一种基于按需收发的水下异步定位方法及系统与流程

本发明涉及一种基于按需收发的水下异步定位方法及系统，属于无人技术中的自动化控制领域。

背景技术：

近年来，人类对海洋资源的开发利用越来越重视。水下航道安全调查、海洋资源探查、海底光缆线路铺设等许多重要活动的开展都离不开水下定位系统。然而，水声通信具有典型的弱通信特性，例如电磁波在水中呈指数规律衰减，使得北斗等定位系统并不能直接应用于水下，且受水声低传播速度影响节点间时钟难以精确同步。这些因素给水下定位系统的设计带来很大困难。如何设计一种基于按需收发的水下异步定位系统仍是一个具有挑战性的问题。

经对现有文献的检索发现，公开号为cn107153192a，名称为：一种水下机器人目标定位识别方法和系统。该系统通过水下机器人来获取目标相对于水下机器人的第一位置信息，并通过母船获取微型无人船的第二位置信息，进而微型无人船将采集到的声呐反射信号反馈给母船，以确定目标的位置信息。上述系统在距离测量过程中假定发送节点与接收节点间的时钟是同步的。但是受水声弱通信约束影响，水下节点间时钟很难精确同步。

另外，公开号为cn107110953a，名称为：水下定位系统。该系统在水下部署一个带有光源的信标节点，水下成像设备和漫游器同步移动，进而从不同的视点观察光源以确定水下目标的位置信息。上述系统虽然可以克服时钟异步的影响，但需要光学元件进行距离测量。由于水下介质透明性低，且光波在水下可穿透性弱，因此上述方法不适合远距离目标定位。如何在水声异步时钟影响下，设计水下目标远距离定位系统，显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于按需收发的水下异步定位方法及系统，以解决水下目标无法远距离精确定位问题。

为实现上述目的，本采用了如下技术方案：一种基于按需收发的水下异步定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将不少于3个浮标节点部署在监测海域内海面上，目标节点在水下未知位置。目标节点准备就绪后，向各个浮标节点发送定位请求，浮标节点收到请求后，随后转入监听状态；

2)在起始时刻，目标节点向外广播信号，记下此刻时间戳，随后立即进入监听状态，等待各个浮标节点的应答；

3)所有浮标节点接收到目标节点发送的信号，分别记下此刻的时间戳，其中一个浮标节点退出监听状态，向外广播信号，记下时间戳，随后进入等待模式；其余浮标节点继续保持监听状态；

4)目标节点和监听状态的浮标节点接收到进入等待模式的浮标节点发送的信号，分别记下此刻时间戳，监听状态的浮标节点的一个退出监听状态，向外广播信号，记下时间戳，进入等待模式，其余浮标节点继续保持监听状态；

5)重复步骤(4)，直到所有浮标节点进入等待模式；

6)目标节点收到最后一个进入等待模式的浮标节点发送的信号，记下此刻时间戳，退出监听状态；

7)目标节点内数据处理模块处理数据，获知每个浮标节点与目标节点之间的距离，通过多点定位技术得到目标节点坐标，实现自定位；

其中，所述信号包括时间戳信息和自身的身份及位置信息。

进一步的技术方案在于，所述浮标节点通过基站获取自身位置信息，所述基站为4个。

进一步的技术方案在于，所述浮标节点为3个。

进一步的技术方案在于，目标节点发送信号的时间戳记为ts,s，接收信号的时间戳记为t1,s、t2,s、t3,s；浮标节点1发送信号的时间戳记为t1,1，接收信号的时间戳记为t1,s；浮标节点2发送信号的时间戳记为t2,2,接收信号的时间戳记为ts,2、t1,2；浮标节点3发送信号的时间戳记为t3,3，接收信号的时间戳记为ts,3、t1,3、t2,3。根据以上信号按需收发的过程，可得

