[发明专利]一种水下节点分布式定位系统及方法

说明书

本发明公开了一种水下节点分布式定位系统及方法。本发明的分布式定位系统包括：海面信标节点、海底信标节点、水下节点、船基控制中心、岸基数据控制中心。定位方法包括：海面信标节点实时校准自身位置和时钟，将自身信标信息组合成定位报文并广播；当海底信标节点接收到海面信标节点的定位报文时，估计定位报文到达时刻，并在定位报文中添加自身序号、位置、报文到达时刻和发送时刻后转发定位报文，水下节点接收到海面信标节点和海底信标节点的定位报文后，利用定位报文的内容和到达时刻，解算当前时刻的位置。本发明实现了在异步环境中，海面信标节点数量不足的情况下，水下节点的分布式无源定位，解算方法采用线性方程，计算复杂度底。

技术领域

本发明属于水下定位技术领域，涉及一种水下节点分布式定位系统及方法，具体是采用全球卫星定位导航系统实现海面信标节点的定位，基于船基控制中心实现海底信标节点的定位，基于海面和海底信标节点的定位信号实现水下节点分布式无源定位的方法与系统。

背景技术

近年来，水声传感网络在海洋资源探索、环境检测、水下导航等海洋应用领域中具有巨大的应用前景，被广泛应用于各种民事和军事场景。水声传感网络由各种水下传感器、水下航行器、海面节点、岸基控制中心等组成，其被部署在指定的海域中执行特定的任务。水声传感网络中各节点(包括水下传感器、水下航行器、海面节点等)通过声信号进行信息交互。当节点收集或获取到各种信息时，需要相应的位置信息来匹配。因此，在水声传感网络中，各节点的位置信息成为不可或缺的数据之一。

全球定位系统作为陆地上应用最广泛的定位系统，由于射频无线信号在水下受到严重的衰落，无法满足水声传感网络中的定位要求。考虑声信号在水中能够透明传输，在水声传感网络中通常用声信号实现水下定位。与射频无线信号比较，声信号通信衰落小，满足水下远距离传输，但是存在链路质量差、信道时变、信号传播速度慢(约1500m/s)且时变等问题，另外，节点的运动性会带来多普勒频移。因此，水下节点定位是水声传感网络中的一大挑战。

一方面，水下节点定位可以分成集中式和分布式。集中式的水下定位主要通过一个汇聚节点估计待定位节点的位置，除非汇聚节点转发位置给待定位节点，否则待定位节点自身无法估计位置。分布式的水下定位中，水下待定位节点可以各自估计自身的位置。另一方面，水下节点定位可以分为主动式和被动式。主动式定位中，待定位节点通过与信标节点信息交互来估计自身位置。被动定位又称无源定位，待定位节点在定位过程中一直保持缄默，通过接收信标节点的定位报文估计自身的位置。考虑到节点能耗和安全问题，分布式无源定位在水声传感网路中具有更广泛的应用场景。

目前广泛应用的水声定位系统按基线长短可分为长基线、短基线和超短基线。其中，现有的长基线定位系统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；短基线水声定位系统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；超短基线水声定位系统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系统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系统，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。惯性导航系统与卫星定位导航系统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。