确定水下节点的位置的制作方法

确定水下节点的位置的制作方法
【专利摘要】一种确定水下节点的位置的方法，确定三个或者三个以上发射器的位置。每个发射器发射至少4个脉冲，其中，每个脉冲和该脉冲的前一个脉冲之间的时间差与所述各自的发射器的位置坐标成比例。通过测量脉冲间的时延，在该水下节点接收所述脉冲并对所述脉冲进行解码，进而确定发射器的坐标。确定每个发射器相对于所述水下节点的距离。最后，根据所述的坐标和距离，确定水下节点的位置。由于时延与坐标值之间的比例关系，在脉冲之间的时延的测量过程中，任何误差仅转化为在所述确定的位置的小误差。因此，如果信噪比逐渐减小，那么，位置估计的精度也逐渐降低。而且，采用脉冲位置调制使得编码和解码计算开销降低。
【专利说明】确定水下节点的位置

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于确定一个或多个水下节点的位置的方法和设备。

【背景技术】
[0002]U5119341描述了已知的用于确定水下节点的位置的方法和设备。多个浮标根据全球定位系统(GPS)导航卫星确定所述多个浮标的位置，且发射声学的水下数据信息，该数据信息包含所述位置。水下航行器接收该信息，并根据此信息确定其位置。通过扩频编码使所有浮标使用单一信标载波频率。可选的，可以为每个浮标分配单独的和本地唯一的信标载波频率。


【发明内容】

[0003]本发明的第一方面提供了一种确定水下节点的位置的方法，所述方法包括:
[0004]a)确定三个或者三个以上发射器的位置；
[0005]b)从每个发射器发射至少4个脉冲，其中，每个脉冲和该脉冲的前一个脉冲之间的时间差与各自的发射器的位置坐标成比例；
[0006]c)在水下节点接收脉冲；
[0007]d)通过测量脉冲间的时延，对水下节点接收的脉冲进行解码，进而确定所述发射器的坐标；
[0008]e)确定每个发射器相对于水下节点的距离；
[0009]f)根据步骤d)中确定的坐标和步骤e)中确定的距离，通过例如多边定位法确定水下节点的位置。
[0010]本发明的另一方面提供了一种确定水下节点位置的设备，所述设备包括:三个或三个以上发射器，每个发射器包括:用于确定发射器位置的装置；和用于使发射器发射至少4个脉冲的处理器，其中，每个脉冲和该脉冲的前一个脉冲之间的时间差与所述各自的发射器的位置坐标成比例；且节点包括:用于接收所述脉冲的接收器；以及处理器，所述处理器通过测量脉冲间的时延，对水下节点接收的脉冲进行解码，进而确定发射器的坐标；处理节点接收的脉冲以确定所述发射器相对于所述节点的距离；以及根据所述发射器的位置和距离，确定所述节点的位置。
[0011]本发明通过脉冲位置调制，对发射器的位置进行编码，其中，每个脉冲和该脉冲的前一个脉冲之间的时间差与所述各自的发射器的位置坐标成比例。由于时延与坐标值之间的比例关系，在脉冲之间的时延的测量过程中的任何误差仅转化为所述确定的位置中的小误差。因此，如果信噪比逐渐减小，那么，位置估计的精度也逐渐降低。而且，采用脉冲位置调制使得编码和解码计算开销降低。
[0012]所述节点可能是静止的。然而，优选的，所述方法进一步包括:确定所述节点的速度，其中，根据所述确定的节点的速度，确定所述水下节点的位置。这使得该方法需要考虑到如下事实，即在接收到第一脉冲和最后一个脉冲之间，该水下节点可能已经移动了，因此，步骤f)能够例如在接收到其中一个脉冲(例如，第一脉冲或者最后一个脉冲)的时候，
确定该位置。
[0013]通常的，在步骤e)中，通过测量至少一个脉冲(例如，第一个脉冲)从所述发射器传输到所述水下节点的时间，确定所述每个发射器的距离；例如，可以通过检测脉冲到达时间和确定所述脉冲到达时间和已知的脉冲传输时间的时间差进行确定。
[0014]优选的，根据公式c = kt，其中，k是比例系数，每个脉冲和该脉冲的前一个脉冲之间的时间差Δ t正比于该各自的发射器节点的位置坐标(c) (co-ordinate (c))。
[0015]优选的，来自每个发射器的至少第二脉冲，第三脉冲和第四脉冲是线性调频信号(chirp)，所述线性调频信号在所述脉冲开始的第一频率和在脉冲结束的第二频率之间是单调变化。所述频率或周期可以以恒定的速率变化或非恒定的速率变化。
