一种水下定位导航方法及系统与流程

1.本发明涉及水下定位技术相关领域，具体是一种水下定位导航方法及系统。


背景技术：

2.定位系统是一种用于提供设备在空间内的坐标位置信息的信息处理技术，其实现的方式是众多的，包括图像视觉、激光引导判断、卫星定位及基站信号定位等多种不同的适用于不同场景的方式。
3.但当设备的使用场景延伸到水下时，当前的基于卫星、基站以及光学等的多种定位方式则不再能够有效的实现作用效果，因此，实现水下设备的高精度定位对于水下作业，尤其是当前快速发展的无人水下机器设备群技术而言，能够为作业提供更加安全稳定的支持与辅助。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种水下定位导航方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水下定位导航系统，包含：信标信号接收模块，用于接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号；信标距离计算模块，用于获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息；信标信号验证模块，用于基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效；分布定位模拟模块，用于获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。
6.作为本发明的进一步方案：每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。
7.作为本发明的再进一步方案：还包括信标时间轴校对模块，具体包括：
校验触发单元，用于通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备；中转处理单元，用于通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长；时间轴校对单元，用于获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。
8.作为本发明的再进一步方案：所述信标信号接收模块包括信号筛选单元；所述信号筛选单元，用于当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。
9.作为本发明的再进一步方案：还包括脱困判断模块；所述脱困判断模块，用于当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备至信标信号方向。
10.本发明实施例旨在提供一种水下定位导航方法，包含步骤：接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号；获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息；基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效；获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。
11.作为本发明的进一步方案：每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。
12.作为本发明的再进一步方案：还包括步骤：通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备；通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间
节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长；获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。
13.作为本发明的再进一步方案：还包括步骤：当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。
14.作为本发明的再进一步方案：还包括步骤：当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备至信标信号方向。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对水下设备进行网络式的信标信号互相收发，借由信标信号互相判断设备间的距离与方位，从而实现空间分布关系的判断，并基于水面设备的位置辅助，完成整体设备群的水下定位工作，且通过对于信号强度的衰减强度判断，可以对无效信标信号进行过滤，使得定位的实现更加准确可靠，相较于现有技术，有效的解决了水下设备定位困难的问题，且能够通过合理的信号筛选降低错误判断的发生概率。
附图说明
16.图1为一种水下定位导航系统的组成框图。
17.图2为一种水下定位导航系统中信标时间轴校对模块的组成框图。
18.图3为一种水下定位导航方法的流程框图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.以下结合具体实施例对本发明的具体实现方式进行详细描述。
21.如图1所述，为本发明一个实施例提供的一种水下定位导航系统，包括：信标信号接收模块100，用于接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号。
22.信标距离计算模块300，用于获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息。
23.信标信号验证模块500，用于基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效。
24.分布定位模拟模块700，用于获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。
25.本实施例中，给出了一种水下定位导航系统，其通过对水下设备进行网络式的信标信号互相收发，借由信标信号互相判断设备间的距离与方位，从而实现空间分布关系的判断，并基于水面设备的位置辅助，完成整体设备群的水下定位工作，且通过对于信号强度的衰减强度判断，可以对无效信标信号进行过滤，使得定位的实现更加准确可靠，相较于现有技术，有效的解决了水下设备定位困难的问题，且能够通过合理的信号筛选降低错误判断的发生概率；使用时，系统分为水面设备和水下设备群，水面设备可以通过卫星定位系统获取自身的位置信息，水下设备可以通过声呐等水下信号方式进行信标信号的生成与互相发送（不同设备的信号可以进行识别区分），这里的发送是以统一的时间节点进行发送的（或基于设备编号进行预设顺序时间节点依次发送以降低互相间的干扰），当接收到信标信号后，通过与预设时间节点的时间间隔来判断设备间的距离，并基于距离和信标信号在水中的衰减函数进行信号强度的判断，从而对于由水下环境等产生的反射信号等进行过滤，去除影响定位判断的干扰数据（例如某a设备与b设备可以直接信号接收，与cd设备间有遮挡，cd接收到的信标信号是通过反射面反射的，则无法用于实际的位置判断使用，需要通过对其强度的判断进行过滤（在反射的过程中，强度会快速衰减，区别于直线传输中在介质中的衰减模式）），从而可以对过滤后的信标信号表征的设备间的距离进行互相的位置空间模拟判断，获取空间位置分布信息，并借由与水面设备的位置关系获取坐标信息。
26.作为本发明另一个优选的实施例，每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。
27.本实施例中，设备的接收装置是多个并列设置的，并朝向不同的方向，当信号从某一方向传输时，与其相对的单个设备垂直接触面最广，则可以最大强度的进行信号感知，从而基于此，可以判断信号的来源方向范围，方便进行空间位置信息的判断分析。
28.如图2所示，作为本发明另一个优选的实施例，还包括信标时间轴校对模块900，具体包括：校验触发单元901，用于通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备。
29.中转处理单元902，用于通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长。
30.时间轴校对单元903，用于获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送
时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。
31.本实施例中，因为水下设备在进行距离判定时，是通过预设的时间节点执行的，因此需要多个设备间的时间节点同步，则需要通过校对来实现，这里的原理在于，由一个规定的时间节点水下设备向水面设备发送校对信号，水面设备根据时间节点和接收时间获得信号的传输时间，反之，将信号返回需要同样的时间，而在水下设备获取返回的时间后，与自身时间轴的时间记录进行比对，差值则为二者不匹配的时间差，根据此时间差进行校对。
32.作为本发明另一个优选的实施例，所述信标信号接收模块100包括信号筛选单元；所述信号筛选单元，用于当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。
