一种多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法与流程

本发明属于水声工程领域，涉及一种基于多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法。

背景技术：

水声超短基线系统是一种常见的水声定位技术，与其它基线相比，超短基线定位系统基线基阵尺寸小，易于安装，轻便灵活，操作方便等优点。传统的水声超短基线系统只支持单一用户或者多个窄带用户的同时定位跟踪，且当进行多用户同时定位跟踪时，用户之间的干扰是多用户数量受限的主要原因。在解决填海造地、水运交通时的铺排作业过程中，一般采用超短基线和长基线组合导航的技术，一方面指导铺排施工，另一方面对完成的排体进行高精度水下定位检测，此时需要对个水声应答器的高精度定位信息，因此水声超短基线系统要满足多个宽带用户的精确定位跟踪需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种多用户水声超短基线定位系统，包含声头和水声应答器，所述水声应答器包含入水检测电路模块、收发合置换能器模块、mcu模块、dsp模块、发射电路模块、接收电路模块、压力传感器模块、电源模块；

入水检测电路模块，用于检测水声应答器是否入水，入水即给系统供电，离开水即断电；

收发合置换能器模块，用于接收声头发射的声信号，并发射定位信号给声头；

mcu模块，与dsp模块连接，用于检测声头发射的唤醒信号，以及控制dsp模块的工作；

dsp模块，接受mcu模块的控制，用于解算声头发射的定位信号；

发射电路模块，用于对应答声信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；

接收电路模块，用于对收发合置换能器接收的声信号进行功率放大、滤波处理和模数转换；

压力传感器模块，用于检测水声应答器的入水深度；

电源模块，用于负责整个水声应答器的电源供给；

所述声头包含换能器基阵模块、接收电路模块、发射电路模块、fpga模块、arm模块、甲板处理单元模块、声基阵位置和姿态校正模块；

换能器基阵模块，用于发射声信号给水声应答器，并接收水声应答器发射的定位信号；

接收电路模块，用于对水声应答器发射的定位信号进行前期预处理；

发射电路模块，用于对发射声信号进行前期预处理；

fpga模块，用于接收电路模块之后的数据采集，并驱动dac模块和同步声学数据、姿态数据、gps数据；

arm模块，用于与上位机通信；

甲板处理单元模块，用于处理声学数据，并发送控制命令；

声基阵位置和姿态校正模块，用于提供声头的精确位置和姿态信息；

一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法，具体包含如下步骤：

步骤1，构造gmw序列；

步骤2，根据gmw序列构造低相关序列集；

步骤3，进行boc调制。

作为本发明一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，gmw序列如下：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，是从扩域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函数，i是不为1的陪集首，且0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1。

作为本发明一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，所述步骤2具体步骤如下：

同一本原产生的两个gmw序列，定义如下：

若m、n、r1、r2为整数，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元，则两个gmw序列定义为：

其中，x、y/{xi}、{yi}是两个gmw序列，r1、r2属于陪集，α∈gf(pⁿ)且是本原元。互相关函数定义为：

其中，rx,y(τ)是互相关函数，rx',y'(τ/t)是m序列的互相关函数，x',y'是m序列，t是序列长度，τ是序列相位。且有：

其中，x'、y'/{xi'}、{yi'}是m序列，t是序列长度，α∈gf(pⁿ)且是本原元，r1、r2属于陪集。

由同一本原元产生的gmw序列具有良好的互相关特性，满足低相关序列要求，但是由同一本原元生成的序列数量有限；

构造二元低相关序列集，具体步骤如下：

步骤2.1，同一本原元产生的两个gmw序列如下：

其中，a、b是gmw序列，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分别对应着gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

其中，a'、b'/{ai'}、{bi'}是m序列，t是序列长度，r、s属于陪集。

步骤2.2，计算m序列a'和b'的互相关函数，若有m-1个时延满足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

其中，ra',b'(l)是m序列a'和b'的互相关函数，l是m序列的不同相位。

步骤2.3，基于gmw序列a、b构成的复合序列集是：

其中，a是复合序列集，s是左移算子，a、b是两个gmw序列，t是序列长度，在序列集中任意两个序列的互相关函数满足：

其中，rx,y(τ)是复合序列集其中任两个序列的互相关函数，rx',y'(τ/t)是构成复合序列集的两个gmw序列的互相关函数，t是序列长度，τ是序列相位。此时，构造出了序列数目是m，低相关值等于-1，低相关区长度等于t的一个lcz序列集a。

