一种融合水下目标定位及遥控遥测数据水声网络传输的一体化方法

摘要

本发明涉及一种新型的水下目标定位及遥控遥测数据水声网络传输的一体化方法，利用的设备包括多个定位潜标、被测目标平台、无线中继浮标和船载显控平台。多个定位潜标沉底布放成海底测量阵，之后对定位潜标阵的位置进行测量。被测目标在海底测量阵组成的测量区域内航行，被测目标平台持续等间隔发送声学询问信号，作用距离内的定位潜标接收到询问信号后等待固定延时回复应答信号，被测目标平台接收到应答回复信号后根据信号检测结果进行自身位置解算，并将解算结果结合深度测量结果通过水声通信方式发送给最近的定位潜标，最近的定位潜标传输给船载显控平台，即可在显控平台上实时监测被测目标的水下位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下目标定位及遥控遥测数据水声网络传输的一体化方法，适用于水下目标的精确定位跟踪、水下遥控遥测、水下监控和水声通信等。

背景技术

水声定位技术是指利用目标发出的声波（包括自身的辐射噪声或主动发射的声信号）或目标的回波信号来确定目标的存在。水声定位方法主要指的是可用于局部区域精确导航定位的方法。水声定位方法是由多个基元（接收器或应答器）组成基阵构成的方法，基阵中基元之间的距离称为基线长度，传统上我们根据方法的基线长度将定位方法分为３种类型：长基线定位方法（Long Base Line，LBL）、短基线定位方法（Short Base Line，SBL）和超短基线定位方法（Ultra Short Base Line，USBL）。上述各种定位方法可以单独使用，也可以根据实际需求进行组合，从而构成组合定位方法，例如长/超短基线方法（L/USBL）、短/超短基线方法（S/USBL）等。

水声定位技术在海洋环境观测、海洋测绘、资源勘探和国防建设中均起到了重要作用。随着水下应用的纵深推广，现有单一的水声定位功能已无法满足一些特定应用需求。在水下目标定位的同时利用海洋信道传递数据信息及定位信息的需求大为增加。各种数据信息，如军事上的潜艇之间以及潜艇与水面舰艇之间的通信联系、舰潜对抗演练过程中的潜艇位置信息，民用上如遥测数据、水下机器人和海上石油平台的遥控指令、水文站采集的数据、海底勘探数据等，均需要利用水声信道和水声通信方法进行传送。所以实现水下目标定位及遥控遥测数据水声通信网络传输一体化是要解决的问题。              

发明内容

本发明的目的是提供一种兼具有特定测量区域内水下目标定位及遥控遥测数据水声通信网络传输的一体化方法，本发明能够以较少的水下节点实现大范围水下目标定位及遥控遥测数据水声通信。

本发明包括目标定位及遥控遥测数据水声网络传输，目标定位及遥控遥测数据水声网络传输利用的设备包括多个定位潜标、被测目标平台、无线中继浮标和船载显控平台；多个定位潜标布放在海底构成海底定位潜标阵，布放完成后，对定位潜标阵的位置进行测量，测量选择自测阵方式或直接测阵方式；在被测目标平台上装载定位潜标阵的位置信息，被测目标在定位潜标阵组成的测量区域内航行时，被测目标平台持续等间隔发送声学询问信号给定位潜标，作用距离内的定位潜标接收到询问信号后，等待固定延时回复对应自身地址的应答信号，其中的固定延时是方法事先设定好的，用于消除信号处理时间不一致对定位结果的影响；被测目标平台接收到应答回复信号后，进行应答信号检测和应答信号时延估计，根据多个定位潜标的应答信号时延估计结果和定位潜标的位置信息采用长基线定位方法进行自身位置解算；被测目标平台根据自身安装的压力传感器进行压力数据采集及深度计算；被测目标平台将定位解算结果和深度测量结果通过水声通信方式发送给最近的定位潜标，最近的定位潜标依次沿水声通信链路和无线通信链路传输给船载显控平台，最后在船载显控平台上实时监测被测目标的水下位置；

上述定位潜标具备询问信号接收功能、应答信号回复功能、通信信号接收及转发功能，是本发明水下定位与通信的关键节点；

上述船载显控平台兼具有与定位潜标的水声数据通信功能及与无线中继浮标的无线数据通信功能，既实现声学信号的接收、处理和水声通信解码，又与无线中继浮标进行无线数据传输通信；也就是说，船载显控平台直接与定位潜标进行水声数据通信，或通过无线中继浮标间接实现与定位潜标的数据通信；间接通信时，船载显控平台与无线中继浮标之间采用无线扩频通信方式通信，无线中继浮标与定位潜标之间采用水声通信方式通信。

