阅读说明：本技术 一种水下设备的定位求解设备和定位求解系统 (Positioning solving equipment and positioning solving system of underwater equipment ) 是由 高秀晶 袁志群 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水下设备的定位求解设备和定位求解系统,涉及水下的定位技术领域。其中,定位求解设备包括获取设备位置即第一定位的定位器、接收待定位设备发出的声波并生成对应信号的至少三个接收换能器,以及控制器。控制器用于,根据第一定位和各接收换能器在设备上的几何关系,计算每个接收换能器的位置即第二定位；根据声波信号,计算各接收换能器到待定位设备的距离；根据第二定位和距离,构建多边定位模型,并用牛顿近似法和最小二乘法求解,以获得待定位设备的位置即第三定位。本发明简化了第三定位的求解步骤,减小控制器的运算量,并获得准确的第三定位。利用通信装置互通多个定位求解设备,构建定位求解系统,扩大了定位范围。(The invention provides a positioning solving device and a positioning solving system of underwater equipment, and relates to the technical field of underwater positioning. The positioning solving equipment comprises a positioner for acquiring the position of the equipment, namely the first positioning, at least three receiving transducers for receiving sound waves emitted by the equipment to be positioned and generating corresponding signals, and a controller. The controller is used for calculating the position of each receiving transducer, namely a second positioning according to the first positioning and the geometrical relation of each receiving transducer on the equipment; calculating the distance from each receiving transducer to the equipment to be positioned according to the sound wave signals; and constructing a multilateral positioning model according to the second positioning and the distance, and solving by using a Newton approximation method and a least square method to obtain the position of the equipment to be positioned, namely the third positioning. The method simplifies the solving step of the third positioning, reduces the operation amount of the controller and obtains the accurate third positioning. A plurality of positioning solving devices are communicated by utilizing the communication device, a positioning solving system is constructed, and the positioning range is expanded.)

一种水下设备的定位求解设备和定位求解系统

技术领域

本发明涉及水下定位技术领域，具体而言，涉及一种水下设备的定位求解设备和定位求解系统。

背景技术

现有的水下定位技术主要有无线电定位、声学定位、惯性导航定位、视觉定位和地形匹配定位等方式。无线电因在水下衰减量大，无法在水下传播的原因，只能应用近海面的小范围；视觉定位因水下环境复杂、能见度低等原因，无法应用于广域定位；惯性导航装置因其工作原理的原因，长时间远距离使用会导致误差增大，同时，使用惯性导航定位需要在误差增大的情况下，上浮到水面应用卫星定位等进行位置校正，导致潜航器能源消耗大，工作效率低等问题；地形匹配仅限于海底使用，无法满足水中和水面的使用，且使用时需要地形图进行匹配，成本高。因此水下定位技术主要采用声学定位的方法。

目前，声学定位主要有长基线(LBL)、短基线(SBL)和超短基线(USBL)三种，由于接收换能器的测量存在不同的误差，因此相关技术中声学定位的准确度较低，并且相关技术中求解待定位位置的坐标时计算流程较为复杂，运算量较大，测量范围有限，系统较为复杂。有鉴于此，申请人在研究了现有的技术后特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种水下设备的定位求解设备和定位求解系统，以改善相关技术中的求解待定位位置的坐标时计算流程较为复杂，运算量较大，且定位范围有限，系统较为复杂的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种水下设备的定位求解设备，其包括***、控制器，以及至少三个接收换能器；

所述***，用于获取所述定位求解设备自身的位置，即第一定位；

至少三个所述接收换能器，用于分别接收水下的待定位设备发出的声波，并分别生成对应的电信号发送给所述控制器；

所述控制器包括存储器和处理器，所述处理器被配置为执行所述存储器的计算机程序，以实现：

根据所述第一定位和各所述接收换能器在设备上的位置，计算得到每个所述接收换能器的第二定位；

根据每个接收换能器发送的所述电信号，计算得到各所述接收换能器到所述待定位设备的距离；

根据所述第二定位和所述距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，以获得所述待定位设备的第三定位。

