基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法及装置
阅读说明：本技术 基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法及装置 (Buoy underwater positioning and position reporting method and device based on Beidou ) 是由 高为广 刘成 杨诚 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法、装置和系统。该方法包括：从导航卫星接收浮标测距信号；基于所述浮标测距信号,对所述浮标进行定位；向水下目标发射水下目标测距信号,并从水下目标接收所述水下目标的定位信号,根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位；将所述水下目标的位置信息通过北斗短报文通信功能回传至所述导航卫星。根据本发明的基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法和装置能够进一步丰富对无人潜航器、科考舱等水下设备的监测定位手段,对水下目标位置的定位精度高、误差小,并能够实现观测数据的实时回传,帮助更好地开展水下探测和科考工作。(the invention provides a buoy underwater positioning and position reporting method, device and system based on Beidou. The method comprises the following steps: receiving a buoy ranging signal from a navigation satellite; positioning the buoy based on the buoy ranging signal; transmitting an underwater target ranging signal to an underwater target, receiving a positioning signal of the underwater target from the underwater target, and positioning the underwater target according to the positioning signal of the buoy and the positioning signal of the underwater target; and transmitting the position information of the underwater target back to the navigation satellite through a Beidou short message communication function. According to the buoy underwater positioning and position reporting method and device based on the Beidou, monitoring and positioning means for underwater equipment such as unmanned underwater vehicles and scientific investigation cabins can be further enriched, positioning accuracy for underwater target positions is high, errors are small, real-time return of observation data can be achieved, and underwater detection and scientific investigation work can be better carried out.)
技术领域
本发明涉及水下目标定位及位置报告。更具体的，涉及一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法及装置。
背景技术
21世纪，人类已进入大规模开发和利用海洋的时代，世界发达国家几乎无一不是海洋强国。我国拥有300万平方公里的海洋国土，提供了丰富的食物、能源、矿产资源，对海洋的研究和开发具有重要战略意义。
近年来，为进一步实现对水文和海文信息的探测、收集和研究，各类无人潜航器、水下科考舱在世界范围内被广泛投放。这些水下设备能够更加近距离和准确地探测收集波浪、还留、温盐深等水文信息，叶绿素、藻类、各类溶解物质浓度等水质信息，以及水底/海底地形、地貌、地磁分布等信息，对海洋开发而言具有重要的意义和价值。
在完成一个周期的考察任务后，研究人员需要对这些水下设备进行打捞回收，并对其中存储的观测数据进行提取和分析。然而，对这些水下设备进行准确定位并不容易。目前，各类水下设备多依赖自身搭载的惯性导航设备(INS)或水底/海底地磁匹配实现自主导航。然而，惯性导航存在误差累积的问题，导航误差会随着时间的增长而增加；地磁匹配方法受水底/海底地磁分布信息精度及地磁探测设备灵敏度所限，定位精度也较低。一方面，这对无人潜航器、科考舱等水下目标的准确定位监控和快速打捞回收造成影响；另一方面，由于观测位置信息的不准确，也会影响水文、水质以及水底/海底地貌地形信息的建模精度。
