[发明专利]一种基于广播轮询的非时间同步水下定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于广播轮询的非时间同步水下定位系统，其特征在于：所述系统中至少需要三个锚节点和一个携带有应答器的水下定位目标，每个锚节点布置在水下且位置坐标是已知的，锚节点的换能器与定位目标应答器的换能器中心频率保持一致；定位目标的应答器采用广播方式向外发送定位信号，并且对每个锚节点以轮询的方式进行定位信号的传递，锚节点也通过依次应答的方式做出响应；各个锚节点均有自己的时间轴，每个锚节点时间轴的起点以接收到定位目标应答器的第一个广播轮询信号为起点，此后通过划分时间周期来判断当前轮询信号是否为属于自己的轮询定位信号，并做出相应的动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位系统，其特征在于：轮询定位信号为频率固定的10个PWM信号，在轮询周期开始时发出。

3.根据权利要求1所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位系统，其特征在于：锚节点的AD采集口只在属于自己的轮询信号即将到来时才打开，响应结束后关闭AD采集口。

4.一种基于权利要求1所述系统的定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，定位系统上电，所有锚节点处于接受状态，AD采集口打开，定位目标的应答器开始向外广播轮询定位信号；

步骤2，锚节点接受定位信号做出响应；

步骤3，定位目标计算斜距；

步骤4，定位目标位置解算。

5.根据权利要求4所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位方法，其特征在于：所述定位方法中，锚节点依次编号为A1、A2、A3，位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)；水下定位目标记为O(x，y，z)；定位周期时长为T；定位周期内嵌轮询周期；轮询周期时长为t；轮询周期编号为t1、t2、t3，锚节编号与轮询周期相对应；开AD采集口时差为Δt；

步骤1中，定位信号的发送周期由两个嵌套周期共同组成，大周期为定位周期，周期时长T根据需要自行设定；大周期内嵌套小周期，即为轮询周期，轮询周期时长为t，即有T＝t*i，轮询信号编号为ti，i＝1,2,3，轮询周期编号与锚节点编号一一相对应。

6.根据权利要求4所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位方法，其特征在于：所述方法的步骤2中：

2-1，当A1锚节点接收到第一个t1轮询周期内的定位信号时，打开定时器开始计时，并向外发出响应信号，Δt时刻关闭AD采集口，定时器继续计时，等待下一个t1轮询周期信号的到来，其他锚节点保持静默；

2-2，当A2锚节点接收到第一个t1轮询信号时，打开计时器计时，当计时到t-Δt时刻打开AD采集口，准备接受t2轮询周期的定位信号，接收到定位信号后做出响应，发送回波，然后在t+Δt时刻关闭AD采集口，其他锚节点保持静默；

2-3，当A3锚节点接收到第一个t1轮询信号时，打开计时器计时，当计时到2*t-Δt时打开AD采集口，准备接受t3轮询周期的定位信号，接收到定位信号后做出响应，发送回波，然后在2*t+Δt时刻关闭AD采集口，其他锚节点保持静默。

7.根据权利要求4所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位方法，其特征在于：步骤3中，当A1锚节点的响应信号被定位目标的应答器接收到时，定位目标根据发送定位信号与接收到响应信号的时间差，记为t₁，将结合声波在水下的传播速度v，计算出定位目标与A1锚节点的斜距

以此类推，定位目标在一个定位周期内将得到与三个锚节点的斜距，分别为D₁、D₂、D₃。

8.根据权利要求4所述的一种基于广播轮询的非时间同步水下定位方法，其特征在于：步骤4中，根据已知的三个锚节点的位置坐标以及测量得到的定位目标与三个锚节点的斜距，列出位置解算方程组：

(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=D12(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=D22(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=D32]]>

根据最小二乘法即可计算得到定位目标的相对位置坐标O(x，y，z)。