进一步地，根据所述第二定位和所述距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，以获得所述待定位设备的第三定位，具体为：

根据所述第二定位和所述距离，建立关于所述第三定位的多边定位模型；

设定所述多边定位模型的初始值；其中，所述初始值包括所述第三定位的预估值和所述距离的误差修正量的预估值；

将所述初始值输入所述多边定位模型，获得牛顿近似模型；

获取所述距离的偶然误差，将所述偶然误差加到所述牛顿近似模型，并用最小二乘法求解，获得所述初始值对应的初始修正量；

根据所述初始修正量更新所述初始值，以获得更新后的新初始值对应的新修正量，直至所述新修正量满足预设条件；

将满足所述预设条件的新修正量对应的新初始值作为所述第三定位的坐标值。

进一步地，将所述初始值输入所述多边定位模型，获得牛顿近似模型，具体为：

将所述初始值输入所述多边定位模型，获得所述初始值对应的初始距离模型；

构建未知真实距离与所述初始距离模型的差分模型；其中，所述未知真实距离为各所述接收换能器到所述待定位设备的实际距离；

对所述差分模型进行线性处理，获得线性差分模型；其中，所述线性差分模型包括所述第三定位的坐标值的第一差分修正量和所述误差修正量的第二差分修正量；

对所述第一差分修正量和所述第二差分修正量进行微分计算，获得所述牛顿近似模型；其中，所述牛顿近似模型的表达式为ΔR＝AΔX，

ΔR为距离差分，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃……ΔR_j为各所述接收换能器对应的所述未知真实距离与所述初始距离之间的差分，A为矩阵系数，ΔX为所述初始修正量。

进一步地，获取所述距离的偶然误差，将所述偶然误差加到所述牛顿近似模型，并用最小二乘法求解，获得所述初始值对应的初始修正量，具体为：

获取各接收换能器对应的所述距离的偶然误差，构建偶然误差模型；其中，所述偶然误差模型的表达式为ε₁、ε₂、ε₃……ε_j为各接收换能器对应的所述距离的所述偶然误差；

将所述偶然误差模型加到所述牛顿近似模型，获得待求解模型；其中，所述待求解模型的表达式为ΔR＝AΔX+ε，ΔR为距离差分，A为矩阵系数，ΔX为所述初始修正量；

根据最小二乘法求解所述待求解模型，获得所述初始修正量；其中，所述初始修正量的表达式为ΔX＝(A^TA)^-1A^TΔR。

进一步地，根据所述初始修正量更新所述初始值，以获得更新后的新初始值对应的新修正量，直至所述新修正量满足预设条件，具体为：

当所述新初始值不小于预设值时，将所述新修正量及其对应的新初始值相加作为新的初始值，并重新进行求解。

进一步地，将满足所述预设条件的新修正量对应的新初始值作为所述第三定位的坐标值，具体为：

当所述新修正量小于所述预设值时，将所述新修正量对应的新初始值的第三定位作为所述第三定位的坐标值。

进一步地，所述定位求解设备还包括适于与外部设备进行交互的通信装置；其中，所述通信装置为水声通信装置和/或无线通信装置；

所述通信装置，用于将所述第一定位和/或第三定位发送给外部设备。

第二方面，本发明实施例提供了一种水下设备的定位求解系统，其包括待定位设备和至少两个上述任一段所述的定位求解设备；其中，至少一个所述定位求解设备处于工作状态，其余处于待机状态；

所述待定位设备，能够在水下移动和发出声波；

处于待机状态的第一号定位求解设备，用于获取自身的第一定位，并发送给处于工作状态的第二号定位求解设备；

所述第二号定位求解设备，用于接收所述声波，以获得所述待定位设备的第三定位，并根据所述第一定位和所述第三定位，切换所述第一号定位求解设备的状态。

进一步地，所述第二号定位求解设备，具体用于判断所述第三定位是否超出其测量范围阈值，当第三定位超出其测量范围阈值时，发送触发信号给最接近所述第三定位的第一号定位求解设备；

