水下导航定位设备及系统的制作方法

本申请涉及导航定位技术领域，具体而言，本申请涉及一种水下导航定位系统。

背景技术：

随着土地资源的枯竭，人们开始进入深海寻找油气、矿产和其他资源。由于深海环境的恶劣，目前大多依靠水下无人驾驶设备进行深海勘探。水下无人驾驶设备借助大量许多传感器来获取了解其实时位置和周围情况，准确地确定水下无人驾驶设备的绝对位置以及与其他水下物体(例如，其他无人驾驶设备、输油管道、工程结构、地质结构等)的相对位置，以保证水下无人驾驶设备在水下航行路线的准确性，并避免与其他水下物体发生撞击，保证水下无人驾驶设备的安全性以及保护宝贵的水下结构物。

惯性导航(ins)是一种常用的高精度导航技术，在导弹、飞行器、船舶等领域都有广泛的应用，其原理是测量当前航行体的加速度、速度、角速度信息，计算该航行体的实时位置。惯性导航在定位之初需要一个基准坐标值，且在长时间工作后会出现“时漂”现象，导致定位准确度下降。

超短基线水声定位(usbl)是比较常用的水下拖体定位方法，其原理是通过多个基元阵接收同一个反射调制声波信号的信号，解算出目标的相对位置。单纯的超短基线水声定位方法易受到海洋环境噪声的干扰，单次定位误差较大(以4基元阵超短基线定位系统为例，100m斜距定位绝对误差约为3m)，且定位精度会随着水深的增加而降低，仅适用于浅海海域的探测。

因此，需要提供一种水下导航定位系统，以为水下设备提供精准的位置数据。

技术实现要素：

本申请提供了一种水下导航定位系统，以解决现有水下定位方法精度和可靠性低的问题。本申请采用的技术方案如下：

本申请提供了一种水下导航定位系统，包括：水听器、处理器以及声源发生器；

所述声源发生器预先固定在水下设备所在水域内的指定位置处，所述声源发生器用于发送调制声波信号，所述调制声波信号中携带有发送所述调制声波信号的时间信息；

所述水听器设置在所述水下设备的外表面上，所述水听器用于探测所述声源发生器发送的调制声波信号；

所述处理器与所述水听器电连接，所述处理器用于根据所述水听器接收的调制声波信号中的时间信息确定所述声源发生器与所述水听器间的距离，根据所述声源发生器的位置信息以及所述声源发生器与所述水听器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

可选地，各个所述声源发生器和所述处理器使用的时钟同步。

可选地，所述调制声波信号携带有声源发生器编号，所述处理器还用于根据各个所述调制声波信号携带的声源发生器编号确定各个调制声波信号对应的声源发生器；或，

不同的声源发生器发送不同频率的调制声波信号，所述处理器还用于根据各个所述调制声波信号的频率，确定发送所述调制声波信号的声源发生器。

可选地，所述系统包括多个所述水听器，多个所述水听器分别通过可伸缩部件固定在所述水下设备的外表面上的不同位置处。

可选地，所述处理器还用于根据各所述水听器探测到的同一声源发生器发出的调制声波信号中的时间信息，确定各所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，根据所述同一声源发生器的位置信息以及每个所述水听器与所述同一声源发生器间的距离，确定所述水下设备的水下位置。

可选地，所述调制声波信号中还携带有所述调制声波信号的频率信息；

所述处理器还用于：检测所述水听器接收到的调制声波信号的频率值，根据检测到的所述频率值和所述调制声波信号中携带的频率信息，对所述声源发生器与所述水听器间的距离进行多普勒效应补偿处理。

可选地，所述水下设备上还安装了磁场传感器，所述磁场传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的磁性装置产生的磁场；

所述处理器还用于根据检测到的磁场，修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述水下设备上还安装了光电传感器，所述光电传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的光源发射装置发射的光；

所述处理器还用于根据检测到的光，修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述水下设备上还安装了深度传感器、陀螺仪、加速度计中的至少一种传感器；