上述对水下目标的定位采用长基线定位方法，在已知定位潜标阵位置信息的前提下，通过测量水下被测目标平台到定位潜标阵之间的时延信息，利用球面几何交汇原理即可实现目标精确定位；在目标深度信息已知的情况下，至少需要知道被测目标平台到三个定位潜标之间的时延才能获得目标位置的唯一解。

设定被测目标位置坐标为                                                ，N个定位潜标的位置坐标分别为、、、…、，被测目标到第i个定位潜标之间的传播时延为，则长基线定位解算公式为：

       ，                 （1）

其中，c为海水中声传播速度。在目标深度z已知的情况下，3个球面交汇，即只要已知目标到3个定位潜标的传播时延，就可唯一确定目标位置。如果已知目标到多于3个定位潜标的传播时延，即出现冗余阵元，则冗余阵元的信息可用于实现多解平均以提高定位精度。

本发明被测目标的深度信息是根据安装在被测目标上的压力传感器获得的，压力传感器选用电压型压力传感器。设定压力传感器输出电压范围为，其对应的深度测量量程范围为，若压力传感器输出电压为，则对应的深度值计算公式如下：

                             （2）

其中，为海水密度，为重力加速度，深度的单位为。

本发明适用于在特定的测量区域内最多可同时对三个水下目标进行精确定位。

本发明最大可测量区域为30km×30km，定位潜标在测量区域内按4km×4km或5km×5km的基本测控单元布放。基本测控单元的大小可根据实时海况及水文数据进行调整。

本发明工作频带为7.0kHz~14.0kHz，每个单频信号代表一个信道，共分为34个信道，信道之间频点间隔200Hz，信号脉宽在5ms~10ms内可调（调整步长为1ms）。34个信道中的某两个信道作为唤醒信号信道，其余的32个信道作为水声通信信道，同时在32个信道中优化选取7~12个信道的脉冲信号进行跳频编码优化组合。跳频编码优化组合的脉冲个数由实际布放的定位潜标数量决定。 

本发明询问信号由唤醒信号和跳频编码信号组成。不同的被测目标平台都采用同样的唤醒信号和跳频编码信号，唤醒信号和跳频编码信号之间的时延间隔不同代表不同的目标，例如间隔50ms代表目标1，100ms代表目标2，150ms代表目标3。唤醒信号采用固定的单频信号CRF1，信号脉宽为5ms。询问信号的跳频编码信号也是固定的信号形式，信号脉宽为7ms~12ms。本发明中定位潜标回复的应答信号也采用跳频编码信号形式，每一个定位潜标分配不同的跳频编码信号，代表定位潜标的地址码。

本发明中水声遥控遥测通信用于船载显控平台与定位潜标、被测目标平台与定位潜标、定位潜标与定位潜标、无线中继浮标与定位潜标之间的遥控控制和数据传送。水声遥控遥测传输的数据内容有：定位潜标自检命令、定位潜标释放命令、定位潜标开始自测阵、开始目标定位、停止目标定位、设置定位潜标路由表、设置定位潜标位置、回传自检结果、回传自测阵结果、回传目标定位结果。其中前7个为下行指令，后三个为上行指令。水声通信协议的格式如下：中继节点地址码（6bits）、目的节点（或源节点）地址码（6bits）、遥控遥测指令码（4bits）、数据内容码和奇偶校验码（2bits）。其中数据内容码的长度根据不同的指令内容确定。针对下行指令，水声通信协议中的前12bits代表中继节点地址和目的节点地址；针对上行指令，水声通信协议中的前12bits代表中继节点地址和源节点地址。下行指令的源节点默认为船载显控平台，上行指令的目的节点地址也默认为船载显控平台。

本发明中的水声通信采用RZ-OFSK数字通信方式，共有32个公共通信信道，则每个信道的脉冲信号可以代表5bits信息。水声通信信号由唤醒脉冲信号和水声通信脉冲串信号组成，水声通信脉冲串最多有12个脉冲信号，即每次最多可以传送60bits信息量。每个脉冲信号的脉宽为5ms，脉冲之间的间隔为50ms~80ms，总信号长度小于1.1s。