为此，有必要对现有设备进行改造，通过接收北斗等导航卫星系统卫星信号进行定位，并通过北斗报文通信功能将信息实时回传，实现对无人潜航器、科考舱等水下目标定位和位置报告。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法及装置，用于对无人潜航器、科考舱等水下目标进行准确定位和位置报告。
本发明提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法，该方法包括：所述浮标接收导航卫星测距信号；基于所述浮标测距信号，对所述浮标进行定位；所述浮标向水下目标发射测距信号，根据所述浮标的位置信息和所述浮标与水下目标的测距信号对所述水下目标进行定位；将所述水下目标的位置信息通过所述浮标北斗短报文通信功能回传至所述导航卫星及目的地。
优选的，所述浮标测距信号为包含所述导航卫星的轨道位置坐标和所述浮标的位置信息的载波调制信号。
优选的，基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号包括：对所述浮标测距信号进行解调，获得所述导航卫星的轨道位置坐标和所述浮标的位置坐标。
优选的，基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号还包括：对所述浮标测距信号进行解调，解算处理和获得所述浮标的时间基准信息，从而实现多个浮标之间的时间同步。
优选的，向水下目标发射测距信号，并从水下目标接收所述水下目标的定位信号，根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位包括：当所述水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号为所述水下目标测距信号的反射信号，基于双向测距方法计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，从而根据所述浮标的位置坐标和所述测距值对所述水下目标进行定位；当所述水下目标具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号包括所述水下目标根据接收到的所述水下目标测距信号计算得到的所述水下目标的位置坐标，从而根据所述浮标的位置坐标和所述水下目标的位置坐标对所述水下目标进行定位。
优选的，所述双向测距方法包括以下步骤：根据公式计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，di为浮标i至所述水下目标或设备的测距值，为所述浮标发射所述水下目标测距信号的时刻，为接收回波信号的时间为接收所述水下目标测距信号的反射信号的时刻，v为声波或者蓝绿激光在水下的传播速度。
优选的，所述水下目标的位置信息包括所述浮标至所述水下目标的测距值和/或所述水下目标的位置坐标。
优选的，所述水下目标的位置信息还包括所述水下目标的编号、类型、属性以及水文信息中的一者或多者。
本发明还提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告装置，包括：北斗/GNSS收发天线，用于从导航卫星接收下行导航信号，以及将水下目标的定位信息通过北斗短报文通信功能回传至所述导航卫星及目的地；水下测距设备，用于向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收所述水下目标的定位信号；处理器，用于从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，和从所述水下测距设备接收所述水下目标的定位信号，基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号，以及根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位，并将水下目标的定位信息传送到北斗/GNSS收发天线。
优选的，所述北斗/GNSS收发天线包括L波段导航卫星接收天线和L波段/S波段北斗短报文通信天线，所述L波段导航卫星接收天线用于从导航卫星接收浮标测距信号，所述L波段/S波段北斗短报文通信天线用于从处理器接收水下目标的定位信息，以及将水下目标的定位信息回传至所述导航卫星。所述L波段/S波段北斗短报文通信天线用于从处理器接收水下目标的定位信息，以及将水下目标的定位信息回传至所述导航卫星。
优选的，所述水下测距设备为声呐或蓝绿激光器。
优选的，所述处理器包括北斗/GNSS接收处理终端和声呐/蓝绿激光接收处理终端，所述北斗/GNSS接收处理终端用于从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，以及基于所述浮标测距信号，对所述浮标进行定位，所述声呐/蓝绿激光接收处理终端用于从所述水下测距设备接收所述水下目标的定位信号，从所述北斗/GNSS接收处理终端接收所述浮标的定位信号，以及根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位。
