基于北斗定位的水下超声波多目标实时定位方法及系统与流程

本发明涉及水下声学定位与通信，具体涉及一种基于北斗定位的水下超声波多目标实时定位方法及系统。

背景技术：

1、随着海洋资源开发、水下预警探测体系以及水生生物生态监测的快速发展，水下无线网络、各类自主水下航行器以及携带声学标签的珍稀水生生物（如用于生态研究的长沙鲟鱼等）已成为水下定位与监测的重要目标。各类水下节点的工作模式不断丰富，水面平台可以通过声学通信对水下多个目标进行持续的实时定位与轨迹跟踪。多目标的精准定位作为保障水下协同作业、指挥调度以及生态洄游规律研究的重要基础，其定位的实时性和准确度对水下任务的执行效果具有重要影响。

2、目前，水下多目标的定位方法主要依赖于水面基准节点向水下发送全局的声学询问信号。通过接收各水下目标响应回传的声波信号，提取信号的往返传播时间并结合固定的经验声速参数直接折算空间直线距离，从而初步解算出各水下目标的位置坐标。

3、然而，仅依赖全局盲发的询问机制和固定的经验声速参数，难以应对水下多目标动态运动造成的声学信号时域混叠与碰撞，且无法克服实际海洋环境中声波传播路径因深度变化产生的非线性弯曲误差，导致解算出的多目标轨迹呈现严重的跳跃与失真，从而降低了水下多目标实时定位的准确性。

技术实现思路

1、基于上述缺陷，提供了一种基于北斗定位的水下超声波多目标实时定位方法及系统。

2、一种基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，所述方法包括：

3、解析接收的北斗定位信号，获取水面基准节点的绝对时空基准；

4、获取待定位的各水下目标的初始状态特征，初始状态特征包括目标标识、运动属性和历史空间位置；

5、基于绝对时空基准确立当前定位周期，根据各水下目标的运动属性，为对应的目标标识分配差异化的通信时隙，并将分配给各目标标识的通信时隙按时间先后顺序进行排布，以排布生成的时隙序列构建当前定位周期的声学调度帧；

6、依据历史空间位置划分探测空域，并按照声学调度帧携带的时隙分配信息，向各探测空域定向广播唤醒信号；

7、接收各水下目标响应唤醒信号返回的声学应答信号，提取对应声波的飞行时间、到达方位和实时深度；

8、依据实时深度对飞行时间执行声速剖面补偿得到等效测距，并结合到达方位，解算各水下目标相对于水面基准节点的相对空间坐标；

9、将相对空间坐标与对应时刻的绝对时空基准进行映射转换得到初始全局坐标，并调用与运动属性匹配的滤波算法对初始全局坐标执行平滑处理，得到实时定位轨迹。

10、通过采用上述技术方案，解析接收的北斗定位信号获取水面基准节点的绝对时空基准，为多目标调度与坐标转换建立统一的时空基点。根据水下目标的运动属性分配差异化的通信时隙并构建声学调度帧，使得各目标在错开的时间段内进行通信，避免了多目标同时应答产生的声学通道拥塞与信号混叠。依据历史空间位置划分探测空域并定向广播唤醒信号，使声波能量集中覆盖目标所在区域，减少了全局盲发带来的无关环境干扰。接收到声学应答信号后，依据提取的实时深度对飞行时间执行声速剖面补偿，修正了声波因水层深度不同而产生的非线性折射与延迟误差，使得到的等效测距更贴合真实的物理直线距离，进而结合到达方位解算出相对空间坐标。将相对空间坐标结合绝对时空基准映射为初始全局坐标后，调用与运动属性匹配的滤波算法执行平滑处理，滤除了位置解算过程中的随机离散噪点，生成连续且符合目标实际运动路线的实时定位轨迹，提高了水下多目标实时定位的准确性。

11、第二方面，本发明提供了一种基于北斗定位的水下多目标实时定位系统，所述系统包括：

12、时空基准获取模块，用于解析接收的北斗定位信号，获取水面基准节点的绝对时空基准；

13、状态特征获取模块，用于获取待定位的各水下目标的初始状态特征，初始状态特征包括目标标识、运动属性和历史空间位置；

14、声学调度帧构建模块，用于基于绝对时空基准确立当前定位周期，根据各水下目标的运动属性，为对应的目标标识分配差异化的通信时隙，并将分配给各目标标识的通信时隙按时间先后顺序进行排布，以排布生成的时隙序列构建当前定位周期的声学调度帧；

15、定向唤醒广播模块，用于依据历史空间位置划分探测空域，并按照声学调度帧携带的时隙分配信息，向各探测空域定向广播唤醒信号；

16、应答信号提取模块，用于接收各水下目标响应唤醒信号返回的声学应答信号，提取对应声波的飞行时间、到达方位和实时深度；

17、相对坐标解算模块，用于依据实时深度对飞行时间执行声速剖面补偿得到等效测距，并结合到达方位，解算各水下目标相对于水面基准节点的相对空间坐标；

18、定位轨迹生成模块，用于将相对空间坐标与对应时刻的绝对时空基准进行映射转换得到初始全局坐标，并调用与运动属性匹配的滤波算法对初始全局坐标执行平滑处理，得到实时定位轨迹。

1.一种基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述根据各水下目标的运动属性，为对应的目标标识分配差异化的通信时隙，包括：

3.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述将分配给各目标标识的通信时隙按时间先后顺序进行排布，以排布生成的时隙序列构建当前定位周期的声学调度帧，包括：

4.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述依据历史空间位置划分探测空域，并按照声学调度帧携带的时隙分配信息，向各探测空域定向广播唤醒信号，包括：

5.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述依据实时深度对飞行时间执行声速剖面补偿得到等效测距，包括：

6.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述将相对空间坐标与对应时刻的绝对时空基准进行映射转换得到初始全局坐标，包括：

7.根据权利要求1所述的基于北斗定位的水下多目标实时定位方法，其特征在于，所述调用与运动属性匹配的滤波算法对初始全局坐标执行平滑处理，得到实时定位轨迹，包括：

8.一种基于北斗定位的水下多目标实时定位系统，其特征在于，所述系统包括：