位报文的时刻为ti，海底信标节点与水下无人设备之间未同步的时间差为τ，第i个海底信标节点与水下无人设备之间的距离为ρi，声速为c。
步骤343.根据测距方程可得
消去定位报文的发送时刻t0和未同步的时间差τ，将上式改写为
上式中，Δti1＝ti-t1。
将上式平方，两两作差得到
上式中,
步骤344.以ρ1作为主元，将(x,y,z)表示为关于ρ1的一次函数
上式中
步骤345.将
代入测距方程(5)，得到关于ρ1的一元二次方程
上式中
β＝2[a11(a12-x1)+a21(a22-y1)+a31(a32-z1)]，γ＝(a12-x1)2+(a22-y1)2+(a32-z1)2。
步骤346.求解上述方程，将
回代到
得到水下无人设备的WGSs4坐标(x,y,z)。
实施本发明的基于海底信标的水下无人设备无源定位方法的***，包含至少4个海底信标节点、水下无人设备和船基。另外，本发明***需要借助于北斗卫星导航***和短基线水声定位***实现海底信标的定位。
所述海底信标节点包括第一主控模块、短基线水声定位***的应答器、综合定位/通信功能的第一声学收发模块、压力传感器等，负责发送定位报文。
所述水下无人设备包括第二主控模块、综合定位/通信功能的声学第二接收模块、第二解算模块等。
所述船基包括短基线水声定位***、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的第三声学收发模块、第三解算模块等。船基为辅助定位***，部署于海底信标节点覆盖的海域内，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测。
海底信标节点至少为4个，部署拓扑为：4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域。
海底信标节点的定位信号发送时序为：以正方形栅格为单位，位于一个正方形栅格上的4个海底信标节点同时发送定位报文；经过固定时间间隔后，下一个正方形栅格顶点上的海底信标节点发送定位报文；直至所有正方形栅格发送定位报文，则完成第一轮定位报文的发送。重复上述步骤，开始下一轮定位报文的发送。
海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，位于一个正方形栅格顶点的4个海底信标节点同时发送定位报文。海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。
水下无人设备的定位解算过程如下：
当水下无人设备的综合定位/通信功能的第二声学接收模块接收到4个海底信标节点的定位报文时，水下无人设备的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下无人设备的第二解算模块；水下无人设备的第二解算模块将收到的信息代入测距方程，完成自身的位置解算。
本发明的有益效果
与现有的基于海底信标节点的水声定位方法相比，本发明的有益效果在于：
在定位过程中水下无人设备不发出任何信号，只需要接收来自海底信标节点的定位报文即可实现自身的无源定位，整个过程节能、隐蔽，在实际中有着广泛应用的潜力；定位过程中，海底信标节点与水下无人设备的时钟无需同步，水下无人设备的时钟偏移不会给定位结果带来影响。
附图说明
图1是本发明方法的实施***的总结构图。
图2是本发明实例海底信标节点的一种部署拓扑。
图3是本发明实例的步骤流程图。
图4是本发明实例一种情形下的仿真误差图示。
具体实施方式
拟结合附图更详细地说明本发明，但本发明不局限于附图，并且附图的结构有所省略或者比例大小不符合实际尺寸，仅供说明参考使用。
一种基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括以下步骤：
步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：
步骤11.海底信标节点编号，将序号写入各个海底信标节点的主控模块。
步骤12.海底信标节点同步驯服，使海底信标节点的时钟保持同步。
步骤13.船基在目标海域布放第1个海底信标节点。
步骤14.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基。
步骤15.船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过搭载的短基线水声定位***完成海底信标节点的位置标定。
步骤16.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态。
步骤17.重复步骤13-16，完成所有海底信标节点的布放与位置标定。
步骤13中，海底信标节点部署拓扑为：如果海底信标节点为4个，4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域。
步骤15中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位***发送询问信号。海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号。根据该应答信号，船基的短基线水声定位***获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度与深度信息，并发送给相应的海底信标节点。
