一种水下信标定位系统及方法与流程

本技术属于水声定位，尤其是涉及一种水下信标定位系统及方法。

背景技术：

1、水声定位是海洋搜救、水下作业、水下人员救援的核心支撑技术。超短基线/短基线水声定位依靠水面基阵接收水下信标声学信号，通过信号传播时差完成联合定位，广泛应用于落水人员搜救、auv/rov跟踪、海底设备回收等场景。相关技术的水下定位装备多为固定式大尺寸结构，系统集成度低、便携性差，水下信标待机电流高，落水后持续高频发射水声信号，功耗控制差，续航不足；同时，定位解算算力分配不合理，信号丢失后自主跟踪恢复能力弱，无法同步回传自身水深数据，工况交互单一，定位误差大。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术旨在提出一种水下信标定位系统及方法，以至少解决相关技术中的一个问题。

2、为达到上述目的，本技术提供一种水下信标定位系统，包括水下信标单元、水声基线阵列、水上定位单元和显控地面站；水下信标单元用于在低功耗监听状态下接收水声问询信号，并在检测到满足有效问询条件的水声问询信号后进入应答状态，获取自身的水深信息并发射携带水深信息的水声应答信号；水声基线阵列包括至少三个阵元，用于发射水声问询信号并同步接收水声应答信号；水上定位单元用于对水声应答信号进行处理，并根据至少三个阵元的时延数据、水深信息以及水声基线阵列的阵元空间位置信息进行目标坐标解算；水上定位单元还用于根据当前定位周期获得的信号质量指标加权确定当前定位周期的信号质量状态，根据信号质量状态在正常跟踪状态、弱信号状态和重捕获状态之间切换，并在不同状态下调整定位检测参数；水上定位单元在重捕获状态下调整定位检测参数以重新捕获水声应答信号，并在连续多个定位周期同时满足预设信号质量恢复条件后恢复正常跟踪状态；显控地面站接收水上定位单元解算数据，显示水下目标信息。

3、进一步的，水上定位单元包括第一处理单元和第二处理单元，第一处理单元用于对阵元的同步采样数据进行数字滤波、乒乓缓存、归一化滑动相关和候选相关峰提取，并输出各阵元对应的初始时延估计；第二处理单元包括一个主处理器和至少两个从处理器，其中，至少两个从处理器被配置为并行接收一个或多个阵元对应的初始时延估计，并执行亚采样时延精细估计，得到各阵元对应的目标时延估计；主处理器接收从处理器输出的目标时延估计、并结合水深信息以及阵元空间位置信息解算得到水下信标的目标坐标。

4、进一步的，第一处理单元通过多通道ad处理器同步采集阵元的信号数据，对同步采样数据进行带通滤波获得目标工作频率数据，采用乒乓缓存机制对目标工作频率数据进行并行读写处理。

5、第一处理单元对各路阵元的缓存数据进行滑动相关运算，获取对应的相关序列，并结合信号能量完成相关序列归一化处理，对归一化后的相关序列搜索得到候选相关峰及其对应的采样点位置。

6、第一处理单元通过候选相关峰的峰值阈值、峰宽范围、主次峰值差值筛选有效候选相关峰，并生成对应峰值置信度，根据有效候选相关峰对应的采样点位置确定初始时延估计，并将初始时延估计以及有效候选相关峰的邻域波形数据输出至从处理器。

7、进一步的，从处理器并行接收阵元的有效候选相关峰邻域波形数据，基于亚采样插值算法对相关峰波形进行拟合优化，求解得到亚采样偏移量，结合初始时延估计、采样频率以及预先标定的系统固定时延补偿量，计算得到目标时延估计，并同步生成时延结果的可信度指标。

8、主处理器接收各从处理器输出的目标时延估计及对应可信度指标，结合水上定位单元的位置信息、姿态信息、水声基线阵列的阵元安装标定参数以及水深信息解算得到水下信标的目标坐标。

9、进一步的，主处理器根据各阵元对应的目标时延估计及可信度指标，对各阵元的时延数据进行一致性校验，并根据可信度指标确定各阵元时延数据在目标坐标解算过程中的贡献程度；对于不满足预设时延一致性条件或可信度低于预设可信度阈值的阵元时延数据，降低其在目标坐标解算过程中的贡献程度或将其从当前定位周期的目标坐标解算中剔除。

10、主处理器基于经一致性校验后的阵元时延数据、水深信息以及阵元空间位置信息建立目标位置约束关系，通过迭代求解获得水下信标的候选目标坐标，并根据候选目标坐标对应的定位残差确定当前定位结果的有效性；当定位残差不满足预设残差条件时，重新选取候选相关峰组合或者调整参与目标坐标解算的阵元时延数据，直至获得满足预设残差条件的目标坐标或判定当前定位周期定位失败。

11、进一步的，当前定位周期的信号质量状态根据多个经归一化的信号质量指标综合确定，信号质量指标包括信噪比指标、主峰与次峰的峰值差异指标、相关峰邻域波形与参考相关波形的一致性指标、相邻定位周期时延连续性指标以及定位残差一致性指标中的至少两种；水上定位单元根据信号质量指标的加权结果确定当前工作状态为正常跟踪状态、弱信号状态或重捕获状态，并使进入弱信号状态与退出弱信号状态采用不同的质量阈值，以形成滞回控制。

