一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法
【专利摘要】一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法，涉及高精度水下距离估计和定位技术。本发明是为了解决现有水下距离估计方法计时精度低、误差大的问题。本发明所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法，采用基于时间戳的精密计时装置及方法，考虑并消除了节点处理数据包所用的时间产生的误差，达到了声呐信号传输时间精密计时的目的；同时，基于时间戳的精密计时装置及方法，采用介质访问层的时间戳技术，在高频率、高精度时钟信号的驱动下，捕捉测距时往返传输的声呐信号，获得准确度较高的传输计时，能够达到纳秒级的计时精度，为精密的距离估计奠定技术基础。本发明适用于水下的高精度测距和定位。
【专利说明】
一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高精度水下距离估计和定位技术。
【背景技术】
[0002]高精度的水下定位技术为诸多海洋应用提供重要位置信息，而水下定位的精度很大程度上取决于距离估计的精度。而目前的距离估计方法分为同步估计的方法或者异步估计方法；同步方法中要求收、发节点之间具有高精度的时间同步，其实现的成本和难度都很大。而目前异步的估计方法忽略了节点处理通信数据包的时间，因此计时精度较低，从而导致距离估计误差较大。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有水下距离异步估计方法计时精度低、误差大的问题，现提供一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统与方法。
[0004]一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，它包括以下单元:
[0005]发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点的单元；
[0006]发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl的单元；
[0007]接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1的单元；
[0008]接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包的单元；
[0009]接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；
[0010]接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2的单元；
[0011]发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3的单元；
[0012]接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；
[0013]发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d的单元；
[0014]所述基于时间戳的精密计时装置包括:
[0015]微控制器和FPGA，所述微控制器与FPGA之间通过MII接口连接，所述的微控制器包括声呐传输物理层、介质访问层、网络层、传输层和应用层，所述声呐传输物理层与介质访问层之间设置有MII接口，所述的FPGA内嵌入有固件实现的配置&控制模块、信号捕捉单元、精密计时单元和高频率时钟源；
[0016]所述的声呐传输物理层:用于发送或接收声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元；
[0017]应用层:用于向配置&控制模块发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对信号捕捉单元和精密计时单元进行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模块发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度；
[0018]高频率时钟源:用于为信号捕捉单元和精密计时单元持续提供IGHz或更高频率的时钟信号；
[0019]信号捕捉单元:用于在时钟信号的驱动下，捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元发送捕捉指示信号；
[0020]精密计时单元:用于在时钟信号的驱动下，进行计时，并在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块；
[0021]配置&控制模块:用于将接收到的时间戳信息发送给应用层。
[0022]一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法，所述方法包括以下步骤:
[0023]步骤一:发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点；
[0024]步骤二:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl ；
[0025]步骤三:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1 ；
[0026]步骤四:接收节点判断所接受到的信号是否为“距离估计请求”数据包，若是，则执行步骤五，否则返回步骤一；
[0027]步骤五:接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点；
[0028]步骤六:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2;
[0029]步骤七:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3;
[0030]步骤八:接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点；
[0031]步骤九:发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d ；
[0032]所述基于时间戳的精密计时方法包括以下步骤:
[0033]配置命令和控制信息发送步骤:微控制器的应用层向FPGA配置&控制模块发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对FPGA的信号捕捉单元和精密计时单元进行初始化、清零和使能操作；
[0034]时钟信号发送步骤:FPGA高频率时钟源持续向信号捕捉单元和精密计时单元发送GHz或更高频率的时钟信号；
[0035]声呐信号接收/发送步骤:微控制器的声呐传输物理层接收或发送声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元；
[0036]声呐信号捕捉步骤:在时钟信号的驱动下，信号捕捉单元捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元发送捕捉指示信号；
[0037]时间戳生成步骤:在时钟信号的驱动下，精密计时单元在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块；