所述第一号定位求解设备，用于在接收所述触发信号后，从待机状态切换为工作状态；以及，当进入工作状态时，发送反馈信号给所述第二号定位求解设备；

所述第二号定位求解设备，还用于在接收所述反馈信号后，从工作状态切换为待机状态。

进一步地，所述第二号定位求解设备，还用于将所述第三定位发送给所述第一号定位求解设备，

所述第一号定位求解设备，还用于判断所述第三定位是否位于自身的测量范围，当所述第三定位位于其自身的测量范围时，从待机状态切换为工作状态。

所述第二号定位求解设备，还用于判断所述第三定位是否位于自身的测量范围，当所述第三定位不位于其自身的测量范围时，从工作状态切换为待机状态。

进一步地，所述第二号定位求解设备，还用于将所述第三定位发送给所述待定位设备。

进一步地，所述第二号定位求解设备，还用于将所述第三定位和其自身的第一定位发送给云端服务器。

本发明实施例提供的水下设备的定位求解设备，可以取得以下技术效果：

(1)、根据第二定位和距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，大大简化了第三定位的求解步骤，有效减小了控制器的运算量，并且能够获得准确的第三定位；

(2)、利用声波损失量与距离的关系，进行待定位设备和定位求解设备的接收换能器之间的距离测量，从基本原理上进行了简化，无需操作前的设置工作，使系统更加简便、降低成本。

本发明实施例提供的水下设备的定位求解系统，可以取得以下技术效果：

(1)多个定位求解设备之间进行交互并建立基站网络，有效地扩大测量范围。

(2)定位求解系统中仅保留少数定位求解设备处于运行状态，其余均处于待机状态，既能够取得精准的第三定位，又能够降低整个系统的能耗。

(3)定位求解设备与水下的待定位设备之间进行交互，为其自主潜航提供位置信息，使待定位设备能够在更大的范围内进行自主航行和作业等活动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例的定位求解设备的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的定位求解设备的工作流程图；

图3为本发明第一实施例的定位求解设备求解第三定位的流程框图；

图4为待定位设备的结构示意图；

图5为待定位设备发出声波的流程框图；

图6为定位求解设备接收声波并计算距离的流程框图；

图7为本发明第二实施例的定位求解系统的第一结构示意图；

图8为本发明第二实施例的定位求解系统的工作流程图；

图9为本发明第二实施例的定位求解系统的第二结构示意图；

图10为本发明第一实施例的定位求解设备求解第三定位的逻辑框图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例中提及的“第一\第二\第三”、“第一号\第二号”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”、“第一号\第二号”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”、“第一号\第二号”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一：

请参阅图1，本发明第一实施例提供的一种水下设备的定位求解设备，其包括***105、控制器104、适于与外部设备进行交互的通信装置106，以及至少三个接收换能器101。

***105，用于获取定位求解设备自身的位置，即第一定位。

至少三个接收换能器101，用于分别接收水下的待定位设备701发出的声波，并分别生成对应的电信号发送给控制器104。

控制器104包括存储器和处理器，处理器被配置为执行存储器的计算机程序，以实现：

根据第一定位和各接收换能器101在设备上的位置，计算得到每个接收换能器101的第二定位。

根据每个接收换能器101发送的电信号，计算得到各接收换能器101到待定位设备701的距离。

根据第二定位和距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，以获得待定位设备701的第三定位。

通信装置106，用于将第一定位和/或第三定位发送给外部设备。

具体地：

所述定位求解设备可以是漂浮于水面的控制基站、领航母船或者浮标等，本发明不做具体限制。其用于监控水下的待定位设备701，或为水下的待定位设备701的自主潜航提供定位信息。