12、若连续预设第一数量个周期的信号质量状态阈值低于预设第一阈值，则进入弱信号状态；若连续预设第二数量个周期的信号质量状态阈值高于预设第二阈值，且定位残差满足精度要求，则进入正常跟踪状态；若连续多个预设第三周期内无有效应答信号或无有效定位结果，则进入重捕获状态；所述预设第一阈值小于所述预设第二阈值。

13、进一步的，水下信标单元包括休眠状态、监听状态、应答状态和异常处理状态；水下信标单元在休眠状态下关闭水声发射功放和非必要接收电路，在监听状态下按照预设监听周期以低占空比方式开启接收前端，在检测到有效问询后开启水声发射功放进入应答状态；监听周期根据水下信标的剩余电量进行调整，且仅在确认有效问询后启动高功率应答，从而通过控制接收前端开启时长、应答发射时长和休眠时长降低平均功耗。

14、进一步的，定位检测参数包括接收增益、相关检测门限、时延搜索窗口和水声问询周期。

15、水上定位单元在正常跟踪状态下，根据上一定位周期获得的目标时延估计确定当前定位周期的时延搜索窗口，并按照第一接收增益、第一相关检测门限和第一水声问询周期执行水声应答信号检测；当信号质量状态由正常跟踪状态切换至弱信号状态时，水上定位单元至少执行提高接收增益、降低相关检测门限、扩大时延搜索窗口以及缩短水声问询周期中的一项。

16、当连续多个定位周期未获得满足有效检测条件的水声应答信号或满足预设定位有效性条件的定位结果时，水上定位单元切换至重捕获状态，并按照预设调节次序对接收增益、相关检测门限、时延搜索窗口和水声问询周期中的至少两项进行分级调整，以扩大水声应答信号的捕获范围。

17、在重新获得水声应答信号后，水上定位单元对连续多个定位周期的相关峰质量、阵元间时延一致性和定位残差进行恢复确认，并在满足预设信号质量恢复条件后，将定位检测参数逐级恢复至正常跟踪状态对应的参数范围。

18、进一步的，水声基线阵列包括中心安装件、至少三根可折叠阵列杆和分别设置在阵列杆远端的水声换能器，水声换能器构成水声基线阵列的阵元，各阵列杆通过铰接节点与中心安装件连接；阵列杆展开后形成预定的阵元空间位置关系，中心安装件设置用于船舷或岸基支撑物固定的夹持结构；阵列杆内部设置水密线缆通道，并通过水密连接器与水上定位单元连接。

19、进一步的，本技术还提供一种水下信标定位方法，应用于水下信标定位系统，包括：控制水声基线阵列发射水声问询信号，并控制水下信标单元在低功耗监听状态下检测水声问询信号；在水下信标单元检测到满足有效问询条件的水声问询信号后，控制水下信标单元切换至应答状态；其中，水下信标单元获取自身的水深信息，并发射携带水深信息的水声应答信号；利用水声基线阵列同步接收水声应答信号，对各阵元的接收信号进行同步采样、数字滤波和滑动相关处理，获得各阵元对应的候选相关峰，并根据候选相关峰的峰值特征和波形特征筛选有效候选相关峰；根据有效候选相关峰获得各阵元对应的初始时延估计，对有效候选相关峰的邻域波形进行亚采样时延精细估计，获得各阵元对应的目标时延估计以及表征目标时延估计可靠程度的可信度指标；根据各阵元对应的目标时延估计和可信度指标进行阵元间时延一致性校验，并结合水深信息以及水声基线阵列的阵元空间位置信息进行目标坐标解算，获得水下信标的目标坐标以及对应的定位残差；在每一定位周期结束后，将该定位周期的候选相关峰质量、目标时延估计、定位残差和当前信号质量状态中的至少一项作为下一定位周期的反馈信息，并利用反馈信息确定下一定位周期的定位检测参数；将目标坐标发送至显控地面站进行显示。

20、本技术还提供了一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现上述水下信标定位方法的步骤。

21、本技术还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时实现上述水下信标定位方法的步骤。

22、本技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述水下信标定位方法的步骤。

23、本技术提供一种集成折叠式轻量化基阵、低功耗自适应应答信标、多处理器分布式解算架构、自动增益自适应门限跟踪恢复、水深融合三维定位的水下信标定位系统，实现小型化便携部署、长续航水下信标、高精度高刷新率定位、信号丢失后快速自主重锁目标。

24、通过水下信标的低功耗监听与按需应答，避免在没有有效问询时持续以高功率发声，从而降低平均功耗。基于信号质量状态使接收增益、检测门限、搜索窗口和问询周期根据实际水声环境调整，在信号变弱时提高捕获概率，在信号恢复后逐步回退参数，减少参数振荡。通过水深约束的加权三维定位，将压力传感器测得的深度直接引入位置方程，而不是仅作为显示信息，并结合阵元信号质量调整不同阵元对解算结果的影响。通过多处理器的分层数据流，使前端相关运算与精细时延和坐标解算分开处理，从而减轻单一处理器负载。通过折叠、伸缩及夹持结构，使水声基线阵列能够在运输状态与工作状态之间快速转换，并通过阵元几何标定保证展开后的阵元空间关系可用于定位解算。