一种水下智能装备定位系统及方法与流程

技术特征：
1.一种水下智能装备定位系统，其特征在于，所述系统包括：地面综合系统、水下智能装备和多个移动式智能浮标；多个移动式智能浮标位于海面上，并围成水下智能装备的工作海域；所述水下智能装备投放于所述工作海域的水下；多个移动式智能浮标均与水下智能装备进行水声通信，多个移动式智能浮标用于分别向水下智能装备发射简谐波声学信号，并接收水下智能装备的反馈简谐波声学信号；多个移动式智能浮标还均与地面综合系统连接，多个移动式智能浮标还用于获取各自的环境信息和卫星定位信息，并将各自的环境信息、卫星定位信息以及各自接收的反馈简谐波声学信号传输至地面综合系统；所述地面综合系统用于将多个移动式智能浮标的环境信息、卫星定位信息和反馈简谐波声学信号进行多信息融合，计算水下智能装备的位置信息。2.根据权利要求1所述的水下智能装备定位系统，其特征在于，所述移动式智能浮标包括：水听器、环境监测器、卫星定位器和无线信号发射器；水听器、环境监测器和卫星定位器均通过无线信号发射器与地面综合系统连接；所述水听器用于向水下智能装备发射简谐波声学信号，并接收水下智能装备的反馈简谐波声学信号，同时将反馈简谐波声学信号通过无线信号发射器传输至地面综合系统；所述环境监测器用于测量移动式智能浮标所处环境的环境信息，并将所述环境信息传输至地面综合系统；所述环境信息包括水声速度和噪声；所述卫星定位器用于获取移动式智能浮标的卫星定位信息，并将所述卫星定位信息传输至地面综合系统。3.根据权利要求1所述的水下智能装备定位系统，其特征在于，所述水下智能装备包括：水声通信机；所述水声通信机用于接收多个移动式智能浮标发射的简谐波声学信号，并同时向多个移动式智能浮标发射反馈简谐波声学信号。4.一种基于权利要求1-3任一项所述的水下智能装备定位系统的水下智能装备定位方法，其特征在于，所述方法包括：获取每个移动式智能浮标的环境信息、卫星定位信息以及反馈简谐波声学信号；根据每个移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号和基准移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号，采用基于经验模式分解的广义互相关时延估计方法，获得每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值；根据每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值、每个移动式智能浮标的环境信息和卫星定位信息，利用两次最小二乘法获得水下智能装备的初始定位结果；根据所述初始定位结果，采用泰勒定位算法，确定水下智能装备的最终定位结果。5.根据权利要求4所述的水下智能装备定位方法，其特征在于，所述根据每个移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号和基准移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号，采用基于经验模式分解的广义互相关时延估计方法，获得每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值，具体包括：根据每个移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号和基准移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号，采用经验模态分解法和最大似然估计法，获得每个移动式智能浮标的滤波参
数；将每个移动式智能浮标的滤波参数代入广义互相关函数获得每个移动式智能浮标与基准移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的互相关性；根据所述互相关性，利用公式获得每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值；其中，为移动式智能浮标与基准移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的互相关性，ψ(f)为滤波参数，为移动式智能浮标与基准移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的交叉功率谱密度，d为时延估计值，τ为移动式智能浮标与基准移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时间差。6.根据权利要求5所述的水下智能装备定位方法，其特征在于，所述根据每个移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号和基准移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号，采用经验模态分解法和最大似然估计法，获得每个移动式智能浮标的滤波参数，具体包括：采用经验模态分解法对每个移动式智能浮标的反馈简谐波声学信号进行分解，获得每个反馈简谐波声学信号的多阶内涵模态分量；将第一阶内涵模态分量作为第一噪声信号，第二阶内涵模态分量作为第二噪声信号，每个反馈简谐波声学信号的多阶内涵模态分量中第一阶内涵模态分量和第二阶内涵模态分量以外的内涵模态分量的和作为估计信号，获取每个移动式智能浮标的第一噪声信号和第二噪声信号，并获取基准移动式智能浮标的估计信号；确定每个移动式智能浮标的第一噪声信号和第二噪声信号的功率谱密度以及基准移动式智能浮标的估计信号的功率谱密度，并利用最大似然估计函数获得每个移动式智能浮标的滤波参数；其中，s(f)为估计信号的功率谱密度，w1(f)为第一噪声信号的功率谱密度，w2(f)为第二噪声信号的功率谱密度。7.根据权利要求4所述的水下智能装备定位方法，其特征在于，所述根据每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值、每个移动式智能浮标的环境信息和卫星定位信息，利用两次最小二乘法获得水下智能装备的初始定位结果，具体包括：将每个移动式智能浮标接收反馈简谐波声学信号的时延估计值与每个移动式智能浮标的环境信息中的水声速度的乘积，作为每个移动式智能浮标与基准移动式智能浮标到水下智能装备的斜距距离差；根据所述斜距距离差、每个移动式智能浮标的卫星定位信息和环境信息中的噪声，利用最小二乘法获得水下智能装备的初始位置估计坐标；根据所述初始位置估计坐标，利用最小二乘法获得估计位置偏差；根据初始位置估计坐标和估计位置偏差，利用公式确定水下智能装
备的初始定位结果；其中，z
p
为水下智能装备的初始定位结果向量，z
′
a
为估计位置偏差向量，(x0，y0，z0)为初始位置估计坐标。8.根据权利要求4所述的水下智能装备定位方法，其特征在于，根据所述初始定位结果，采用泰勒定位算法，确定水下智能装备的最终定位结果，之后还包括：获取所述最终定位结果与多个移动式智能浮标围成的工作海域边界的距离；当所述距离小于或等于距离阈值时，移动多个移动式智能浮标的位置，使得水下智能装备一直处于多个移动式智能浮标所围成的工作海域内。

技术总结
本发明涉及一种水下智能装备定位系统及方法，系统包括地面综合系统、水下智能装备和多个移动式智能浮标，建立移动式智能浮标定位系统，应用卫星信号实现浮标自身定位数据，降低了定位测量阵布放的难度；定位方法上采用模态分解与最大似然估计的方法进行发射信号估计和噪声信号估计，在低信噪比条件下，提高不同移动式智能浮标间的时延估计值精度提高，并应用两次最小二乘法与泰勒定位解算算法相结合，既减少了所需的传感器设备和解算过程的复杂度，又提高了水下定位的定位精度。又提高了水下定位的定位精度。又提高了水下定位的定位精度。


技术研发人员：杨辉宝 高秀晶 黄红武 李邦帅 肖波
受保护的技术使用者：厦门理工学院
技术研发日：2021.10.08
技术公布日：2022/1/18