所述***105为GPS、北斗、GLONASS等现有等定位系统的***105，本发明不做具体限定。其用于从定位卫星704处获取定位求解设备的精准的第一定位。

通信装置106为水声通信装置和/或无线通信装置。

水声通信装置用于定位求解设备与水下的待定位设备701之间进行交互。定位求解设备通过水声通信装置将第三定位发送给待定位设备701，为其自主潜航提供位置信息。

无线通信装置用于多个定位求解设备之间进行交互，以使多个定位求解设备之间建立基站网络，有效地扩大测量范围。

水声通信装置和无线通信装置，均为现有技术，其具体型号本发明不做限定，在此不再赘述。

待定位设备701可以是水下电子设备，例如航行器、机器人等，或者潜水员随身携带的定位装置等，本发明不做具体限制。

根据第二定位和距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，大大简化了第三定位的求解步骤，有效减小了控制器104的运算量，并且能够获得准确的第三定位。

请参阅图2，在本发明实施例中，定位求解设备获取待定位设备701的第三定位包括如下步骤：

在***105处：

S201，获取定位求解设备自身的第一定位并发送给控制器104。

在多个接收换能器101处：

S202，分别接收水下的待定位设备701发出的声波，并分别生成对应的电信号发送给控制器104。

在控制器104处：

S203，根据第一定位和各接收换能器101在设备上的位置，计算得到每个接收换能器101的第二定位(x_j，y_j，z_j)。其中，x，y，z表示坐标值，j表示不同的接收换能器101的序号。

S204，根据每个接收换能器101发送的电信号，计算得到各接收换能器101到待定位设备701的距离R_j。其中，j表示不同的接收换能器101的序号。

S205，根据第二定位和距离，构建多边定位模型，并用牛顿近似法和最小二乘法求解，以获得待定位设备701的第三定位。

在通信装置106处：

S206，用于将第一定位和/或第三定位发送给外部设备。

如图3和图10所示，本实例中S205具体包括：

S301，根据第二定位和距离，建立关于第三定位的多边定位模型；其中，所述多边定位模型的表达式为：

(x，y，z)为待定位设备701的第三定位，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)……(x_j，y_j，z_j)为不同接收换能器101的第二定位，R₁、R₂、R₃……R_j为不同接收换能器101到待定位设备701的距离，e为距离的误差修正量，j表示不同的接收换能器101的序号。

S302，设定多边定位模型的初始值。

其中，初始值包括第三定位的预估值(x₀，y₀，z₀)和距离的误差修正量的预估值e₀。

S303，将初始值输入多边定位模型，获得牛顿近似模型。

S304，获取距离的偶然误差，将偶然误差加到牛顿近似模型，并用最小二乘法求解，获得初始值对应的初始修正量。

S305，根据初始修正量更新初始值，以获得更新后的新初始值对应的新修正量，直至新修正量满足预设条件。

具体地:

当新修正量不小于预设值时，将新修正量及其对应的新初始值相加作为新的初始值，并返回S302重新进行求解；

当新初始值小于预设值时，表示新修正量满足预设条件。

S306，将满足预设条件的新修正量对应的新初始值作为第三定位的坐标值。

具体地：

当新修正量小于预设值时，将新修正量对应的新初始值的第三定位作为第三定位的坐标值。

S303具体包括：

S3031，将初始值输入多边定位模型，获得初始值对应的初始距离模型。

其中，所述初始距离模型的表达式为：

R₁₀、R₂₀、R₃₀……R_j0为所述初始值对应的不同接收换能器101到待定位设备701的所述初始距离，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)……(x_j，y_j，z_j)为不同接收换能器101的第二定位，j表示不同的接收换能器101的序号。

S3032，构建未知真实距离与初始距离的差分模型；其中，未知真实距离为各接收换能器101到待定位设备701的实际距离。其中，所述差分模型的表达式为：

R₁、R₂、R₃……R_j为不同接收换能器101到待定位设备701的距离，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃……ΔR_j为距离与初始距离之间的差分，j表示不同的接收换能器101的序号。