本发明中船载显控平台与无线中继浮标之间的无线数据通信内容与水声遥控遥测数据传输的内容相同，只是通信协议格式不同。无线数据传输协议的格式如下：帧头（1Byte）、数据长度（2Bytes）、目的节点地址（2Bytes）、数据类型（1Byte）、数据内容（NBytes）和校验和（2Bytes）。数据长度指的是数据类型、数据内容和校验和的总字节数；校验和由数据类型和数据内容共同参与计算；数据占用2Bytes时，先发低位，再发高位。

本发明中的定位潜标作为水下定位与通信的关键节点，每个定位潜标分配一个节点编号和一个节点地址码，节点编号与节点地址码是一一对应的关系。节点编号根据布放的节点在测量阵型中的行列关系进行编号，例如第一行的5个节点的编号分别为：11#、21#、31#、41#、51#；第一列的5个节点的编号分别为：11#、12#、13#、14#、15#，以此类推。

本发明中的船载显控平台、无线中继浮标和被测目标平台同样分配一个节点编号和一个节点地址码，节点编号与节点地址码也是一一对应的关系。

本发明中的数据传输路由表包含上行节点编号（或地址码）和下行节点编号（或地址码），每次测量之前需要根据测量范围确定布放的定位潜标节点数，从而确定每一个节点的数据传输路由表并进行设置。

本发明测阵方式包括自测阵方式和直接测阵方式，其中直接测阵方式是测量船绕一个或多个定位潜标航行一圈，在航行过程中选取合适的多个测点位置通过船载显控平台发送询问信号测量得到测量船到定位潜标的时延信息，在已知测点位置大地坐标和传播声速的情况下，根据球面几何交汇原理即可求得定位潜标的大地坐标。所述的自测阵方式是指利用测量船先采用直接测阵的方式测量得到阵型边缘处的定位潜标的大地坐标，再通过测量两两定位潜标之间的时延信息，最后根据球面交汇原理求得其余未知位置潜标的大地坐标。下发自测阵指令时，每次都只测量两个定位潜标之间的时延信息，即指定的定位潜标接收到自测阵命令后，进行自测阵命令解码，若解码结果中中继节点地址和目的节点地址相同，则开始发射询问信号，然后根据自测阵地址码检测对应定位潜标的应答信号并计算两个定位潜标之间的时延信息。自测阵完毕后将时延结果沿原路回传。若解码结果中继节点地址和目的节点地址不同，则应该根据预先设定的路由表，重新生成中继节点地址，然后把自测阵命令发送出去，依次类推。自测阵时，每个定位潜标都只对距其6km范围的定位潜标进行时延测量。自测阵时，中继节点对接收到的自测阵命令解码后不需要进行确认回复。为了提高自测阵的测量精度，每收到一个自测阵指令，可选择进行多次时延测量，然后根据多次测量的时延平均值进行自测阵定位解算。

本发明中的方法方案突出特点还包括使用灵活性高、可扩展能力强，具体体现在如下三个方面：一是可以根据测量范围和被测目标数目实时调整布放的定位潜标节点数。二是方法即可单独适用于水下多目标定位应用，也可单独适用于水声通信数据网络传输。三是根据实际测量船与测量区域的距离结合扩频通信的作用距离可实时调整无线中继浮标的数目。

附图说明

图1是方法工作过程态势图。

图2是询问信号与应答信号收发时序示意图。

图3是水声遥控遥测信号组成示意图。

图4是数据传输链路示意图。

图5是目标定位过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

本发明所述的方法工作过程态势图如图1所示，其中深红色虚线代表的是水声通信链路，黄色立体线代表的是无线通信链路。本发明目标定位及遥控遥测数据水声网络传输利用的设备包括多个定位潜标、被测目标平台、无线中继浮标和船载显控平台。本发明中多个定位潜标布放在海底构成海底测量定位潜标阵，之后对定位潜标阵的位置进行测量，包括自测阵方式或直接测阵方式。在被测目标平台上装载定位潜标阵的位置信息，被测目标在海底测量阵组成的测量区域内航行，被测目标平台持续等间隔发送声学询问信号，作用距离内的定位潜标接收到询问信号后，等待固定延时回复应答信号，被测目标平台接收到应答回复信号后根据信号检测结果进行自身位置解算，并将解算结果联合深度测量结果通过水声通信方式发送给最近的潜标，最近的潜标依次沿水声通信链路和无线通信链路传输给船载显控平台，船载显控平台实时显示被测目标的位置及状态信息。