优选的，所述北斗/GNSS接收处理终端还用于对所述浮标测距信号进行解调，获得所述浮标的定位信号，所述浮标的定位信息包括所述导航卫星的轨道位置坐标和所述浮标的位置坐标。
优选的，所述声呐/蓝绿激光接收处理终端还用于：当所述水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号为所述水下目标测距信号的反射信号，基于双向测距方法计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，从而根据所述浮标的位置坐标和所述测距值对所述水下目标进行定位；当所述水下目标具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号包括所述水下目标根据接收到的所述水下目标测距信号计算得到的所述水下目标的位置坐标，从而根据所述浮标的位置坐标和所述水下目标的位置坐标对所述水下目标进行定位。
优选的，所述声呐/蓝绿激光接收处理终端还用于：根据公式计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，di为浮标i至所述水下目标或设备的测距值，为所述浮标发射所述水下目标测距信号的时刻，为接收回波信号的时间为接收所述水下目标测距信号的反射信号的时刻，v为声波或者蓝绿激光在水下的传播速度。
本发明还提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告系统，该系统包括上述基于北斗的浮标水下定位装置、浮标、导航卫星以及水下目标，所述基于北斗的浮标水下定位装置安装于所述浮标上，并与所述导航卫星进行通信，所述水下目标位于水下并与所述基于北斗的浮标水下定位装置、所述浮标以及所述导航卫星相分离。
优选的，所述导航卫星为北斗卫星导航系统、美国全球卫星导航系统、俄罗斯格洛纳斯系统或者欧洲伽利略系统中的一种或者其组合。
优选的，所述水下目标包括水下无人潜航器、科考舱等载体或设备。
利用本发明提供的基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法和装置，通过接收北斗等导航卫星系统卫星信号并进行定位，水面/海面浮标能够获得精确的坐标位置精度，成为水面/海面上的“伪卫星”；在此基础上，利用安装在浮标上的水下测距设备，对水下目标进行测距或者定位，再利用北斗短报文通信功能，将测距信息、定位信息或者其他所需的探测数据通过北斗卫星回传至地面，实现对水下目标位置准确的定位和监控。根据本发明的浮标水下定位和位置报告方法能够进一步丰富对无人潜航器、科考舱等水下设备的监测定位手段，对水下目标位置的定位精度高，误差小，并能够实现观测数据的实时回传，帮助更好地开展水下探测和科考工作。
附图说明
图1示出了根据本发明的基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法的流程图；
图2示出了根据本发明的基于北斗的浮标水下定位和位置报告装置的示意图；
图3示出了根据本发明的基于北斗的浮标水下定位和位置报告系统工作原理示意图。
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。
图1示出了根据本发明的基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法的流程图。参考图1，本发明提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法，该方法包括：
步骤101，从导航卫星接收浮标测距信号；
步骤102，基于所述浮标测距信号，对所述浮标进行定位；
步骤103，向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收所述水下目标的定位信号，根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位；
步骤104，将所述水下目标的位置信息回传至所述导航卫星。
其中，如图2所示，在步骤101中，可以通过北斗/GNSS收发天线，从导航卫星接收浮标测距信号，北斗/GNSS收发天线可以安装于浮标上。然后，在步骤102中，由处理器从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，并基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号，从而对水面/海面上的浮标进行定位。定位完成后，即可将浮标作为具有准确的时空基准信息的“伪卫星”。
在步骤103中，可以通过安装在浮标上的水下测距设备，向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收该水下目标的定位信号。然后将所述水下目标的定位信号发送到安装在浮标上的处理器进行处理。处理器基于浮标的定位和水下目标的定位信号，对水下目标进行定位。
在步骤104中，可以再通过北斗/GNSS收发天线将水下目标的位置信息回传至导航卫星。