作为本发明一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，所述步骤3具体如下：

在bpsk调制基础上，进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制就是boc调制，boc调制偶数阶信号的功率谱密度公式如下：

其中，f、fs、fc分别是载波频率、副载波频率和码元速率。

bpsk信号调制是基带脉冲控制载波相位的一种数字调制形式，它的功率谱密度公式：

其中，a是幅度，f、fc分别是载波频率和码元速率。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明利用迹函数在二元域上构造出一类基于gmw序列的低相关区序列，得到在低相关区内互相关函数边峰取值为-1的低相关区序列集，当水声超短基线系统在同时定位多个水声应答器时，若将同步接收的时间点控制在码分多址的低相关区之内的话可以提升码分多址直接序列扩频系统的容量。

2、本发明利用在bpsk调制基础上，进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制：boc调制，boc调制将信号功率调制到载波频率两边的旁瓣上，提高了频带利用率和增加gabor带宽，同时在临近一个码片范围内的相关函数主瓣更尖锐，进一步保证多用户信号检测和分离。

附图说明

图1为水声应答器硬件详细设计框图；

图2为声头硬件详细设计框图；

图3为低相关序列集中序列的周期自相关和周期互相关图；

图4为水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较图；

图5为水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较的局部放大图；

图6为boc(1,1)和bpsk的基带功率谱密度曲线；

图7为给定初始条件的boc(1,1)调制和bpsk调制的自相关图；

图8为基于低相关序列的boc(1,1)和bpsk性能比较图；

图9为基于低相关序列的boc(1,1)和bpsk性能比较的局部放大图；

图10为本发明的系统结构图。

图中标号具体如下：1-声头，2-水声应答器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种多用户水声超短基线定位系统，如图10所示，包含声头和水声应答器，如图1所示，所述水声应答器包含入水检测电路、收发合置换能器、mcu模块、dsp模块、接收电路、压力传感器、电源模块；

如图2所示，所述声头包含换能器基阵模块、接收电路模块、发射电路模块、fpga模块、arm模块、甲板处理单元模块、声基阵位置和姿态校正模块:换能器基阵模块用于发射声信号给水声应答器，并接收水声应答器发射的定位信号；接收电路模块(前放、滤波、agc、adc)对水声应答器发射的定位信号进行前期预处理；fpga模块用于接收电路模块之后的数据采集，并驱动dac模块和同步声学数据、姿态数据、gps数据；arm模块用于与上位机通信；甲板处理单元模块用于处理声学数据，并发送控制命令；声基阵位置和姿态校正模块用于提供声头的精确位置和姿态信息。

低互相关序列集的构造。所述一种基于扩频通信的多用户水声超短基线定位系统信号形式设计算法利用gmw序列构造低相关序列集，在序列集内的任意两个序列具有一定长度的低互相关窗，当某个序列同步接收时可以有效减小其它序列的多址干扰。

迹函数实质是从扩域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函数，定义为：

gmw序列，定义式为：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1；

基于gmw序列的低相关区序列集的构造如下，同一本原产生的两个gmw序列，定义如下：

若m、n、r1、r2为整数，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。则两个gmw序列定义为：

互相关函数定义为：

其中，x',y'是m序列，且有：

由同一本原元产生的gmw序列具有良好的互相关特性，满足低相关序列要求。但是由同一本原元生成的序列数量有限，下面介绍long等人基于gmw序列复合形式，构造二元低相关序列集，步骤如下：

第1步同一本原元产生的两个gmw序列如下：

其中，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分别对应着gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

第2步计算m序列a'和b'的互相关函数，若有m-1个时延满足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