图2是询问信号与应答信号收发时序示意图。询问应答信号用于定位潜标阵对被测目标进行长基线定位和定位潜标自测阵的过程。被测目标或船载显控平台对定位潜标进行询问时，询问信号由唤醒信号和跳频编码信号组成。图2中的CRF1代表询问信号中的唤醒信号，IFH代表询问信号中的跳频编码信号，RFH1代表1#定位潜标的应答信号。定位潜标接收到询问信号后需要等待固定延时后，再回复应答信号。不同目标的询问信号都采用同样的唤醒信号和跳频编码信号，只是唤醒信号和跳频编码信号之间的时延间隔不同代表不同的目标，例如间隔50ms代表目标1，100ms代表目标2，150ms代表目标3。唤醒信号采用固定的单频信号，信号脉宽为5ms。询问应答跳频编码信号也是固定的信号形式，信号脉宽为7ms~12ms。定位潜标回复的应答信号也采用跳频编码信号形式，每一个定位潜标分配不同的跳频编码信号，代表定位潜标的地址码。

图3是水声遥控遥测信号组成示意图。水声遥控遥测信号由唤醒信号CRF2和通信脉冲串信号组成，其中唤醒信号采用固定的单频信号，但和询问信号中的唤醒信号频率不同。水声通信脉冲串最多有12个脉冲信号，每个脉冲信号可以代表5bits信息，即每次最多可以传送60bits信息量。每个脉冲信号的脉宽为5ms，脉冲之间的间隔为50ms~80ms，总信号长度小于1.1s。

水声遥控遥测通信用于船载显控平台对定位潜标、被测目标平台对定位潜标、定位潜标对定位潜标、无线中继浮标对定位潜标之间的遥控控制和数据传送。数据通信包括下行指令和上行指令，每次数据通信过程都是单一路径传输，即不需要回复确认信号。针对下行指令，水声通信协议中的前12bits代表中继节点地址和目的节点地址。针对上行指令，水声通信协议中的前12bits代表中继节点地址和源节点地址。下行指令的源节点默认为船载显控平台，上行指令的目的节点地址也默认为船载显控平台。

图4是数据传输链路图。本方法中定位潜标、船载显控平台、被测目标平台和无线中继浮标都看作一个定位或通信的节点，在设备布放之前对每个节点都会设置对应该节点的数据传输路由表。数据传输路由表中的内容包含上行节点编号（或地址码）和下行节点编号（或地址码）。每一个节点接收到水声遥控遥测命令后，根据命令类型及数据传输路由表的路由顺序依次将命令内容重新编码后传输给下行节点。本方法中的数据传输链路原则是按列顺序排列或按行顺序排列，例如按图4中所示情况，数据从81#无线中继浮标传输到14#定位潜标的过程只能为：81#中继浮标——31#定位潜标——21#——11#——12#——13#——14#，即先传输到定位潜标的第一位编号与目标定位潜标的第一位编号相同的列，然后顺着第二位编号顺序传输到目标定位潜标。上行数据沿原路回传到源节点。

图5是目标定位过程示意图。当某号目标开始定位时，其上的被测目标平台开始发射询问信号，同时接收其附近的定位潜标回复的应答信号，被测目标平台接收应答信号并根据信号处理结果计算得到被测目标到多个定位潜标的时延信息，根据已知的定位潜标位置信息利用球面几何交汇原理进行目标定位，原则上只要接收到三个定位潜标的应答信号即可获得目标位置的唯一解，在接收到超过三个定位潜标的应答信号的情况下，利用冗余信息可实现多解的加权平均以提高目标定位精度。被测目标平台解算出自身的位置后，将解算结果按一定的时间间隔通过水声通信方式传输给离它最近的两个定位潜标，定位潜标再根据预先设定的数据传输路由表将定位结果发送给下行节点，依次中继传输，最终将目标定位结果传输到船载显控平台，船载显控平台在显控软件界面显示出目标的实时轨迹和状态信息。本方法中的目标定位数据传输链路有两条，极大提高了数据传输的可靠性。本方法方案中的目标定位数据传输过程是单向的，不需要进行确认回复。