[0016]可选的，根据预设功能，至少所述第二脉冲，第三脉冲和第四脉冲的频率随着时间变化，该变化可能是也可能不是单调的变化
[0017]该发射器发射的脉冲可以是时分多路复用的，但是，更优选的，来自发射器的脉冲具有不同的频率或编码，且根据他们的编码或者频率，在水下节点被解复用。通常的，从发射器发射的脉冲占据非重叠频带，其中，所述非重叠频带优选的是非相邻的频带。
[0018]该方法可以仅通过单个节点执行，但更通常它是由两个或更多个节点，最优选的是大于10个并且可能100个或更多个节点同时执行。
[0019]在步骤d)，可以通过直接测量相对的到达时间，测量脉冲间的时延。然而，更优选的，在步骤d)中，还可以通过下列方式测量脉冲间的时延:根据所述接收的脉冲生成信号；将该信号与脉冲函数进行互相关，以生成互相关信号；测量在所述互相关信号中的峰值之间的时延。
[0020]优选的，向所述互相关信号施加随时间变化的增益，直到检测到所述第一峰值；然后，检测在那个点的增益值；且所述检测到的增益值被施加到所述互相关信号的后续部分上。
[0021]这些节点可以是传感器，例如地震传感器，或者，需要精确地知道它的位置的任何其他节点。
[0022]该脉冲可以是声脉冲或电磁脉冲。

【专利附图】

【附图说明】
[0023]本发明实施例将参照所附的附图进行描述，其中:
[0024]图1示出了水下通信系统；
[0025]图2示出了位置序列的编码方法；
[0026]图3示出了测量空间；
[0027]图4示出了 X轴方向为时间维度和Y轴方向为频率维度的脉冲序列；
[0028]图5示出在不同的频带内的三个同步脉冲序列；
[0029]图6示出了单个脉冲序列，其中，所述脉冲处于不同的频带内；
[0030]图7示出对所述接收的信号进行解码以确定所述浮标的位置的方法；
[0031]图8示出了所述接收的信号和从所述接收的信号获取的互相关数据；
[0032]图9示出了具有采样点的模拟信号；
[0033]图10示出了根据所述浮标的距离和位置，确定水下航行器的位置的方法。

【具体实施方式】
[0034]图1示出了水下通信系统。在水域表面部署3个发射器浮标la-lc。每个浮标都具有全球定位系统(GPS)天线2，处理器3和声学天线4。
[0035]该GPS天线2接收来自于GPS卫星11和来自于水面舰船13上的差分GPS (DGPS)参考站12的数据信号10。该处理器处理GPS数据信号10以采用已知的方式确定浮标1的位置。
[0036]图2示出了说明处理器3执行的方法步骤的示意图。首先，以GPS坐标(纬度，经度和海拔高度)确定浮标la-lc的位置，并存储为位置数据20。然后，在步骤21中，该数据20变换成具有坐标原点22 (再次，以GPS坐标来定义)的局部坐标系统以生成网格位置数据23。这个过程在图3中进行了说明，其示出了原点22，以及具有交汇于该原点22的正交的X，Y和Ζ轴的立方体24。任何位于该立方体内的位置可以通过相对于原点22的三个网格坐标X，y，z进行定义。
[0037]对处理器3进行编程，以使所述声发射器4发送线性调频信号位置调制的声脉冲序列25，该脉冲序列25对图4中的浮标1的X、y、ζ位置进行编码。
[0038]在步骤26中，根据参考线性调频信号数据27和测量网格属性数据28，将网格位置数据23编码为脉冲序列25。根据参考线性调频信号数据27定义每个浮标的起始频率F1，结束频率F2和单调函数，该单调函数定义了线性调频信号的频率相对于时间如何从F1变化到F2 (例如，该频率可能会在频率F1和F2之间以恒定的速率变化)。该测量网格属性数据28定义了以米为单位的立方体24的大小(例如，4096m乘以4096m乘以4096m)，所要求的分辨率(例如，0.25m)，以及在该脉冲序列中的相邻脉冲之间的最大时间(例如，0.1S)。