所述处理器还用于：根据深度传感器、陀螺仪、加速度计中至少一种传感器检测到的数据，修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述水下设备上还安装了gps定位装置；

所述处理器还用于控制所述水下设备或者安装有所述gps定位装置的部分组件上浮至水面；

所述gps定位装置用于在所述水下设备或者安装有所述gps定位装置的部分组件上浮至水面后，获取所述水下设备当前所在水面位置的gps定位数据；

所述处理器还用于根据所述gps定位数据修正所述水下设备的水下位置。

可选地，所述水下设备上还安装了通信装置，所述通信装置用于与其他水下设备进行通信，并获取其他水下设备的水下位置；

所述处理器还用于根据其他水下设备的水下位置修正所述水下设备的水下位置。

可选地，当所述水下设备或安装有gps定位装置和通信装置的部分组件上浮至水面后，所述gps定位装置用于获取所述水下设备当前所在水面位置的gps定位数据；

所述通信装置用于将所述水下设备的水下位置和所述gps定位数据发送给信号转发设备，所述信号转发设备用于将所述水下设备的水下位置和所述gps定位数据转发给其他未进入水下服役的水下设备，以使所述其他未进入水下服役的水下设备根据所述水下设备的水下位置和所述gps定位数据的误差修正所述其他未进入水下服役的水下设备的水下位置。

与现有技术相比，本申请实施例提供的水下导航定位系统至少具有以下带有益效果：能够提高水下定位的精度、可靠性和隐蔽性，尤其适用于深海环境下的水下导航定位；此外，本申请的水下导航定位系统还可以结合磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、gps定位装置中的一种或多种设备检测到的数据，以及其他水下设备的位置数据，来对通过声源定位得到的水下位置进行修正，以对水下定位结果进行补偿，进一步提高水下定位精度，使得水下设备能够在水下更准确、安全地移动。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请一实施例的一种水下导航定位系统的结构示意图；

图2为本申请一实施例的一种水下导航定位系统的安装示意图；

图3为根据多个水听器和一个声源发生器进行水下定位的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

水听器(hydrophone)又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动(动圈)等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。声压水听器是水声测量中不可少的设备，是被动声呐系统中的核心部分。根据所用灵敏材料的不同，声压水听器可以分为：压电陶瓷声压水听器、pvdf声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

如图1所示，本申请实施例提供了一种水下导航定位系统，包括水听器1、处理器2以及声源发生器3。

具体实施时，可在水下设备会经过的水域内预先设置一个或多个声源发生器3。当设置多个声源发生器3时，各个声源发生器3应分别布设在同一水域水面下的多个不同的指定位置处，以提高调制声波信号的覆盖范围。本实施例中的声源发生器3能够对其发送的调制声波信号进行编码，即调制声波信号中携带发送调制声波信号的时间信息，声源发生器3可以是水声应答器(acoustictransponders)，也可以是其他能够在水下发出一定频率的调制声波信号的设备。具体实施时，水下导航定位系统包含的声源发生器3的数量以及各个声源发生器3具体的分布位置可根据实际情况进行设置，以使得调制声波信号能够覆盖水下设备5航行的整个水域，即水下设备5在其航行水域内的任一位置都能接收到至少一个声源发生器3发出的调制声波信号。声源发生器3可通过锚、浮漂等固定在水中的指定位置处，或者可固定在水下的固定物体上，如输油管道、工程结构等，因此，一旦声源发生器3固定在指定位置处后，即可获知该声源发生器3的位置信息。

处理器2与水听器1电连接，水听器1设置在水下设备5的外表面上，处理器2可设置在水下设备5内部。水听器1用于探测声源发生器3发送的调制声波信号。处理器2用于：根据水听器1接收的调制声波信号中的时间信息确定声源发生器3与水听器1间的距离，根据声源发生器3的位置信息以及声源发生器3与水听器1间的距离，确定水下设备5的水下位置。具体地，水听器1接收到调制声波信号的时刻和该调制声波信号携带的时间信息之间的差值即为该调制声波信号在水中传播的时间，调制声波信号在水中传播的时间乘以调制声波信号在水中的速度就得到了声源发生器3与水听器1间的距离；然后，根据水听器1在水下设备5上的位置，进一步确定声源发生器3与水下设备5的距离，或者，当水听器1与水下设备5之间的距离差值的数量级远小于声源发生器3与水听器1间的距离的数量级时，可直接将声源发生器3与水听器1间的距离作为声源发生器3与水下设备5间的距离。