[0038]时间戳信息发送步骤:配置&控制模块将接收到的时间戳信息发送给应用层；
[0039]时间长度计算步骤:应用层接收配置&控制模块发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对两个不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度。
[0040]本发明所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统及方法，采用基于时间戳的精密计时装置及方法，考虑并消除了节点处理数据包所用的时间产生的误差，达到了声呐信号传输时间精密静态距离估计的目的，实现了 10~ (-6)m的静态距离估计精度；同时，基于时间戳的精密计时装置及方法，采用介质访问层的时间戳技术，在高频率、高精度时钟信号的驱动下，捕捉测距时往返传输的声呐信号，获得准确度较高的传输计时，能够达到纳秒级的计时精度，为精密的距离估计奠定技术基础。
[0041]本发明所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统与方法，适用于水下的高精度测距和定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1为一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计过程示意图；
[0043]图2为一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法的流程图；
[0044]图3为【具体实施方式】一所述的基于时间戳的精密计时装置的原理示意图；
[0045]图4为【具体实施方式】八所述的基于时间戳的精密计时方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046]【具体实施方式】一:参照图1和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，它包括以下单元:
[0047]发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点的单元；
[0048]发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl的单元；
[0049]接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1的单元；
[0050]接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包的单元；
[0051]接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；
[0052]接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2的单元；
[0053]发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3的单元；
[0054]接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元；
[0055]发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d的单元；
[0056]所述基于时间戳的精密计时装置包括:
[0057]微控制器I和FPGA2，所述微控制器I与FPGA2之间通过MII接口连接，所述的微控制器I包括声呐传输物理层1-1、介质访问层1-2、网络层1-3、传输层1-4和应用层1-5,所述声呐传输物理层1-1与介质访问层1-2之间设置有MII接口，所述的FPGA2内嵌入有固件实现的配置&控制模块2-1、信号捕捉单元2-2、精密计时单元2-3和高频率时钟源2-4 ；
[0058]所述的声呐传输物理层1-1:用于发送或接收声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元2-2 ；
[0059]应用层1-5:用于向配置&控制模块2-1发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对信号捕捉单元2-2和精密计时单元2-3进行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模块2-1发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度；
[0060]高频率时钟源2-4:用于为信号捕捉单元2-2和精密计时单元2-3持续提供IGHz或更高频率的时钟信号；
[0061]信号捕捉单元2-2:用于在时钟信号的驱动下，捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元2-3发送捕捉指示信号；
[0062]精密计时单元2-3:用于在时钟信号的驱动下，进行计时，并在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制丰旲块2-1 ；
[0063]配置&控制模块2-1:用于将接收到的时间戳信息发送给应用层1-5。
[0064]本实施方式中，采用基于时间戳的精密计时装置，考虑并消除了节点处理数据包所用的时间，达到了声呐信号传输时间精密计时的目的，实现了 10~_6m的静态距离估计精度。
[0065]本实施方式中，所述的基于时间戳的精密计时装置中，微控制器I实现水下声呐通信所需的协议栈，包括声呐传输物理层1-1、介质访问层1-2、网络层1-3、传输层1-4和应用层1-5，其中声呐传输物理层1-1即为换能器，能够将电信号转化为声呐信号。FPGA2实现对传输信号的捕获和精密计时，FPGA2主要包括配置&控制模块2-1、信号捕捉单元2-2、精密计时单元2-3和高频率时钟源2-4。其中，高频率时钟源2-4为信号捕捉单元2-2和精密计时单元2-3提供GHz甚至更高频率的时钟信号；信号捕捉单元2-2在时钟信号的驱动下，对声呐传输物理层1-1的声呐信号的发射和接收事件进行捕获，并提供捕获指示信号给精密计时单元2-3 ;精密计时单元2-3在时钟信号驱动下进行计时，并在来自信号捕捉单元2-2、提供的捕获指示信号的驱动下，得到与捕获时间对应的时间戳信息，并将该时间戳信息提供给配置&控制模块2-1 ;精密计时单元2-3是由64位计数器实现的，在IGHz或者更高频率的时钟信号驱动下进行计数，实现高精度计时；配置&控制模块2-1主要实现接收来自微控制器I中的应用程序的配置和控制命令，并将精密时间戳信息提供给微控制器I中的应用程序，应用程序根据实际需要对不同时间戳进行相差运算，得到不同声呐信号间的时间长度。
[0066]采用介质访问层的时间戳技术，在高频率、高精度时钟信号的驱动下，捕捉测距时往返传输的声呐信号，获得准确度较高的传输计时，能够达到纳秒级的计时精度，为水下精密距离估计奠定技术基础。
[0067]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，利用下式获得发送节点和接收节点间的距离d:
[0068]d = V* [ (T3-T0) - (T2-T1) ] /2。
[0069]本实施方式中，所述(T2-T1)为接收节点处理数据包的时间，则整个声呐传输的时间为:[(T3-Ttl)-(T2-T1)L