[0039]在图4所示的脉冲序列25包括四个频率由低到高的线性调频信号30-33和一个频率由高至低的线性调频信号34。该频率由低到高的线性调频信号30-33具有在脉冲开始的第一低频率F1和在脉冲结束的第二高频率之间以恒定速率增加的频率。该频率由低到高的线性调频信号30-33分别开始于时间点t0，tx，ty，和tz。该频率由高到低的线性调频信号34具有在脉冲开始的第一高频率和在脉冲结束的第二低频率之间的以恒定速率降低的频率。该线性调频信号30，34用于作为脉冲序列开始的示意信号。
[0040]图4中的脉冲序列中的该线性调频信号具有以恒定频率变化的频率。在一个可供选择的脉冲序列(未示出)中，该线性调频信号可以具有以恒定速率变化的周期。
[0041]在步骤26中，根据下述方程式，每个声脉冲和该声脉冲之前的声脉冲之间的时间差(At)被直接编码为成正比于所述浮标la-lc的各自的位置的坐标(X，Y，Z):
[0042]Δ t = co-ordinate (x, y, z) x (k)
[0043]其中，K是比例系数，在这个例子中为4096/0.lm/s。换句话说:
[0044]tO-tx = X 坐标(单位为米)x(0.1/4096)
[0045]tx-ty = Y 坐标(单位为米)χ(0.1/4096)
[0046]ty-tz = Z 坐标(单位为米)χ(0.1/4096)
[0047]来自于浮标la-lc的线性调频信号为频分多路复用，如图5所示。在这个例子中，第一个浮标la发射频率从Fla到F2a的信号，第二浮标lb发射频率从Fib到F2b的信号，第三浮标lc发射从Flc到F2c的信号。该线性调频信号占据非相邻和非叠加的频段，使得Fla〈F2a〈FLb〈F2b〈FLC〈F2C。然后，根据该三个脉冲序列的频率和以下将要描述的互相关处理，在水下航行器处对该三个脉冲序列进行解多路复用。例如，频率Fla可能是10kHz的量级和频率F2c可能是15kHz的量级。
[0048]可选的，来自于每个浮标的每一个线性调频信号都可以占据不同的频带，如图6所示。在本例子中，来自浮标la的线性调频信号占据四个非相邻和非叠加的频带，其中，FlaO〈F2aO〈Flax〈F2ax〈Flay〈F2ay〈Flaz〈F2az。来自于其他两个水下航行器的线性调频信号也在他们各自的频带内具有相似的分布。然后，根据他们的频率通过互相关处理，各个线性调频信号在水下航行器处解多路复用。该处理过程引起了接收器处的脉冲压缩，这提高了脉冲到达接收器的时间分辨率。
[0049]在另一个例子中，该脉冲序列和/或各个线性调频信号可以是码分多路复用(例如，通过将正向线性调频信号与反向线性调频信号进行混合编码，或以某种其他方式进行编码，或许通过跳频进行编码)，然后根据他们的编码，在水下航行器处解多路复用。
[0050]该水下航行器40a，40b每个都具有用于接收所述声脉冲30_34的声学天线44和处理器45。该处理器45测量脉冲30-33之间的时延，从而确定浮标la_lc的坐标X，Y和Z。用于执行这些的过程如图7所示。
[0051]首先，在步骤50中，接收的声信号数据被接收和存储。图8以举例的方式示出了在41处的接收的信号数据。接下来在步骤51中，该数据与参考线性调频信号数据27进行互相关，以生成互相关信号数据52。该水下航行器40和该浮标1具有同步的时钟，以使得该水下航行器知道该浮标在时间t0发送了该第一脉冲。在步骤53，随时间变化的增益被施加到该互相关的信号，该增益相对于h以后的时间不断增加。在步骤55中，一旦检测到该互相关信号52中的第一峰值，则在步骤57中，该第一峰值时刻的增益值56将被记录下来并且施加到该互相关信号数据52的后续部分。这种随时间变化的增益说明了如下的事实，如果水下航行器离浮标较远，则所接收的信号比该水下航行器离浮标1更近的时候所接收的信号更弱并且延迟更多的时间。图8中的图42a-c显示了施加上述描述的增益的该三个浮标la-lc的互相关数据。
[0052]在步骤58中，通过检测信号超过预定的阈值的方式，确定在信号42a_c的每个信号中的四个峰。在图8中不了分别具有阈值43的信号42a_c的峰60a_c,61a_c,62a_c和63a_c。可以看出，这些峰均具有大致相等的振幅。