具体实施时，水下设备5上可设置一个或多个水听器1。当同一水下设备5上设置多个水听器1时，各个水听器1可分别设置在水下设备5的外表面上的不同位置处。

当水下设备5上的至少一个水听器1能够正常接收到多个声源发生器3发出的调制声波信号时，针对每个水听器1接收的调制声波信号，处理器2作如下处理：根据各个声源发生器3发出的调制声波信号中的时间信息，确定各个声源发生器3与水听器1间的距离，根据各个声源发生器3的位置信息以及各个声源发生器3与水听器1间的距离；然后，根据水听器1在水下设备5上的位置，进一步确定各个声源发生器3与水下设备5的距离，或者，当水听器1与水下设备5之间的距离差值的数量级远小于声源发生器3与水听器1间的距离的数量级时，可直接将各个声源发生器3与水听器1间的距离作为各个声源发生器3与水下设备5间的距离；接着，根据各个声源发生器3的位置信息(即在水中的空间坐标)以及各个声源发生器3与水下设备5间的距离，确定水下设备5的水下位置，具体地，可利用空间定位的方法确定水下设备5的水下位置，定位原理可参考gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)定位的方法，在此不再赘述。如果有多个水听器1接收到调制声波信号，可将通过多个水听器1得到的水下位置进行取平均操作，将取平均后的水下位置作为该水下设备5最终的水下位置，以降低系统误差。

当水下设备5上的水听器1仅能够接收到一个声源发生器3发出的调制声波信号时，处理器2作如下处理：根据各水听器1探测到的同一声源发生器3发出的调制声波信号中的时间信息，确定各水听器1与该声源发生器3间的距离，根据该声源发生器3的位置信息以及每个水听器2与该声源发生器3间的距离，确定水下设备5的水下位置。具体方式采用类似于立体视觉定位的方法，实现根据该声源发生器3的位置信息以及各个水听器2与该声源发生器3间的距离确定水下设备5的水下位置，如图3所示，假设水听器11与声源发生器3之间的距离为r1，水听器12与声源发生器3之间的距离为r2，水听器13与声源发生器3之间的距离为r3，水听器14与声源发生器3之间的距离为r4，则以水听器11为圆心，r1为半径得到第一球面，以水听器12为圆心，r2为半径得到第二球面，以水听器13为圆心，r3为半径得到第三球面，以水听器14为圆心，r4为半径得到第四球面，第一球面、第二球面、第三球面和第四球面相交的点即为声源发生器3的位置，即可确定声源发生器3与水下设备5的相对空间位置，已知声源发生器3在实际空间中的位置信息，即可反推得到水下设备5的水下位置。本实施例中，同一水下设备上至少需要三个水听器才能确定水下设备5的水下位置。

因此，本实施例的水下导航定位系统还可以利用多个水听器检测同一声源发生器3发出的调制声波信号，从而仅利用一个声源发生器3进行水下定位。针对同一水下设备5，其上设置的多个水听器1之间的间隔距离越大，定位精度越高。

本实施例中的水下设备5包括但不限于：有人潜水设备或水下无人自主航行器(uav，unmannedaerialvehicle)。

本实施例的水下导航定位系统，能够提高水下定位的精度和可靠性，尤其适用于深海环境下的水下导航定位。

具体实施时，水下设备5的处理器2内置的内存区或外接的存储器中存储有信息列表，该信息列表中存储了各个声源发生器3的位置信息。各个声源发生器3可通过编码的方式在调制声波信号中添加声源发生器3的编号，以使得处理器2根据调制声波信号中添加声源发生器3的编号，从存储的信息列表中查找到与编号对应的声源发生器3的位置信息。然后，处理器2根据声源发生器3的位置信息以及各个声源发生器3与水下设备5间的距离，确定水下设备5的水下位置。