步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：
步骤21.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将节点序号、经度、纬度、深度等信息生成定位报文。
步骤22.根据定位报文发送的时序设计，一个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤22中，海底信标节点的定位报文发送时序设计为：
步骤221.对拓扑的正方形栅格编号。
步骤222.第1个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤223.经过固定时间间隔，第2个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文。
步骤224.依此类推，直至所有正方形栅格的海底信标节点发送定位报文，完成第一轮定位报文的发送。
步骤225.重复步骤222-224，开始下一轮定位报文的发送。
步骤22中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiplefrequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。
步骤3.水下无人设备的位置解算，具体步骤为：
步骤31.水下无人设备的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态，一旦收到海底信标节点的定位报文，记录定位报文的到达时刻。当收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算。
步骤32.水下无人设备的主控模块解读定位报文内容，将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块。
步骤33.水下无人设备的解算模块将海底信标节点的经度、纬度和深度转换为世界大地坐标系(world geodetic system s4,WGSs4)坐标。
步骤34.水下无人设备的解算模块根据4个海底信标节点的WGSs4坐标、4个定位报文的到达时刻解算水下无人设备所在位置的WGSs4坐标。
步骤35.水下无人设备的解算模块将计算得到的WGSs4坐标转换为经度、纬度与深度，作为定位结果。
步骤33中，WGSs4的定义是：原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向国际时间局(Bureau International de l'Heure,BIH)定义的协议地极(ConventionalTerrestrial Pole,CTP)方向；x轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点；y轴和z轴，x轴构成右手坐标系。
步骤34中，具体解算步骤为：
步骤341.水下无人设备收到一个正方形栅格中4个海底信标节点的定位报文，解算模块将第i(i＝1,2,3,4)个海底信标节点的经度、纬度与深度转换为WGSs4坐标(xi,yi,zi)；水下无人设备在WGSs4的待求坐标为(x,y,z)。
步骤342.假设海底信标节点在t0时刻同时发送定位报文，水下无人设备收到第i个海底信标节点定位报文的时刻为ti，海底信标节点与水下无人设备之间未同步的时间差为τ，第i个海底信标节点与水下无人设备之间的距离为ρi，声速为c。
步骤343.根据测距方程可得
消去定位报文的发送时刻t0和未同步的时间差τ，将上式改写为
上式中，Δti1＝ti-t1。
将上式平方，两两作差得到
上式中,
步骤344.以ρ1作为主元，将(x,y,z)表示为关于ρ1的一次函数
上式中
步骤345.将
代入测距方程(5)，得到关于ρ1的一元二次方程
上式中
β＝2[a11(a12-x1)+a21(a22-y1)+a31(a32-z1)]，γ＝(a12-x1)2+(a22-y1)2+(a32-z1)2。
步骤346.求解上述方程，将
回代到
得到水下无人设备的WGSs4坐标(x,y,z)。
本发明基于北斗信标的水下无人设备定位***的实例，由6个海底信标节点，船基和1个水下滑翔机组成；另外，***需借助北斗卫星导航***与短基线水声定位***实现海底信标节点的位置标定。本例中，水下滑翔机充当水下无人设备。如图1所示。
6个海底信标节点由船基布放在海底，配备有主控模块、综合定位/通信功能的声学收发模块、短基线水声定位***的应答器等；海底信标节点布放前，由船基进行时钟同步驯服；海底节点布放完成后，由船基的短基线水声定位***完成海底信标节点的位置标定。每个海底信标节点根据时序表，将自身位置的信息和序号编码成定位报文，对外发送。
2个水下滑翔机充当水下无人设备，配备有主控模块、综合定位/通信功能的声学接收模块、解算模块等；水下滑翔机收到定位报文时，通过解算模块完成自身定位。