[0053]接下来在步骤59中，对所述互相关数据进行插值，以产生子采样峰值数据70。插值的过程在图9中进行说明。信号71示出了由水下航行器上的传感器和放大器所产生的模拟输入数据。模数转换器在图9中所示的圆点的不同点对信号71进行采样。通过在该峰的每一侧的采样数据值之间进行插值，计算该峰值72处的幅度。
[0054]返回到图7中，在步骤75中，对子采样峰值数据70进行滤波，去除回声处理(例如，图8中所示的回声76)，以及去除相对先前的峰值、一些平均峰值、或者预设的期望幅度值的范围来说太高的任何峰值。
[0055]步骤75的另一个输出是声线传输时间77，该时间给出了相对已知时间h的第一峰60a_c的接收时间，该第一脉冲由浮标la-lc在时间t0进行发射。步骤75的另一个输出是一组经过滤波的子采样峰值数据，在步骤78中，根据网格属性数据28，对该子采样峰值数据进行解码，以确定该浮标的位置79。换句话说，对该滤波后的子采样峰数据进行解码的过程如下:
[0056]tO-tx X (4096/0.1) = X 坐标(单位为米)
[0057]tx-ty X (4096/0.1) = Y 坐标(单位为米)
[0058]ty-tz X (4096/0.1) = Z 坐标(单位为米)
[0059]图10示出了每个水下航行器40a_c如何使用数据77，79以确定其位置自己的位置。在步骤80中，根据声线传输时间77，一组已存储的声速剖面数据82，以及通过水下航行器上的压力传感器测得的水下航行器深度83，使用声线跟踪算法确定径向距离81。这种声线跟踪算法80说明了事实:由于压力随着深度增加，在声波从浮标到水下航行器的传播过程中，声波不会以直线的方式传播。
[0060]现在该水下航行器具有径向距离81和所述三个浮标la-lc中每一个的位置79。在步骤84中，通过三边测量算法对数据进行分析，以计算出该水下航行器的位置86。该三边测量算法的输入是该水下航行器的速度87 (如通过能解释来自于装置(例如加速计)的数据的片上算法(on board algorithms)所测量的速度和/或根据前面的位置测量所计算的速度)。这考虑到事实，即在收到所述第一脉冲和所述最后一个脉冲之间，该水下航行器可能已经移动，因此，算法84的输出86是该水下航行器已经接收到最后一个脉冲的位置。
[0061]由于延迟时间Λ t与坐标值X，Y和Z之间的比例关系，在脉冲之间的时延Λ t的测量过程中，任何误差仅转化为在X，Y或Z坐标上的小误差。因此，如果信噪比逐渐减小，那么，位置估计的精度也逐渐降低。
[0062]采用脉冲位置调制使得编码和解码计算开销降低。
[0063]由于线性调频信号的带宽较宽(处理增益与带宽和信号的周期的积成比例)，因此利用线性调频信号可以获得高处理增益。
[0064]为了简单起见，图1只示出了两个水下航行器40a，40b，但是，为了在广泛的海底区域准确的网格部署多个地震传感器，可以提供多个这样的水下航行器(可能100或更多)。采用脉冲位置调制对声信息进行编码可以保证来自于给定的浮标1的脉冲之间有相对比较大的时间差At。该相对较大的时间差可以为由于多路径效应引起的原始脉冲的任何延迟形式提供足够的时间，以进行充分的衰减，从而不会引起其与当前脉冲的干扰。因此，与其它编码方法相比，例如，频移键控，码间干扰的可能性降低了，从而使得可以连续地发送每个码元。通过这种编码方法，在不显著地减少通讯信道的数据率的情况下，也不会增加码元传输之间的时间。
[0065]虽然本发明已经参照一个或多个优选实施例在上面进行了描述，但可以理解的是，不脱离如所附权利要求所限定的范围内，可以对本发明进行各种变更或修改。
【权利要求】
1.一种确定水下节点的位置的方法，其特征在于，该方法包括: a.确定三个或者三个以上发射器的位置； b.从每个发射器发射至少4个脉冲，其中，每个脉冲和所述脉冲的前一个脉冲之间的时间差与所述各自的发射器的位置坐标成比例； c.在水下节点接收脉冲； d.通过测量所述脉冲间的时延，对水下节点接收的所述脉冲进行解码，进而确定所述发射器的坐标； e.确定每个发射器相对于所述水下节点的距离； f.根据步骤d中确定的所述坐标和步骤e中确定的所述距离，确定每个水下节点的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括:确定所述节点的速度，其中，根据步骤d中确定的所述坐标、步骤e中确定的所述距离和所述确定的所述节点的速度，确定所述水下节点的位置。