具体实施时，不同位置处的声源发生器3发送不同频率的调制声波信号。水下设备5的处理器2内置的内存区或外接的存储器中存储有信息列表，该信息列表中存储了各个声源发生器3的位置信息以及各个声源发生器3发送的调制声波信号的频率。处理器2还用于根据各个调制声波信号的频率，确定发送调制声波信号的声源发生器3，这样，处理器2就可以从信息列表中获取各个调制声波信号对应的声源发生器3的位置信息了，然后，处理器2根据声源发生器3的位置信息以及各个声源发生器3与水下设备5间的距离，确定水下设备5的水下位置。

具体实施时，各个声源发生器3和处理器2使用的时钟同步，为了提高时钟的同步性，可使用原子钟。

进一步地，如图2所示，本实施例的水下导航定位系统包括的多个水听器1分别通过可伸缩部件4固定在水下设备5的外表面上的不同位置处。

此外，调制声波信号在水和固体中传递的速度不同，因此，如果水听器1直接与水下设备5的外表面相连，会导致水听器1先后两次检测到同一调制声波信号。水听器1和水下设备5的外表面分别通过可伸缩部件4连接后，增加了调制声波信号通过外表面传播到水听器1的距离，同时较少了水听器1与外表面的接触面积，大大削弱通过外表面传播过来的调制声波信号的强度，使得水听器1无法检测到通过外表面传播过来的调制声波信号。

进一步地，调制声波信号中还携带有调制声波信号的频率信息。例如，声源发生器3发射的调制声波信号的频率是3000khz，则将3000khz这一频率信息添加到发射的调制声波信号，处理器2在收到调制声波信号后，即可解码得到该调制声波信号的发射时的原始频率为3000khz。调制声波信号在水中传输时，难免会遇到洋流等特殊情况，由于多普勒效应导致信号的传输速率发生变化，从而导致根据时间信息计算得到的声源发生器与水听器间的距离发生偏移。为解决上述情况，可利用多普勒原理，根据信号频率的偏移确定距离的偏移，从而对偏移的距离值进行补偿，得到准确的距离值。具体的，处理器2还用于：检测水听器接收到的调制声波信号的频率值，利用多普勒效应，根据检测到的频率值和调制声波信号中携带的频率信息，对声源发生器与水听器间的距离进行补偿处理。然后，利用经过补偿处理后的距离值计算水下设备的水下位置，提高定位准确度。

进一步地，水下设备5上还安装了磁场传感器，磁场传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的磁性装置产生的磁场。相应地，处理器2还用于根据检测到的磁场，修正水下设备5的水下位置。

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。处理器2根据检测到的磁场的强度等信息，确定水下设备5与磁性装置之间的距离，并结合磁性装置的位置信息，修正水下设备5的水下位置。

具体实施时，磁性装置可以是永磁体或电动磁场。布设磁性装置的具体位置可根据实际情况进行设置，磁性装置可通过锚、浮漂等固定在水中的指定位置处，或者可固定在水下的固定物体上，如输油管道、工程结构等，磁性装置还可以固定在珊瑚礁或岛上等。磁场传感器可选用三轴磁传感器。

进一步地，水下设备5上还安装了光电传感器，光电传感器用于检测由至少一个固定位置处预设的光源发射装置发射的光。相应地，处理器2还用于根据检测到的光，修正水下设备5的水下位置。

光电传感器是可以将将光信号转变成电信号输出的装置。处理器2根据光电传感器检测到的光的强度、波长等信息，确定水下设备5与光源发射装置之间的距离，并结合光源发射装置的位置信息，修正水下设备5的水下位置。

具体实施时，光源发射装置可以是led光源或vcsel(垂直腔面发射激光器)光源，可选择发射波长在420纳米至520纳米范围内的光源发射装置。布设光源发射装置的具体位置可根据实际情况进行设置，光源发射装置可通过锚、浮漂等固定在水中的指定位置处，或者可固定在水下的固定物体上，如输油管道、工程结构等。