第3步基于gmw序列a、b构成的复合序列集是：

其中，s是左移算子。在序列集中任意两个序列的互相关函数满足：

此时，构造出了序列数目是m，低相关值等于-1，低相关区长度等于t的一个lcz序列集a。

低相关序列集中任一个序列拥有和m序列一样完美的周期自相关函数，任两个序列的周期互相关函数在零时延附近有一段长度是t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，数值是-1/1023低相关窗。在水声超短基线多用户定位跟踪模式下，单用户对声头发射的信号进行同步接收时，其它用户的多址干扰决定了系统多用户的数量，如果把同步时间点放在低相关区域内将有效地减小多址的干扰。定位信号持续时间超过水声信道时延扩展的情况下，并不是所有移位相关结果都影响多径带来的干扰，对于超出水声信道时延扩展的相关结果，对性能没有影响，如果把多径的位置控制在低相关区域内将有效地减小多径的干扰。低相关序列集中序列的周期自相关和周期互相关图如图3，上子图是低相关序列集中的任一个序列的循环自相关函数，下子图是低相关序列集内任意两个序列的循环互相关函数；

当水声超短基线系统三个水声应答(三个用户)同时工作时，声头将低相关序列集中的三通道序列叠加发射，每个水声应答器对应id的低相关序列同步接收，此时其它水声应答器的低相关序列对当前水声应答器来说是多址干扰，此时的同步时间点必然是在低互相关区域内，其它水声应答器对当前同步接收水声应答器的多址干扰较小。水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较图如图4，上子图发射信号形式是低相关序列集中的三个序列三通道叠加，中子图发射信号形式是不具有优良互相关特性的三个低相关序列三通道叠加，下子图发射信号形式是一个低相关序列与gold序列和m序列三通道叠加，且水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较的局部放大图如图5；

boc调制。二进制偏移载波键控(boc)技术是galileo导航系统的主要调制体制，是针对原有信号频带与gps增发的信号频带共用的目的提出来的。传统的bpsk调制方式是将信号的能量集中在载频附近。boc调制方式具有频谱分裂的特点，将信号的能量推向载频两边。这既能使两种调制方式并存提高频带利用率，又能增加gabor带宽，同时在临近一个码片范围内的相关函数主瓣更尖锐，进一步保证多用户信号检测和分离。

在bpsk调制基础上，进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制就是boc调制。boc(fs，fc)调制偶数阶信号的功率谱密度公式如下：

其中，fs、fc分别是副载波频率和码率与基准码元速率的比值。

bpsk信号调制，也称二进制相移键控，是基带脉冲控制载波相位的一种数字调制形式，它的功率谱密度公式：

其中，a是幅度，fc是码元速率。当幅度a为1，基准码元速率为500cps，可得boc(1,1)和bpsk的基带功率谱密度曲线如图6，由图可以看出，boc(1,1)调制在频带宽度不变的条件下将频谱分裂成左右对称结构，fs、fc这两个参数决定了两边主瓣之间主、旁瓣的个数。因此推算boc(1,1)主瓣之间主、旁瓣的个数为两个，即证明主瓣间旁瓣的个数为零；

由维纳-辛钦定理可知，在功率谱密度已知条件下可推导出自相关函数。假设是频率带限的接收系统，它的归一化自相关函数与功率谱密度的关系如下：

其中，b是水听器频带宽度，给出初始条件和功率谱密度就得到boc(1,1)调制和bpsk调制的自相关函数如图7，由图可以看出，在相同的频带宽度时，bpsk调制方式的自相关曲线没有boc(1,1)调制的自相关曲线尖锐，这对时延精度的提高大有帮助；

(3.2)基于boc调制的低相关窗水声同步系统。下面分别对基于低相关序列的不同调制方式的同步性能进行比较研究，调制方式采用传统的bpsk调制方式和改进的boc调制方式，同样采用水声超短基线系统中三个水声应答同时工作时，声头将低相关序列集中的三通道序列叠加发射，每个水声应答器对应id的低相关序列同步接收，基于低相关序列的boc(1,1)和bpsk性能比较如图8，基于低相关序列的boc(1,1)和bpsk性能比较的局部放大图如图9，由图8和图9可以看出，在取得低相关区的基础上，基于boc调制方式呈现明显的频谱分裂特性，且基于boc调制方式在正负一个码片范围内的归一化相关峰最大边峰的值是0.6158，主峰宽度约为0.3ms。而基于bpsk调制方式在正负一个码片范围内的相关峰最大边峰的值是0.8747，主峰宽度约为1ms。可知次大峰的值得到明显的改善，且主峰宽度明显减小。这可以大大减小多径干扰的影响，提高在正负码片范围内的定位精度。