33.本实施例中，在信标信号获取的过程中，因水下环境的原因，同一信号可能会因为环境的反射被多次接收，但因一堆水下设备间直线传播是最快的，因此只对第一次接收到的信标信号进行记录并使用。
34.作为本发明另一个优选的实施例，还包括脱困判断模块；所述脱困判断模块，用于当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备至信标信号方向。
35.本实施例中，当水下设备无法获得足够其它设备的信标信号时，则无法对自身进行准确的水下定位，因此存在一定的安全风险，因此需要引导自身进行位置的调节，以获得更多的信标信号进行定位，主要为引导自身远离遮挡物体以及靠近其它非反射信标信号方向的方式实现。
36.如图3所示，本发明还提供了一种水下定位导航方法，其包含步骤：s200，接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号。
37.s400，获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息。
38.s600，基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效。
39.s800，获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。
40.作为本发明另一个优选的实施例，每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方
位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。
41.作为本发明另一个优选的实施例，还包括步骤：通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备。
42.通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长。
43.获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。
44.作为本发明另一个优选的实施例，还包括步骤：当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。
45.作为本发明另一个优选的实施例，还包括步骤：当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备至信标信号方向。
46.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（rom）、可编程rom（prom）、电可编程rom（eprom）、电可擦除可编程rom（eeprom）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（ram）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram（sram）、动态ram（dram）、同步dram（sdram）、双数据率sdram（ddrsdram）、增强型sdram（esdram）、同步链路（synchlink） dram（sldram）、存储器总线（rambus）直接ram（rdram）、直接存储器总线动态ram（drdram）、以及存储器总线动态ram（rdram）等。
47.本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
48.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种水下定位导航系统，其特征在于，包含：信标信号接收模块，用于接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号；信标距离计算模块，用于获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息；信标信号验证模块，用于基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效；分布定位模拟模块，用于获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。2.根据权利要求1所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。3.根据权利要求2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，还包括信标时间轴校对模块，具体包括：校验触发单元，用于通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备；中转处理单元，用于通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长；时间轴校对单元，用于获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。4.根据权利要求1所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，所述信标信号接收模块包括信号筛选单元；所述信号筛选单元，用于当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。5.根据权利要求2所述的一种水下定位导航系统，其特征在于，还包括脱困判断模块；所述脱困判断模块，用于当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备
至信标信号方向。6.一种水下定位导航方法，其特征在于，包含步骤：接收多个信标信号，并判断多个所述信标信号相对应的设备对象，所述信标信号通过每个所述设备对象以预设的时间间隔及时间节点生成并发送，所述信标信号包括与多个水下设备匹配对应的水下信标信号以及与水面设备相对应的水面信标信号；获取对应信标信号的接收时间戳，计算与所述接收时间戳相邻的所述时间节点的时间差值，并基于预设的信标信号速率与所述时间差值计算与所述信标信号相对应设备对象的距离信息；基于预设的信号衰减方程及所述距离信息对所述信标信号进行衰减模拟判断，生成理论接收强度，并获取所述信标信号的实际接收强度进行判断，若所述实际接收强度与所述理论接收强度差值超出预设范围，则将所述信标信号设为无效；获取所述水面信标信号的水面定位信息，并基于多组所述信标信号及相对应的距离信息对所述设备对象与所述水面设备的空间分布关系进行模拟，以获取多个水下设备的空间位置信息。7.根据权利要求6所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，每个所述信标信号均包括多个方位信号强度信息，所述方位信号强度信息用于表征所述信标信号发出设备对象相对于接收设备对象的方位信息，所述方位信号强度信息用于空间分布关系模拟的步骤，所述方位信号强度信息为信号接收设备与信标信号传播方向的垂直面积的直观反馈。8.根据权利要求7所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，还包括步骤：通过数个水下设备在预设的时间节点生成校对信号并发送至水面设备；通过所述水面设备获取多个来自所述水下设备的所述校对信号，基于预设的时间节点计算所述校对信号的校对传输时间，基于所述校对信号的获取时间节点连续间隔预设时长以生成并发送校对反馈信号，所述校对反馈信号包括所述校对传输时长；获取所述校对反馈信号，基于所述获取时间节点与发送时间节点计算实际校对消耗时长，通过所述校对反馈信号中的所述校对传输时长及预设时长对所述实际校对消耗时长进行判断，计算生成理论时间差值，通过所述理论时间差值对所述水下设备的时间轴进行校对。9.根据权利要求6所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，还包括步骤：当接收多个信标信号时，获取所述信标信号的识别标记，若同一所述识别标记的所述信标信号被多次获取接收，则以所述识别标记对应的所述信标信号的初次获取的时间节点为接收时间戳。10.根据权利要求7所述的一种水下定位导航方法，其特征在于，还包括步骤：当时间节点连续的所述时间间隔内未获取到预设数目的信标信号时，若所述信标信号为无效，则生成并发射环境探测信号，并接收来自环境的反射信号，基于反射信号对环境阻挡进行判断并引导水下设备远离环境阻挡；否则，引导水下设备至信标信号方向。

技术总结
本发明涉及水下定位技术相关领域，公开了一种水下定位导航方法及系统，包括信标信号接收模块、信标距离计算模块、信标信号验证模块以及分布定位模拟模块；通过对水下设备进行网络式的信标信号互相收发，借由信标信号互相判断设备间的距离与方位，从而实现空间分布关系的判断，并基于水面设备的位置辅助，完成整体设备群的水下定位工作，且通过对于信号强度的衰减强度判断，可以对无效信标信号进行过滤，使得定位的实现更加准确可靠，相较于现有技术，有效的解决了水下设备定位困难的问题，且能够通过合理的信号筛选降低错误判断的发生概率。概率。概率。


技术研发人员：卢兴海 武美蓉 王康 李道良 翁冕
受保护的技术使用者：武汉华测卫星技术有限公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/7