船基配备有短基线水声定位***、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的声学收发模块和解算模块，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测。
6个海底信标节点拟采用图2所示的拓扑结构，其中A-F分别表示6个海底信标节点，构成正方形Ⅰ和正方形Ⅱ，正方形栅格边长为4.5km，海底信标节点位于正方形栅格的顶点。
水下无人设备的定位步骤如图3所示，海底信标节点的位置标定由船基通过短基线水声定位***完成；海底信标节点通过压力传感器获取深度信息，并将自身的序号、经度、纬度、深度等信息组合成定位报文；
正方形栅格Ⅰ顶点上的4个海底信标节点同时发送各自的定位报文；经过固定时间间隔后，正方形栅格Ⅱ顶点上的4个海底信标节点同时发送各自的定位报文，至此完成第一轮定位报文的发送；重复上述步骤，开始下一轮的广播时序。
海底信标节点的信号发送采用MFSK调制，位于一个正方形栅格顶点的4个海底信标节点同时发送定位报文。海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号。
水下滑翔机的综合定位/通信功能的声学接收***处于侦听状态，一旦接收到定位信号，记录定位报文的到达时刻，解读定位报文，并将定位报文的内容及其到达时刻发送至解算模块；
当水下无人设备的综合定位/通信功能的第二声学接收模块接收到4个海底信标节点的定位报文时，水下无人设备的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下无人设备的第二解算模块；水下无人设备的第二解算模块将收到的信息代入测距方程，完成自身的位置解算。
下面结合具体数据来仿真上述解算步骤。
步骤41.设定状态参数：
假设4个已标定的海底信标节点的坐标分别为(-1,5,-1012)，(3996,-3,-1276)，(4003,3993,-1619)和(-2,4002,-2112)，水下滑翔机的初始真实位置为(1235,3678,-896)，在x,y和z方向的分速度均值为(0.5,0.5,0.1)，并以此速度保持移动。***每隔30s进行一次观测，记录海底信标节点定位报文的到达时刻差t＝[Δt21 Δt31 Δt41]T。
步骤42.设定参数误差：
由于水流波动等因素的影响，水下滑翔机的速度会受到一定的扰动，假设实际的速度服从均值为真值，协方差矩阵为
的正态分布。
由于水下滑翔机的时钟有一定的偏移，假设记录的t服从均值为真值，协方差矩阵为
的正态分布。
步骤43.计算水下滑翔机的位置误差
计算解算位置与真实位置的差值，如图3，x和y方向的位置误差在15m以内。
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.基于海底信标的水下无人设备无源定位方法，包括以下步骤：
步骤1.海底信标节点的布放与位置标定，具体步骤为：
步骤11.海底信标节点编号，将序号写入各个海底信标节点的主控模块；
步骤12.海底信标节点同步驯服，使海底信标节点的时钟保持同步；
步骤13.船基在目标海域布放第1个海底信标节点；
步骤14.海底信标节点待其压力传感器数值不再变化后，发送沉底信息通知船基；
步骤15.船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过搭载的短基线水声定位***完成海底信标节点的位置标定；
步骤16.船基将定位结果与启动水下定位的信息发送给海底信标节点，完成海底信标节点的位置标定，并提示海底信标节点进入工作状态；
步骤17.重复步骤13-16，完成所有海底信标节点的布放与位置标定；
步骤13中，海底信标节点部署拓扑为：如果海底信标节点为4个，4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域；
步骤15中，海底信标节点的位置标定具体过程为：船基收到海底信标节点的沉底信息后，绕海底信标节点的布放点航行，在海况良好的地方停驻，通过北斗卫星接收机接收北斗卫星导航信号，确定短基线水声定位基阵的位置坐标，再由船基的短基线水声定位***发送询问信号，海底信标节点收到询问信号后，由应答器发送应答信号；根据该应答信号，船基的短基线水声定位***获取海底信标节点的斜距与方位，解算海底信标节点相对于船基短基线基阵的位置坐标，转换为经度、纬度与深度信息，并发送给相应的海底信标节点；
步骤2.海底信标节点发送定位信号，具体步骤为：
步骤21.收到启动水下定位的信号后，海底信标节点将节点序号、经度、纬度、深度的信息生成定位报文；
步骤22.根据定位报文发送的时序设计，一个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；
步骤22中，海底信标节点的定位报文发送时序设计为：
步骤221.对拓扑的正方形栅格编号；
步骤222.第1个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；
步骤223.经过固定时间间隔，第2个正方形栅格的4个海底信标节点同时发送定位报文；