S3033，对差分模型进行线性处理，获得线性差分模型。

其中，线性差分模型包括第三定位的坐标值的第一差分修正量和误差修正量的第二差分修正量。线性差分模型的表达式为：

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃……ΔR_j为距离与初始距离之间的差分，Δx_j、Δy_j、Δz_j为第一差分修正量，Δe_j为第二差分修正量，j表示不同的接收换能器101的序号。

S3034，对第一差分修正量和第二差分修正量进行微分计算，获得牛顿近似模型。其中，牛顿近似模型的表达式为：

ΔR＝AΔX

ΔR为距离差分，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃……ΔR_j为各接收换能器101对应的未知真实距离与初始距离之间的差分，A为矩阵系数，ΔX为初始修正量。

S304具体包括：

S3041，获取各接收换能器101对应的距离的偶然误差，构建偶然误差模型。其中，偶然误差模型的表达式为：

ε₁、ε₂、ε₃……ε_j为各接收换能器101对应的距离的偶然误差。

S3042，将偶然误差模型加到牛顿近似模型，获得待求解模型。其中，待求解模型的表达式为：

ΔR＝AΔX+ε

ΔR为距离差分，A为矩阵系数，ΔX为初始修正量。

偶然误差的二乘和计算公式为：

F(ε_j)＝＝ε^Tε

S3043，根据最小二乘法求解待求解模型，获得初始修正量。

其中，初始修正量的表达式为

ΔX＝(A^TA)^-1A^TΔR

如图4所示，与本实施例的定位求解设备配合的待定位设备701包含:

声波发生单元401，用于根据用户设置的待测距离的范围生成多个不同频率的声波信号，并融合成第一多频声波组合信号。

第一功率调节单元404，用于放大第一多频声波组合信号的强度。

发射换能器405，用于根据放大后的第一多频声波组合信号发射第一多频声波。

声波发生单元401，具体包括：

声波阵列单元402，用于生成多个不同频率的声波信号。

声波频率调节单元403，用于将多个不同频率的声波信号融合成第一多频声波组合信号。

进一步地，声波信号S_T的表达式为：S_T＝V_Tsin(2πf_it)。其中，V_T为声波发生单元的第一信号电压，f_i为声波信号的频率，t为时间。

在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，声波信号为突发信号。

声波发生单元，包括：

波数调节单元，用于调节第一多频声波组合信号的波数N，以得到音频突发信号。

在本实施例中，定位求解设备还包含第二功率调节单元102和信号处理单元103。

至少三个接收换能器101，用于在不同位置分别接收第二多频声波,以获得多个第二多频声波组合信号。其中，第二多频声波由第一多频声波经过传播介质后生成；

第二功率调节单元102，用于分别放大多个第二多频声波组合信号。

信号处理单元103，用于分别处理放大后的第二多频声波组合信号，以获得多个第二多频声波组合信号的第二声波参数。

控制器104，用于接收多个第二声波参数和第一多频声波组合信号的第一声波参数，并根据第一声波参数和多个第二声波参数计算得到各个接收换能器101到待定位设备701的距离。

