[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

说明书

技术领域

本发明涉及水下定位领域，具体涉及一种基于广播轮询和非时间同步的水下定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着水下资源的开发力度的加大以及水下探索活动的兴起，水下定位越来越为人们所重视，而由于电磁波信号的高频特性，使得其不能在水下进行有效传播，声波成为水下定位过程中信号传输最为可行的方法。水下定位大多以测距为基础，结合位置解算得出定位目标的相对位置。从时间角度看，以测距为基础的水下定位系统主要分为两类：1)时间同步测距；2)非时间同步测距。

在测距过程中，通常利用声波在水下的传播速度结合传播时长来计算锚节点与定位目标之间的斜距。时间同步是指在测距过程中需要保持锚节点与定位目标的时序一致性，以便能够计算发射定位信号和接收回波信号之间的时间差。现有的时间同步的实现是以实现水声通信为基础，通过在水声通信信号中打上时间戳来完成时间同步，然而，目前水声通信并不能在水下真正的实现，而且由于水下环境的复杂性，水声信道极易受到干扰，其通信的可靠性很不稳定。

非时间同步测距是指在测量锚节点与定位目标之间的斜距时，不需要将二者的时序进行同步，而是通过多次交叉测量并作差的方式，得出锚节点与定位目标之间的斜距。除此之外，为了能够缩短定位周期，在非时间同步的定位系统中，往往需要应答器能够工作在多个频段，目前多波束换能器的工艺并不能实现多频段之间的相互不产生干扰的理想状况，因此，这也给非时间同步定位系统带来了不确定的影响。

中国专利申请号CN200910039154的发明专利公开了一种水下定位系统及方法，可以实现水下目标的定位。该方法的局限性体现在需要通过时间戳来进行时间同步，在时间同步的过程中需要利用水声进行信息传输，而水声信道的复杂性无法保证实现稳定通信。中国专利申请号CN201410073287的发明专利公开了一种水下定位导航系统和方法。该发明同样需要对锚节点的时间进行同步。除此之外，还需要进行伪随机扩频，这种使用多种频率的声波在水下进行水声通信的定位方式，对换能器提出了更高的要求，受到的干扰也更为严重。

发明内容

本发明目的在于提供一种完成非时间同步的水下目标定位任务的基于广播轮询的非时间同步水下定位系统及方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明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保持中心频率一致；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。

进一步的，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。

进一步的，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，避免外界干扰对水下定位系统的可靠性产生影响。

本发明所述定位方法，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。

进一步的，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。

进一步的，所述方法的步骤2中：