步骤224.依此类推，直至所有正方形栅格的海底信标节点发送定位报文，完成第一轮定位报文的发送；
步骤225.重复步骤222-224，开始下一轮定位报文的发送；
步骤22中，海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shift keying,MFSK)，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；
步骤3.水下无人设备的位置解算，具体步骤为：
步骤31.水下无人设备的综合定位/通信功能的声学接收模块处于侦听状态，一旦收到海底信标节点的定位报文，记录定位报文的到达时刻；当收到4个海底信标节点的定位报文时，进行位置解算；
步骤32.水下无人设备的主控模块解读定位报文内容，将经度、纬度、深度与定位报文到达时刻传输给解算模块；
步骤33.水下无人设备的解算模块将海底信标节点的经度、纬度和深度转换为世界大地坐标系(world geodetic system s4,WGSs4)坐标；
步骤34.水下无人设备的解算模块根据4个海底信标节点的WGSs4坐标与4个定位报文的到达时刻解算自身位置的WGSs4坐标；
步骤35.水下无人设备的解算模块将计算得到的WGSs4坐标转换为经度、纬度与深度，作为定位结果；
步骤33中，WGSs4的定义是：原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向国际时间局(Bureau International de l'Heure,BIH)定义的协议地极(Conventional TerrestrialPole,CTP)方向；x轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点；y轴和z轴，x轴构成右手坐标系；
步骤34中，具体解算步骤为：
步骤341.水下无人设备收到一个正方形栅格中4个海底信标节点的定位报文，解算模块将第i个海底信标节点的经度、纬度与深度转换为WGSs4坐标(xi,yi,zi)，其中，i＝1,2,3,4；水下无人设备在WGSs4的待求坐标为(x,y,z)；
步骤342.假设海底信标节点在t0时刻同时发送定位报文，水下无人设备收到第i个海底信标节点定位报文的时刻为ti，海底信标节点与水下无人设备之间未同步的时间差为τ，第i个海底信标节点与水下无人设备之间的距离为ρi，声速为c；
步骤343.根据测距方程可得
消去定位报文的发送时刻t0和未同步的时间差τ，将上式改写为
上式中，Δti1＝ti-t1；
将上式平方，两两作差得到
上式中,
步骤344.以ρ1作为主元，将(x,y,z)表示为关于ρ1的一次函数
上式中
步骤345.将
代入测距方程(5)，得到关于ρ1的一元二次方程
上式中
β＝2[a11(a12-x1)+a21(a22-y1)+a31(a32-z1)]，γ＝(a12-x1)2+(a22-y1)2+(a32-z1)2；
步骤346.求解上述方程，将
回代到
得到水下无人设备的WGSs4坐标(x,y,z)。
2.实施如权利要求1所述的基于海底信标的水下无人设备无源定位方法的***，其特征在于：由至少4个海底信标节点、水下无人设备和船基组成；
所述海底信标节点包括第一主控模块、短基线水声定位***的应答器、综合定位/通信功能的第一声学收发模块、压力传感器，负责发送定位报文；
所述水下无人设备包括第二主控模块、综合定位/通信功能的声学第二接收模块、第二解算模块；
所述船基包括短基线水声定位***、北斗卫星接收机、综合定位/通信功能的第三声学收发模块、第三解算模块，船基为辅助定位***，部署于海底信标节点覆盖的海域内，负责海底信标节点的布放、位置标定与工作状态的监测；
海底信标节点至少为4个，部署拓扑为：4个海底信标节点构成正方形栅格,海底信标节点位于正方形栅格的顶点；若海底信标节点多于4个，则其余海底信标节点的部署拓扑仍采用正方形栅格为基本单元，与第1个正方形栅格拼接，覆盖目标海域；
海底信标节点的定位信号发送时序为：以正方形栅格为单位，位于一个正方形栅格上的4个海底信标节点同时发送定位报文；经过固定时间间隔，下一个正方形栅格顶点上的海底信标节点发送定位报文；直至所有正方形栅格发送定位报文，则完成第一轮定位报文的发送；重复上述步骤，开始下一轮定位报文的发送；
海底信标节点的信号发送采用多进制数字频率调制(Multiple frequency-shiftkeying,MFSK)，位于一个正方形栅格顶点的4个海底信标节点同时发送定位报文，海底信标节点的主控模块将需要发送的二进制码经过串/并变换转化为M进制的码元，并通过码元选择载波频率，发送信号；
水下无人设备的定位解算过程如下：
当水下无人设备的综合定位/通信功能的第二声学接收模块收到4个海底信标节点的定位报文时，水下无人设备的第二主控模块解读报文中的经度、纬度、深度的信息，将上述信息与定位报文的到达时刻传输给水下无人设备的第二解算模块；水下无人设备的第二解算模块将收到的信息代入测距方程，完成自身位置的解算。
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