具体地：

第一声波参数包括待定位设备701的声波发生单元的第一信号电压V_T、第一功率调节单元的第一放大系数G_T，以及发射换能器的第一电压响应TVR。

第二声波参数包括接收换能器101的第二电压响应RVR_j、第二功率调节单元102的第二放大系数

第一多频声波经过传播介质后被定位求解设备接收并放大的第二信号电压

以及因外界因素引起的损失量A。其中,A根据3σ准则获得。

在本实施例中，控制器104，具体用于：

根据第一声波参数，计算得第一多频声波发射时的第一声波电压P_s。其中，第一声波电压P_s的表达式为：

P_s＝V_T×G_T×TVR

根据第二声波参数，计算得第二多频声波被接收时的第二声波电压P_r。其中，第二声波电压P_r的表达式为：

根据第一声波电压、第二声波电压和损失量，计算得待定位设备701和各个接收换能器101之间的距离R_j。其中，

SPL＝20log(R_j)+αR_j+A

且

其中，SPL为传播损失量、α为传播介质的吸收系数。

在其它实施例中，第一声波电压计算模块可以配置于待定位设备701，而第一声波参数仅包括第一声波电压的数值，这样有利于减少待定位设备701和定位求解设备之间数据交互的大小，很好的保证了信息交互的效率，减少信息丢失的概率。其中，第一声波参数可以通过水声通信装置进行传输，也可以调制在第一多频声波组合信号中发送出去给定位求解设备。这些方案均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

在本实施例中，信号处理单元103，具体用于：

将放大后的第二多频声波组合信号，进行SNR分析、噪音处理、傅里叶变换处理，并提取多个不同频率的混合波信号的第一振幅。其中，混合波信号包括直接波信号和反射波信号。混合波信号S_R的表达式为：

其中，

为第一振幅的表达式，为直接波信号的振幅，f_i为混合波信号的频率，i为多个混合波信号的数量，Δt为接收直接波信号和反射波信号的时间差，为声波被接收时的相位变化；

根据多个第一振幅，计算得声波经过传播介质后被定位求解设备2接收并放大后的第二信号电压。其中，第二信号电压的表达式为

在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，定位求解设备2还包括：

距离输出单元250，用于将控制器104计算得到的距离输出至外部显示设备，和/或用于提供一供外部设备调用控制器104计算得到的距离的CAN接口。

实施例二：

本发明第三实施例提供了一种用于声波测距的方法，其可由上述所述的定位求解设备和待定位设备701来执行，特别地，由基于定位求解设备和待定位设备701的两个或两个以上处理器来执行，以至少实现如下步骤：

请参阅图5，在待定位设备701处：

S501获取待测距离的范围。

在本实施中，待定位设备701可以是水下电子设备，例如航行器、机器人等，或者潜水员随身携带的定位装置等。

具体地，待测距离的范围可以是待定位设备701根据通讯信号的强弱估算得到的，或者是人工估计并输入给待定位设备701的参数，本发明不做具体限定，这些方案均在本发明的保护范围之内。

S502根据待测距离的范围生成多个不同频率的声波信号。

具体地，声波信号S_T的表达式为：

S_T＝V_Tsin(2πf_it)

其中，V_T为声波发生单元的第一信号电压，f_i为声波信号的频率，t为时间。

S503融合多个不同频率的声波信号，以获得第一多频声波组合信号。

具体地，使用多频声波组合信号作为声源信号，在定位求解设备能够从多频声波中分离出不同频率的声波信号，并对多个声波信号进行处理。相较于现有技术中只通过一个声波信号来测距，能够取得更为准确的距离值，具有很好的实际意义。

S504放大第一多频声波组合信号。

S505根据放大后的第一多频声波组合信号发射第一多频声波。其中，第一多频声波经过传播介质后生成的第二多频声波。

请参阅图6，在定位求解设备处：

S601在不同位置分别接收第二多频声波，以获得多个第二多频声波组合信号。

在本实施例中，定位求解设备可以是位于水面的控制基站或领航母船、或水下的潜艇等，本发明不做具体限定。

S602分别放大多个第二多频声波组合信号。

S603根据放大后的多个第二多频声波组合信号，以获得多个第二多频声波组合信号的第二声波参数。

S604获取第一多频声波组合信号的第一声波参数。

S605根据第一声波参数和第二声波参数，计算得各个接收换能器101到待定位设备701的距离。

具体地：声波传播过程中存在能量损失，其损失量主要由几何发散产生的传播损失、因介质吸收产生的吸收损失和因外界因素引起的损失构成。

在本实施例中，声波测距的方法利用了声波传播过程中声波能量的传播损失量与传播距离之间的关系，来进行测距。传播损失量与距离之间的数学模型为：

SPL＝20log(R_j)+αR_j+A (式1)