[0070]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，水下声呐的传输速度V为 1531m/s。
[0071]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用单片机实现。
[0072]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用ARM实现。
[0073]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用ARM9实现。
[0074]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统作进一步说明，本实施方式中，所述的FPGA2采用XC7Z030 实现。
[0075]【具体实施方式】八:参照图2和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法，所述方法包括以下步骤:
[0076]步骤一:发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点；
[0077]步骤二:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl ；
[0078]步骤三:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1 ；
[0079]步骤四:接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包，若是，则执行步骤五，否则返回步骤一；
[0080]步骤五:接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点；
[0081]步骤六:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2;
[0082]步骤七:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3;
[0083]步骤八:接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点；
[0084]步骤九:发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d ；
[0085]所述基于时间戳的精密计时方法包括以下步骤:
[0086]配置命令和控制信息发送步骤:微控制器I的应用层1-5向FPGA2配置&控制模块2-1发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对FPGA2的信号捕捉单元2-2和精密计时单元2-3进行初始化、清零和使能操作；
[0087]时钟信号发送步骤:FPGA2高频率时钟源2_4持续向信号捕捉单元2_2和精密计时单元2-3发送GHz或更高频率的时钟信号；
[0088]声呐信号接收/发送步骤:微控制器I的声呐传输物理层1-1接收或发送声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元2-2 ；
[0089]声呐信号捕捉步骤:在时钟信号的驱动下，信号捕捉单元2-2捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元2-3发送捕捉指示信号；
[0090]时间戳生成步骤:在时钟信号的驱动下，精密计时单元2-3在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制丰旲块2-1 ；
[0091]时间戳信息发送步骤:配置&控制模块2-1将接收到的时间戳信息发送给应用层1-5 ；
[0092]时间长度计算步骤:应用层1-5接收配置&控制模块2-1发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对两个不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度。
[0093]本实施方式中，采用基于时间戳的精密计时方法，考虑并消除了节点处理数据包所用的时间，达到了声呐信号传输时间精密计时的目的，实现了 10~_6m的静态距离估计精度。
[0094]微控制器I中的应用程序初始化成功后，给FPGA2中的配置&控制模块2_1发送配置命令和控制信息。当声呐传输物理层1-1发送或者接收声呐信号时，在介质访问层1-2和网络层1-3之间的MII接口媒体独立接口会有电信号产生，FPGA2中的信号捕捉单元2_2会及时捕捉到MII接口信号的起始位，并将捕捉指示信号传输给精密计时单元2-3 ;精密计时单元2-3收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存，形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块2-1 ;配置&控制模块2-1收到时间戳信息后，将其转发给微控制器I中的应用程序；微控制器I的应用程序接收到时间戳信息，将其进行存储和索弓丨，并根据需要，对不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度。
[0095]所述的基于时间戳的精密计时方法采用介质访问层的时间戳技术，在高频率、高精度时钟信号的驱动下，捕捉测距时往返传输的声呐信号，获得纳秒级的传输计时，为精密的距离估计奠定技术基础。
[0096]【具体实施方式】九:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，步骤九所述获得发送节点和接收节点间的距离d的方法如下式所示:
[0097]d = V* [ (T3-T0) - (T2-T1) ] /2。
[0098]本实施方式中，所述(T2-T1)为接收节点处理数据包的时间，则整个声呐传输的时间为:[(T3-Ttl)-(T2-T1)L
[0099]【具体实施方式】十:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，水下声呐的传输速度V为 1531m/s。
[0100]【具体实施方式】^:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用单片机实现。
[0101]【具体实施方式】十二:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用ARM实现。
[0102]【具体实施方式】十三:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，所述的微控制器I采用ARM9实现。
[0103]【具体实施方式】十四:本实施方式是对【具体实施方式】八所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法作进一步说明，本实施方式中，所述的FPGA2采用XC7Z030 实现。
【权利要求】
