[发明专利]一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下定位导航领域，尤其涉及水下目标隐蔽情况下的定位导航以及时间同步技术。 

背景技术

水下导航定位导航技术在海洋监测、海洋勘探、海洋维权、水下考古、水下施工、水下安保及军事等领域有非常重要的应用价值。基于声学的水下定位导航系统按照水声信号的传播路径，主要分为两类：双程模式和单程模式。 

双程模式又称作应答模式，需要水下定位设备配置收发应答器。浮标和应答器之间双向收发水声信号实现定位。传统的长基线、短基线和超短基线定位系统大都是双程模式。双程模式的优点是水下应答器和浮标之间不需要时间同步。缺点是：1.水下应答器需要向外界发射声波信号，增加了功耗，隐蔽性差。2.由于需要双向收发信号，水下应答器的数目受制与浮标的处理能力，不能无限增加。 

单程模式又称非应答模式。浮标和水下定位设备之间单向传送信号即可实现定位。目前单程定位系统都是水下信标向浮标发送信号，浮标根据接收到信号的特征解算出水下信标的位置。这种模式下，水下信标的数目也受制于浮标处理能力。 

目前的单程和双程模式，其信标的位置解算都是在浮标或者船基、岸基完成。信标不能直接获得自身位置。如果水下设备（如水下潜航器）需要根据自身位置实现自主航行，则需要通过额外的通信链路，将位置信息从浮标发送给水下设备。 

经检索，中国专利申请号CN200310118440的发明专利公开了一种水下GPS定位导航方法和系统，可以实现水下目标定位导航与授时。该方法有以下局限性：1.系统所需部件庞大，需要至少5个浮标（浮标），数据中心、海面无线通信链路，水下无线通信链路。2.水下导航接收机与浮标需要双向通信。水下定位导航接收机需要向外发射水声信号，功耗大且不利于隐蔽。3.水下定位导航接收 机数量不能无限增加。4.水下导航接收机无法直接获得自身位置。数据中心解算出位置之后，通过水声通信链路发送给水下定位导航接收机。增加了定位所需的时间，降低了可靠性。 

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法，实现基于扩频通讯广播模式的单程水下定位导航。 

根据本发明的一个方面，提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统，该系统由GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)卫星、至少4个DGPS浮标和至少1个水下定位导航接收机组成，其中： 

所述DGPS浮标，通过GPS天线接收现有GNSS卫星信号，实现自身位置定位；各DGPS浮标之间通过无线通讯天线相互通讯，传送GNSS卫星数据，组成差分GPS(DGPS)系统，实现各个DGPS浮标相对地球坐标的定位，以及各DGPS浮标之间相对位置的精确定位；通过GNSS卫星授时功能，实现DGPS浮标时间与UTC时间同步； 

所述DGPS浮标，通过扩频通信的模式向水下广播导航信号，其中用伪随机扩频码对导航信号进行扩频，扩频码同时起到测距码的作用； 

所述水下定位导航接收机不需要向外部发射信号，根据接收到的DGPS浮标信号，解算出自身位置，并实现与UTC时间同步，系统中可以有多台水下定位导航接收机同时接收导航信号，其数量不受限制。 

优选地，所述DGPS浮标的导航信号采用双极性二进制编码，即其取值为+1或-1，分别对应二进制的0和1，导航信号包含测距码、导航电文信息： 

所述测距码是一组长度固定的伪随机码，其长度为P_Z，周期为P_P。每个DGPS浮标对应一个特定序列的伪随机码，记为P_i，不同的P_i相互准正交，即它们的互相关函数的峰值P_CMi与自相关函数的峰值P_CSi之间的关系满足 

根据测距码P_i即可确定其对应的DGPS浮标S_i； 

所述导航电文包含DGPS浮标时间，DGPS浮标位置信息，导航电文的每个二进制位的长度为测距码周期P_P的整数倍。 

根据本发明的第二方面，提供一种基于DGPS浮标的水下定位导航方法， 

该方法包含：DGPS浮标发射导航信号、水下定位导航接收机接收DGPS浮标信号并进行定位导航解算； 

所述DGPS浮标发射导航信号，具体如下：