在实现本发明的方法时，北斗/GNSS收发天线可以是一个天线，也可以分为L波段导航卫星接收天线和L波段/S波段北斗短报文通信天线，其中，所述L波段导航卫星接收天线用于从导航卫星接收浮标测距信号，所述L波段/S波段北斗短报文通信天线用于从处理器接收水下目标的定位信息，以及将水下目标的定位信息回传至所述导航卫星。在具体实现该北斗/GNSS收发天线时，L波段导航卫星接收天线和L波段/S波段北斗短报文通信天线可以一体集成，也可以是两幅天线。
在一种优选实施方式中，导航卫星发送给北斗/GNSS收发天线的浮标测距信号可以为载波调制信号，进一步优选的，可以为载波调制扩频测距信号。该载波调制扩频测距信号中包含有导航卫星的轨道位置信息。北斗/GNSS收发天线接收到载波调制信号并传送给处理器后，所述处理器对该载波调制信号进行解调，可以得到导航卫星的轨道坐标并进行定位解算处理，从而实现对浮标的准确定位。
在所述处理器对浮标进行定位解算处理时，除能够获得浮标坐标位置外，还能获得浮标时间信息，从而实现多个浮标之间的时间一致和同步。各浮标之间实现时间一致和同步，即可构成类似于导航卫星星座的水上浮标“伪卫星星座”，是浮标发射水下测距信号、对水下目标进行精确定位的重要基础。
考虑到水下目标有可能不具备接收测量与水声通信功能，在步骤103中，当所述水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号可以为所述水下目标测距信号的反射信号，可以基于双向测距方法计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，从而根据所述浮标的位置坐标和所述测距值对所述水下目标进行定位；当所述水下目标具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号包括所述水下目标根据接收到的所述水下目标测距信号计算得到的所述水下目标的位置坐标，从而根据所述浮标的位置坐标和所述水下目标的位置坐标对所述水下目标进行定位。
也就是说，当水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，可以由水下测距设备向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收该信号的发射信号，然后由处理器基于双向测距方法计算得到浮标至水下目标的测距值，从而对水下目标进行定位。例如，可以根据公式(1)计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值：
其中，di为浮标i至所述水下目标或设备的测距值，为所述浮标发射所述水下目标测距信号的时刻，为接收回波信号的时间为接收所述水下目标测距信号的反射信号的时刻，v为声波或者蓝绿激光在水下的传播速度。
而当水下目标具备接收测量与水声通信功能时，水下测距设备向水下目标发射水下目标测距信号后，可由水下目标直接根据该水下目标测距信号进行测距并定位，将水下目标的位置坐标等信息(例如还可以包括水文、水质等探测数据)发送回浮标上的水下测距设备。优选的，水下目标进行定位时可采用与北斗/GNSS定位类似的球交会定位模型进行定位。
在步骤104中，回传至导航卫星的水下目标的位置信息可以包括所述浮标至所述水下目标的测距值或所述水下目标的位置坐标，优选的，还可以包括所述水下目标的编号、类型、属性以及水文信息中的一者或多者，从而可以在对水下目标进行准确定位的基础上，还可以实现其他观测数据的实时回传，有助于更好地开展水下探测工作。
在具体实施时，可以对水下目标的测距值或位置坐标以及其他有关信息进行编码，利用安装在浮标上的L波段北斗短报文通信天线，使用北斗短报文通信功能将编码完成后的信息回传。
根据需要，可以选择北斗短报文通信的两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII码，另一种为BCD码方式。一般的北斗短报文通信用户机终端一次可传输36个汉字，申请核准的用户机终端可以达到传送120个汉字或240个代码。根据不同的授权级别限制，北斗短报文发送频率为1分钟或者30秒。
利用本发明提供的基于北斗的浮标水下定位和位置报告方法，通过接收北斗等导航卫星系统卫星信号并进行定位，水面/海面浮标能够获得精确的坐标位置精度，成为水面/海面上的“伪卫星”；在此基础上，利用安装在浮标上的水下测距设备，对无人潜航器、科考舱等水下目标进行测距或者定位，实现对水下目标位置准确的定位和监控。根据本发明的浮标水下定位和位置报告方法能够进一步丰富对无人潜航器、科考舱等水下设备的监测定位手段，对水下目标位置的定位精度高，误差小，并能够实现观测数据的实时回传，帮助更好地开展水下探测和科考工作。
本发明还提供了一种基于北斗的浮标水下定位和位置报告装置。如图2所示，该基于北斗的浮标水下定位和位置报告装置包括：
北斗/GNSS收发天线，用于从导航卫星接收浮标测距信号，以及将水下目标的定位信息回传至所述导航卫星；
水下测距设备，用于向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收所述水下目标的定位信号；
处理器，用于从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，和从所述水下测距设备接收所述水下目标的定位信号，基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号，以及根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位，并将水下目标的定位信息传送到北斗/GNSS收发天线。