1.一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，它包括以下装置: 发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点的单元； 发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl的单元； 接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1的单元； 接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包的单元； 接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元； 接收节点利用基于时间戳的精密计时装置采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2的单元； 发送节点利用基于时间戳的精密计时装置采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3的单元； 接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点的单元； 发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d的单元； 所述基于时间戳的精密计时装置包括: 微控制器(I)和FPGA (2)，所述微控制器(I)与FPGA (2)之间通过MII接口连接，所述的微控制器(I)包括声呐传输物理层(1-1)、介质访问层(1-2)、网络层(1-3)、传输层(1-4)和应用层(1-5)，所述声呐传输物理层(1-1)与介质访问层(1-2)之间设置有MII接口，所述的FPGA (2)内嵌入有固件实现的配置&控制模块(2-1)、信号捕捉单元(2-2)、精密计时单元(2-3)和高频率时钟源(2-4)； 所述的声呐传输物理层(1-1):用于发送或接收声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元(2-2)； 应用层(1-5):用于向配置&控制模块(2-1)发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对信号捕捉单元(2-2)和精密计时单元(2-3)进行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模块(2-1)发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度； 高频率时钟源(2-4):用于为信号捕捉单元(2-2)和精密计时单元(2-3)持续提供IGHz或更高频率的时钟信号； 信号捕捉单元(2-2):用于在时钟信号的驱动下，捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元(2-3)发送捕捉指示信号； 精密计时单元(2-3):用于在时钟信号的驱动下，进行计时，并在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块(2-1)； 配置&控制模块(2-1):用于将接收到的时间戳信息发送给应用层(1-5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，利用下式获得发送节点和接收节点间的距离d: d = V* [(T3-T0)-(T2-T1)]/2。
3.根据权利要求2所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，水下声呐的传输速度V为1531m/s。
4.根据权利要求1所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，所述的微控制器(I)采用单片机实现。
5.根据权利要求1所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，所述的微控制器(I)采用ARM实现。
6.根据权利要求1所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，所述的微控制器(I)采用ARM9实现。
7.根据权利要求1所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计系统，其特征在于，所述的FPGA(2)采用XC7Z030实现。
8.一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤一:发送节点将“距离估计请求”数据包以声呐信号的形式发送至接收节点；步骤二:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点发送“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息Ttl; 步骤三:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点接收“距离估计请求”数据包的时间数据戳信息T1; 步骤四:接收节点判断所接收到的信号是否为“距离估计请求”数据包，若是，则执行步骤五，否则返回步骤一； 步骤五:接收节点将含有时间数据戳信息T1的“回复”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点； 步骤六:接收节点利用基于时间戳的精密计时方法采集接收节点发送“回复”数据包的时间数据戳信息T2 ； 步骤七:发送节点利用基于时间戳的精密计时方法采集发送节点接收“回复”数据包的时间数据戳信息T3 ； 步骤八:接收节点将含有时间数据戳信息T2的“跟随”数据包以声呐信号的形式发送至发送节点； 步骤九:发送节点利用时间数据戳信息Ttl、时间数据戳信息T1、时间数据戳信息T2、时间数据戳信息T3和水下声呐的传输速度V，获得发送节点和接收节点间的距离d ； 所述基于时间戳的精密计时方法包括以下步骤: 配置命令和控制信息发送步骤:微控制器⑴的应用层(1-5)向FPGA⑵配置&控制模块(2-1)发送配置命令和控制信息，该配置命令和控制信息用于对FPGA(2)的信号捕捉单元(2-2)和精密计时单元(2-3)进行初始化、清零和使能操作； 时钟信号发送步骤=FPGA (2)高频率时钟源(2-4)持续向信号捕捉单元(2-2)和精密计时单元(2-3)发送GHz或更高频率的时钟信号； 声呐信号接收/发送步骤:微控制器(I)的声呐传输物理层(ι-1)接收或发送声呐信号，并将该声呐信号对应的电信号通过MII接口发送给信号捕捉单元(2-2)； 声呐信号捕捉步骤:在时钟信号的驱动下，信号捕捉单元(2-2)捕捉MII接口发来的信号的起始位，并向精密计时单元(2-3)发送捕捉指示信号； 时间戳生成步骤:在时钟信号的驱动下，精密计时单元(2-3)在接收到捕捉指示信号后，将当前精密计时的结果暂存并形成时间戳信息，并将该时间戳信息发送给配置&控制模块(2-1)； 时间戳信息发送步骤:配置&控制模块(2-1)将接收到的时间戳信息发送给应用层(1-5)； 时间长度计算步骤:应用层(1-5)接收配置&控制模块(2-1)发来的时间戳信息，并对该时间戳信息进行存储和索引，对两个不同的时间戳进行相减运算，以得到两个时间戳之间的时间长度。
9.根据权利要求8所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法，其特征在于，步骤九所述获得发送节点和接收节点间的距离d的方法如下式所示:
d = V* [(T3-T0)-(T2-T1)]/2。
10.根据权利要求9所述的一种基于水下声呐信号传输的异步精密静态距离估计方法，其特征在于，水下声呐的传输速度V为1531m/s。
【文档编号】G01S15/08GK104181538SQ201410418626
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】罗清华, 王少军, 彭喜元, 彭宇, 宋佳, 张玉杰 申请人:哈尔滨工业大学