其中，SPL为传播损失量，R_j为各个接收换能器101到待定位设备701的距离，j为各个接收换能器101的序号，α为传播介质的吸收系数，A为因外界因素引起的传播损失量。

上述传播损失量也可以由待定位设备701发射声波时的第一声波电压P_s与定位求解设备接收声波时的第二声波电压P_r来表示。传播损失量与第一声波电压、第二声波电压之间的数学模型为：

根据式1和式2能够准确有效的计算出待定位设备701和定位求解设备的各个接收换能器101之间的距离。利用声波进行测距在水下的应用中,相较于激光测距、基于视觉的测距技术等各种测距方式，具有测量距离更远，测量结果更准确的优势。利用声波传播过程中声波能量的传播损失量与传播距离之间的关系来进行测距，为用户提供了一种新型的测距方式，给用户提供了更多地选择，具有很好的实际意义。

在本实施例中，S603包括：

S6031，对放大后的第二多频声波组合信号，并进行SNR分析、噪音处理、傅里叶变换处理，并提取多个不同频率的混合波信号的第一振幅。其中，混合波信号包括直接波信号和反射波信号。混合波信号S_R的表达式为：

其中，

为第一振幅的表达式、

为直接波信号的振幅、f_i为混合波信号的频率、i为多个混合波信号的数量、Δt为接收直接波信号和反射波信号的时间差、为声波被接收时的相位变化。

S6032，根据多个第一振幅，获得声波经过传播介质后被定位求解设备接收并放大后的第二信号电压。其中，第二信号电压的表达式为：

S6033，获取接收换能器101接收第二多频声波的第二电压响应RVR_j。

S6034，获取第二功率调节单元102的第二放大系数

S6035，计算因外界因素引起的传播损失量A。其中，A根据3σ准则获得，根据3σ准则获得以获得传播损失量A是本领域公知常识，在此不再赘述。

具体地，第二声波参数包括接收第二多频声波的第二电压响应RVR_j、放大第二多频声波组合信号的第二放大系数

第一多频声波经过传播介质后被定位求解设备接收并放大的第二信号电压

以及因外界因素引起的传播损失量A；其中,A根据3σ准则获得。

在本实施例中，S604具体为：

S6041，接收所述第一声波参数，或根据所述第二多频声波组合信号解调出所述第一声波参数。

具体地，第一声波参数可以是待定位设备701，通过水声通信装置直接发送给声波定位求解设备，也可以是待定位设备701将第一声波参数的信息调制到第一多频声波组合信号中，由定位求解设备解调得到。这些方案均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

具体地，第一声波参数包括生成声波信号的第一信号电压V_T、放大第一多频声波组合信号的第一放大系数G_T，以及发射第一多频声波组合信号的第一电压响应TVR。

在本实施例中，S605具体为：

S6051，根据第一声波参数，计算得第一多频声波发射时的第一声波电压P_s；其中，第一声波电压P_s的表达式为：

P_s＝V_T×G_T×TVR (式3)

S6052，根据第二声波参数，计算得第二多频声波被接收时的第二声波电压P_r；其中，第二声波电压P_r的表达式：

S6053，根据第一声波电压、第二声波电压和损失量，计算得各个接收换能器101到待定位设备701的距离。

具体地，根据式1、式2、式3，以及式4可得：

在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，声波信号为突发信号。

待定位设备701在执行S504之前还包括以下步骤：

调节第一多频声波组合信号的波数N，以得到音频突发信号。

音频突发信号，又称为猝发音，指的是音频信号是周期性出现的信号，其在一个周期内包括有信号段和没信号段。波数N为接收信号后处理信号所需的有效波数，即有信号段内出现的音频信号的波数。波数N可以根据测量距离的范围设定，也可以根据通用的使用范畴认定默认值，在此不再赘述。音频突发信号不仅能够在距离测量的过程中，高效的区分出噪声，以得到更准确的距离值。并且，能够有效的减低待定位设备701的功率，保证待定位设备701的续航能力，具有很好的实际意义。