进一步地，水下设备5上还安装了深度传感器、陀螺仪、加速度计中的至少一种传感器。相应地，处理器2还用于根据深度传感器、陀螺仪、加速度计中至少一种传感器检测到的数据，修正水下设备5的水下位置。通过深度传感器可确定水下设备5距离水面的深度，通过陀螺仪和/或加速度计可确定水下设备5行驶过程中的相对位置。

具体实施时，深度传感器可以是压力传感器，陀螺仪可选择三轴陀螺仪、加速度计可选用三轴加速度计。

进一步地，水下设备5上还安装了gps定位装置。处理器2还用于控制水下设备5或者安装有gps定位装置的部分组件上浮至水面。在水下设备5或者安装有gps定位装置的部分组件上浮至水面后，gps定位装置用于获取水下设备5当前所在水面位置的gps定位数据。然后，处理器2还用于根据gps定位数据修正水下设备5的水下位置。

本实施例中，水下设备5或者安装有gps定位装置的部分组件从水下垂直上浮至水面。

进一步地，水下设备5上还安装了通信装置，通信装置用于与其他水下设备5进行通信，并获取其他水下设备5的水下位置。

相应地，处理器2还用于根据其他水下设备5的水下位置修正水下设备5的水下位置。

进一步地，当水下设备5上浮至水面后，gps定位装置用于获取水下设备5当前所在水面位置的gps定位数据，此时，通信装置还用于将水下设备的水下位置5和gps定位数据发送给信号转发设备，信号转发设备用于将水下设备5的水下位置和gps定位数据转发给其他未进入水下服役的水下设备，以使其他未进入水下服役的水下设备根据水下设备5的水下位置和gps定位数据的误差修正其他未进入水下服役的水下设备的水下位置。

水下位置可以由水平坐标x、y以及深度坐标h三个分量组成，水下位置记为(x，y，h)，深度坐标h为水下设备距离水面的深度。假设水下设备a的水下位置为(x1，y1，h1)，则水下设备a对应的水面位置的坐标为(x1，y1)，而水下设备a垂直上浮后gps定位装置测量得到的gps定位数据为(x2，y2)，则可以确定设备a真实的水面位置为(x2，y2)，这是由于水下导航定位系统的引起的误差，将(x1，y1)和(x2，y2)的差值作为系统误差，此时，水下设备b可以根据(x1，y1)和(x2，y2)得到的系统误差修正水下设备b的水平坐标x、y。

具体实施时，通信装置可以和gps定位装置一起安装在部分组件中。当安装有gps定位装置和通信装置的部分组件上浮至水面后，gps定位装置用于获取水下设备5当前所在水面位置的gps定位数据，此时，通信装置还用于将水下设备的水下位置5和gps定位数据发送给信号转发设备，信号转发设备用于将水下设备5的水下位置和gps定位数据转发给其他未进入水下服役的水下设备，以使其他未进入水下服役的水下设备根据水下设备5的水下位置和gps定位数据的误差修正其他未进入水下服役的水下设备的水下位置。

本实施例中，信号转发设备可以是岸基定位指挥中心设备，岸基定位指挥中心设备可设置在水域周围的陆地、小岛、水上平台等位置。

本实施例的水下导航定位系统，还可以结合磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、gps定位装置中的一种或多种设备检测到的数据，以及其他水下设备5的位置数据，来对通过声源定位得到的水下位置进行修正，以对系统误差进行补偿，进一步提高水下定位精度，使得水下设备5能够在水下更准确、安全地移动。

本实施例的水下导航定位系统除了能够应用于有人潜水设备和水下无人自主航行器以外，还同样适用于潜水员在水下的定位，以提高潜水时的安全性。此时，水下设备5可以是潜水员身上携带的装备，即将水听器1、处理器2集成在装备上，同样该装备上还可以集成磁场传感器、光电传感器、深度传感器、陀螺仪、加速度计、gps定位装置或通信装置等。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。