3.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤e中，通过测量至少其中一个脉冲从所述发射器传输到所述水下节点的所用时间，确定每个发射器的距离。
4.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据公式c= kt，其中，k是比例系数，每个脉冲和所述脉冲的前一个脉冲之间的时间差At正比于所述各自的发射器节点的位置坐标(c)。
5.如前任一权利要求所述的方法，其特征在于，来自于每个发射器的至少第二脉冲，第三脉冲和第四脉冲是线性调频信号，所述线性调频信号在脉冲开始的第一频率和在脉冲结束的第二频率之间单调变化。
6.如前任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据预设功能，至少所述第二脉冲，第三脉冲和第四脉冲的频率或者周期随着时间变化。
7.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，来自所述发射器的脉冲具有不同的频率或编码，且根据所述编码或者频率，在水下节点被解多路复用。
8.如前任一权利要求所述的方法，其特征在于，来自所述发射器的脉冲占据非重叠频带。
9.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，来自所述发射器的脉冲占据非相邻的非重叠的频带。
10.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括: 在一个或者更多的水下节点接收脉冲； 通过测量脉冲间的时延，对所述更多的水下节点接收的脉冲进行解码，进而确定所述发射器的坐标； 确定每个发射器相对于所述更多的水下节点的距离； 根据所述确定的坐标和距离，确定所述更多的水下节点的位置。
11.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤d中，测量脉冲间的时延，具体通过:根据所述接收的脉冲生成信号；将所述信号与脉冲函数进行互相关，以生成互相关信号；测量在所述互相关信号中的峰值之间的时延。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括:向所述互相关信号施加随时间变化的增益，直到检测到所述第一峰值；检测在所述第一峰值的点的增益值；将所述检测到的增益值施加到所述互相关信号的后续部分。
13.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，步骤d包括:根据步骤d中确定的所述坐标和步骤e中确定的所述距离，通过多边定位方法确定所述水下节点的位置。
14.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述脉冲为声脉冲。
15.一种用于确定水下节点的位置的设备，其特征在于，该设备包括: a.三个或三个以上发射器，每个发射器包括: .1.用于确定所述发射器位置的装置； i1.用于使所述发射器发射至少4个脉冲的处理器，其中，每个脉冲和所述脉冲的前一个脉冲之间的时间差与所述各自的发射器的位置坐标成比例； b.节点包括: . 1.用于接收所述脉冲的接收器； i1.处理器，所述处理器用于通过测量脉冲间的时延，对所述水下节点接收的脉冲进行解码，进而确定所述发射器的坐标；处理所述节点接收的脉冲以确定所述发射器相对于所述节点的距离；以及根据所述发射器的位置和距离，确定所述节点的位置。
【文档编号】G01S5/30GK104272132SQ201380009759
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】哈里·乔治·丹尼斯·戈斯林, 罗曼·劳埃德·金斯兰, 阿兰·詹姆斯·霍洛韦 申请人:行走科学集团有限公司