其中，t1、t2、t3代表信号从目标节点到3个浮标节点的时间，由此可以得到目标节点与3个浮标节点的距离分别为：

其中，c为水下声速。

令目标节点节点的坐标为(x,y,z)，3个浮标节点的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x1,y1,z1)、(x1,y1,z1)，可以得到如下方程：

进一步化简变形可得到：

即：

aζ＝ψ(5)

根据最小二乘原理可得：

ζ＝(a^ta)^-1a^tψ(6)

深度z可由节点携带的深度传感器测得，这样就实现了目标节点的自定位。

进一步的技术方案在于，技术方案为：一种基于按需收发的水下异步定位系统，其特征在于：包括基站和浮标节点；所述基站设立在陆地上，所述浮标节点锚定在海面上；所述浮标节点与水下的目标节点进行水声通信；所述浮标节点与基站进行无线通信，任意两个浮标节点间进行无线通信，所述基站带有gps接收器。

进一步的技术方案在于，所述浮标节点为3个，所述基站为4个。

进一步的技术方案在于，所述浮标节点与目标节点进行水声通信时使用水声调制解调器；所述水声调制解调器包括数据处理单元、单片机、发射器、电池和接收器；所述单片机控制发射器发射信号，所述单片机控制接收器接收信号，所述单片机将需要处理的数据输送到数据处理单元进行处理，所述电池为水声调制解调器提供电能；所述发射器、接收器与单片机采用rs485协议连接。

进一步的技术方案在于，所述单片机为stm32单片机。

进一步的技术方案在于，所述发射器中，uwb脉冲发生器由时钟触发，输入信号经过uwb脉冲发生器变为纳秒或皮秒级以下的极窄脉冲，再进入放大器进行放大，接着进入滤波器滤波，以去除信号发生器以及线路产生的不符合要求的杂波，然后进入到发送换能器转换成水声信号发出；所述接收器中，水声信号通过接收换能器转换为电信号，进入放大器放大后分为两路输出：一路经过二极管解调器和滤波器后再放大，再经过电容后输出；另一路输入到直流稳压器并再次分为两路：一路经过放大器和电容后输出，一路通过电感后输出，经过电容后的电信号与经过电感后的电信号进行合成输出。

进一步的技术方案在于，所述浮标节点与基站可通过ieee802.11协议相连并进行无线通信。

进一步的技术方案在于，整个系统中通讯的信号包括时间戳信息和自身的身份及位置信息。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、将目标节点的时钟作为时钟基准，利用其余浮标不同时刻之间的时间差，避开了许多定位系统及方法难以实现的水下时钟同步问题，实现了异步时钟下的水下定位。

2、现有的技术多停留在定位理论和定位算法层面上，本发明不仅给出了理论方法，还提供了相应的软硬件支持，从而形成一个完整的水下异步定位系统。

附图说明

图1为水声调制解调器模块结构示意图。

图2为发射器和接收器原理示意图。

图3为系统自定义水声数据传输协议示意图。

图4为本发明的系统整体部署示意图。

具体实施方式

如图1所示，单片机为stm32单片机，并作为处理器，用电池为stm32处理器供电，数据处理单元与stm32处理器连接进行双向传输，发射器和接收器通过rs485串口协议与stm32处理器连接进行单向传输。水声信号被接收器接收并转换成电信号传输给处理器，处理器将数据传输到数据处理单元进行处理；数据处理单元生成要发送的数据传输给处理器，处理器将数据传输给发射器，发射器将电信号转换成水声信号发射出去。

如图2所示，在发射器中，uwb脉冲发生器由时钟触发，输入信号经过uwb脉冲发生器变为纳秒或皮秒级以下的极窄脉冲，再进入放大器进行放大，接着进入滤波器滤波，以去除信号发生器以及线路产生的不符合要求的杂波，然后进入到发送换能器转换成水声信号发出；在接收器中，水声信号通过接收换能器转换为电信号，进入放大器放大后分为两路输出：一路经过二极管解调器和滤波器后再放大，再经过电容后输出；另一路输入到直流稳压器并再次分为两路：一路经过放大器和电容后输出，一路通过电感后输出，经过电容后的电信号与经过电感后的电信号进行合成输出。