在其它实施例中，

待定位设备701，包括以下步骤：

获取生成声波信号的第一信号电压V_T。

获取放大第一多频声波组合信号的第一放大系数G_T。

获取发射第一多频声波组合信号的第一电压响应TVR。

根据第一信号电压、第一放大系数，以及第一电压响，计算得到第一声波电压P_s。

发送第一声波参数。其中，所述第一参数为所述第一声波电压P_s的数值。

具体地，将计算第一声波电压的步骤在待定位设备701完成，能够有效的减小待定位设备701和定位求解设备之间信息传输的数据大小，很好的保证了信息交互的效率，减少信息丢失的概率。

实施例三：

请参阅图7、图9，本发明第二实施例提供的一种水下设备的定位求解系统，其包括待定位设备701和至少两个上述任一实施例的定位求解设备；其中，至少一个定位求解设备处于工作状态，其余处于待机状态；

待定位设备701，能够在水下移动和发出声波；

处于待机状态的第一号定位求解设备703，用于获取自身的第一定位，并发送给处于工作状态的第二号定位求解设备702；

第二号定位求解设备702，用于接收声波，以获得待定位设备701的第三定位，并根据第一定位和第三定位，切换第一号定位求解设备703的状态。

具体地，

所述定位求解设备可以是漂浮于水面的控制基站或者领航母船，本发明不做具体限制。其用于监控水下的待定位设备701，或为水下的待定位设备701的自主潜航提供定位信息。

待定位设备701可以是水下电子设备，例如航行器、机器人等，或者潜水员随身携带的定位装置等，本发明不做具体限制。

多个定位求解设备之间进行交互并建立基站网络，有效地扩大测量范围的。仅保留少数定位求解设备处于运行状态，其余均处于待机状态,既能够取得精准的第三定位，又能够降低整个系统的能耗，具有很好的实际意义。

在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，

第二号定位求解设备702，具体用于判断第三定位是否超出其测量范围阈值，当第三定位超出其测量范围阈值时，发送触发信号给最接近第三定位的第一号定位求解设备703；

第一号定位求解设备703，用于在接收触发信号后，从待机状态切换为工作状态；以及，当进入工作状态时，发送反馈信号给第二号定位求解设备702；

第二号定位求解设备702，还用于在接收反馈信号后，从工作状态切换为待机状态。

请参阅图8，在本实施例中，定位求解系统用以实现如下步骤：

在待定位设备701处：

S801，发出声波。

在第一号定位求解设备703处：

S802，获取自身的第一定位，并发送给处于工作状态的第二号定位求解设备。

在第二号定位求解设备702处：

S803，接收声波，以获得待定位设备的第三定位，并根据第一定位和第三定位，切换第一号定位求解设备的状态。

具体地，在本实施例中，定位求解设备状态的切换为被动触发的，被动触发的模式能够大大降低定位求解设备待机状态下的功耗。

在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，

第二号定位求解设备702，还用于将第三定位发送给第一号定位求解设备703，

第一号定位求解设备703，还用于判断第三定位是否位于自身的测量范围，当第三定位位于其自身的测量范围时，从待机状态切换为工作状态。

第二号定位求解设备702，还用于判断第三定位是否位于自身的测量范围，当第三定位不位于其自身的测量范围时，从工作状态切换为待机状态。

具体地，在本实施例中，定位求解设备状态的切换为主动触发的，能够很好的保证定位求解设备及时切换状态，使得定位求解系统更为稳定可靠。

进一步地，第二号定位求解设备702，还用于将第三定位发送给待定位设备701，为其自主潜航提供定位信息。

进一步地，第二号定位求解设备702，还用于将第三定位和其自身的第一定位发送给云端服务器。用于收集待定位设备701的工作大数据或远程监控。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。