[发明专利]水下导航

说明书

一种水下导航系统，该水下导航系统包括：用于发射电磁信号的发射器(12)；用于接收来自发射器的电磁信号的接收器(14)；以及用于使用接收到的电磁信号来确定所述接收器相对于所述发射器的位置的确定装置。系统确定装置能够使用在三个或多个接收器位置处的场强通过以下方式来确定传播方向：通过比较在每个天线处接收到的场强来确定传播方向，或者通过比较在三个或多个不同接收器位置处接收到的场强来确定传播方向。

技术领域

本发明涉及一种水下导航系统。特别地，本发明涉及使用水下电磁传播来确定接收器相对于节点或节点的分布式组件的位置。

背景技术

水下导航通常使用惯性导航或声学节点来完成。噪声和来自许多声源的干扰会降低声学系统的性能。声学系统还会受到多径效应的影响，在某些环境中几乎无法使用。惯性导航系统复杂、庞大、成本高，随着时间的推移会累计不准确性，并且需要知晓初始参考点。

US6,865,139描述了使用电磁传输的海底导航系统。该海底导航系统具有位于海底结构上的已知位置的多个天线。每个天线都是电耦合的并且包括阴极保护阳极。由天线发射的信号被海底航行器上的检测装置所使用，以允许该航行器相对于海底结构进行导航。检测装置使用所发射信号的电场的测量来确定航行器的位置。US6,865,139使用的系统的问题在于，由电耦合的天线发射的信号经受高近场衰减并且接收天线的效率低。这减小了位置能够被确定的范围，并限制了系统的适用性。此外，很少提供关于究竟如何使用电场的测量来确定位置的信息。

US8,315,560描述了一种导航系统，该导航系统在多个节点提供传输信号的情况下使用电磁传输，进而能够对多个信号进行交叉参考，以确定例如自主式水下航行器AUV通过的位置。然而，该系统依赖于AUV在给定时间处于多个节点的范围内。

高质量的INS价格昂贵，并且不经校正就无法适应许多的运转天数。声学中继器会产生以下问题：足迹容易被发现，并且在两次电池更换之间不能运行超过1-2年。被动声纳装置需要使用可检测的声纳。此外，被动装置不能支持双向数据传输。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种水下导航系统，该水下导航系统包括：用于发射电磁信号的发射器、用于接收来自发射器的电磁信号的接收器、以及用于使用接收到的电磁信号来确定接收器相对于发射器的位置的装置。

在远场电磁传播中，电场和磁场之间的关系由传输介质的特征阻抗决定。电耦合天线发射一个主要电场，该电场在被称为近场的区域中转变为特征阻抗。

水下衰减主要由于传导对电场的影响造成。由于电耦合天线会产生较高的电场分量，因此在近场中，辐射信号会经受较高的衰减。相同的性能问题也适用于接收天线。磁耦合天线不会受到这些问题的影响，因此在水下磁耦合天线比电耦合天线更有效率。

使用电绝缘天线提供了进一步的优点。这是因为对于非绝缘的电耦合天线，在该天线与耗散性的水之间存在直接传导路径。这甚至会导致在电磁信号被发射之前，信号沿天线传播时被损耗。而提供绝缘天线可减少这种影响。

用于确定接收器位置的装置能够用于确定发射器与接收器的距离和/或接收器相对于发射器的方向。这些距离和方向能够使用接收器处的信号强度和/或接收器处的信号传播方向和/或信号在发射器与接收器之间传播所花费的时间来确定。

场强能够被用来基于针对给定发射器功率和传播特性的接收信号的强度来确定接近度。为此，提供了用于测量所接收信号的强度或幅值的装置。

对于大多数的应用，能够基于水下环境的典型物理模型来计算接收器到发射器的距离。能够通过比较导航站内已知相对位置的多个天线之间的信号强度来测量衰减，来改进该模型。