发射器中应用了uwb(超带宽)技术。uwb技术是一种无载波通信技术，通过发送和接收具有纳秒或皮秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有ghz量级的带宽。uwb技术具有抗干扰能力强、传输速率高、功耗低的特点，有利于系统应对水下强干扰环境和提高续航能力。

接收器中应用了dsss技术。dsss是一种扩频通信技术，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加(波形相乘)后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高的功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。

如图3所示，系统自定义了一种水声数据传输协议，对进行通信的数据的帧格式进行了规定。数据的帧格式分为三部分：校验部分、空闲部分、有效数据部分。校验部分是一个三位短序列，可自定义设置，用于检验数据是否为系统内节点所发，防止误收不明信号；空闲部分是一段全0序列，用于保障校验部分不会影响到有效数据部分；有效数据部分是真正想要传输的数据。

如图4所示，小型基站布置在岸上，浮标节点布置在监测海域，目标节点放置在水下。定位开始后，浮标节点先与小型基站通过无线通信方式进行信息交互来确定自身位置，然后与水下目标节点通过水声调制解调器模块进行信号的按需收发，将测得的有效数据传输给目标节点，目标节点上内置的数据处理模块处理数据，解算出自身位置，实现目标节点的自定位。

进一步的，信号的按需收发过程如下：

1)将浮标节点1、2、3部署在监测海域内，目标节点在水下未知位置。目标节点准备就绪后，向三个浮标节点发送定位请求，三个浮标节点收到请求后，会与岸上的小型基站进行信息交互以确定自身位置，随后转入监听状态；

2)在起始时刻，目标节点向外广播信号，记下此刻时间戳，随后立即进入监听状态，等待各个浮标节点的应答；

3)浮标节点1、2、3接收到目标节点发送的信号，分别记下此刻的时间戳，浮标节点2、3继续保持监听状态，浮标节点1退出监听状态，向外广播信号，记下时间戳，随后进入等待模式；

4)目标节点和浮标节点2、3接收到浮标节点1发送的信号，分别记下此刻时间戳，目标节点和浮标节点3继续保持监听状态，浮标节点2退出监听状态，向外广播信号，记下时间戳，随后进入等待模式；

5)目标节点和浮标节点3接收到浮标节点2发送的信号，分别记下此刻时间戳，目标节点继续保持监听状态，浮标节点3退出监听状态，向外广播信号，记下时间戳，随后进入等待模式；

6)目标节点收到浮标节点3发送的信号，记下此刻时间戳，退出监听状态；

7)目标节点内数据处理模块处理数据，获知每个浮标节点与目标节点之间的距离，通过多点定位技术得到目标节点坐标，实现自定位。

其中，浮标节点广播的信号中包含有记下的时间戳信息和自身的身份及位置信息。

目标节点发送信号的时间戳记为ts,s，接收信号的时间戳记为t1,s、t2,s、t3,s；浮标节点1发送信号的时间戳记为t1,1，接收信号的时间戳记为t1,s；浮标节点2发送信号的时间戳记为t2,2,接收信号的时间戳记为ts,2、t1,2；浮标节点3发送信号的时间戳记为t3,3，接收信号的时间戳记为ts,3、t1,3、t2,3。根据以上信号按需收发的过程，可得

其中，t1、t2、t3代表信号从目标节点到3个浮标节点的时间，由此可以得到目标节点与3个浮标节点的距离分别为：

其中，c为水下声速。

令目标节点节点的坐标为(x,y,z)，3个浮标节点的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x1,y1,z1)、(x1,y1,z1)，可以得到如下方程：

进一步化简变形可得到：

即：

aζ＝ψ(5)

根据最小二乘原理可得：

ζ＝(a^ta)^-1a^tψ(6)

深度z可由节点携带的深度传感器测得，这样就实现了目标节点的自定位。

以上所述的实施仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。