具体来说，北斗/GNSS收发天线、处理器、和水下测距设备都安装于浮标上，北斗/GNSS收发天线从导航卫星接收浮标测距信号。处理器从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，并基于所述浮标测距信号，获得所述浮标的定位信号，从而对水面/海面上的浮标进行定位。定位完成后，即可将浮标作为具有准确的时空基准信息的“伪卫星”。水下测距设备用于向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收该水下目标的定位信号。然后将所述水下目标的定位信号发送到安装在浮标上的处理器进行处理。处理器基于浮标的定位和水下目标的定位信号，对水下目标进行定位。然后，北斗/GNSS收发天线将水下目标的位置信息回传至导航卫星。一般的，北斗/GNSS收发天线安装于浮标平台位于水平面之上的部分，水下测距设备安装于浮标平台位于水面之下的部分，如图2所示。
在一种优选实施方式中，所述北斗/GNSS收发天线包括L波段导航卫星接收天线和L波段/S波段北斗短报文通信天线，所述L波段导航卫星接收天线用于从导航卫星接收浮标测距信号，所述L波段北斗短报文通信天线用于将水下目标的定位信息回传至所述导航卫星。在具体实现该北斗/GNSS收发天线时，L波段导航卫星接收天线和L波段/S波段北斗短报文通信天线可以一体集成，也可以是两幅天线。
所述水下测距设备可以为声呐或蓝绿激光器。
所述处理器可以包括北斗/GNSS接收处理终端和声呐/蓝绿激光接收处理终端。其中，所述北斗/GNSS接收处理终端用于从北斗/GNSS收发天线接收所述浮标测距信号，以及基于所述浮标测距信号，对所述浮标进行定位，所述声呐/蓝绿激光接收处理终端用于从所述水下测距设备接收所述水下目标的定位信号，从所述北斗/GNSS接收处理终端接收所述浮标的定位信号，以及根据所述浮标的定位信号和所述水下目标的定位信号对所述水下目标进行定位。
在一种优选实施方式中，所述北斗/GNSS接收处理终端可以对所述浮标测距信号进行解调，获得所述浮标的定位信号，所述浮标的定位信息包括所述导航卫星的轨道位置坐标和所述浮标的位置坐标。
考虑到水下目标有可能不具备接收测量与水声通信功能，所述声呐/蓝绿激光接收处理终端还可以用于当所述水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号为所述水下目标测距信号的反射信号，基于双向测距方法计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值，从而根据所述浮标的位置坐标和所述测距值对所述水下目标进行定位；当所述水下目标具备接收测量与水声通信功能时，所述水下目标的定位信号包括所述水下目标根据接收到的所述水下目标测距信号计算得到的所述水下目标的位置坐标，从而根据所述浮标的位置坐标和所述水下目标的位置坐标对所述水下目标进行定位。
也就是说，当水下目标不具备接收测量与水声通信功能时，可以由声呐或蓝绿激光器向水下目标发射水下目标测距信号，并从水下目标接收该信号的发射信号，然后由基于双向测距方法计算得到浮标至水下目标的测距值，从而对水下目标进行定位。例如，可以根据公式(1)计算得到所述浮标至所述水下目标的测距值：
其中，di为浮标i至所述水下目标或设备的测距值，为所述浮标发射所述水下目标测距信号的时刻，为接收回波信号的时间为接收所述水下目标测距信号的反射信号的时刻，v为声波或者蓝绿激光在水下的传播速度。
而当水下目标具备接收测量与水声通信功能时，声呐或蓝绿激光器向水下目标发射水下目标测距信号后，可由水下目标直接根据该水下目标测距信号进行测距并定位，将水下目标的位置坐标等信息(例如还可以包括水文、水质等探测数据)发送回浮标上的水下测距设备。优选的，水下目标进行定位时可采用与北斗/GNSS定位类似的球交会定位模型进行定位。
回传至导航卫星的水下目标的位置信息可以包括所述浮标至所述水下目标的测距值或所述水下目标的位置坐标，优选的，还可以包括所述水下目标的编号、类型、属性以及水文信息中的一者或多者，从而可以在对水下目标进行准确定位的基础上，还可以实现其他观测数据的实时回传，有助于更好地开展水下探测工作。
在具体实施时，可以对水下目标的测距值或位置坐标以及其他有关信息进行编码，利用安装在浮标上的L波段/S波段北斗短报文通信天线，使用北斗短报文通信功能将编码完成后的信息回传。
根据需要，可以选择北斗短报文通信的两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII码，另一种为BCD码方式。一般的北斗短报文通信用户机终端一次可传输36个汉字，申请核准的用户机终端可以达到传送120个汉字或240个代码。根据不同的授权级别限制，北斗短报文发送频率为1分钟或者30秒。
利用本发明提供的基于北斗的浮标伪卫星水下定位和位置报告装置，通过接收北斗等导航卫星系统卫星信号并进行定位，水面/海面浮标能够获得精确的坐标位置精度，成为水面/海面上的“伪卫星”；在此基础上，利用安装在浮标上的水下测距设备，对无人潜航器、科考舱等水下目标进行测距或者定位，实现对水下目标位置准确的定位和监控。根据本发明的浮标伪卫星水下定位和位置报告装置，能够进一步丰富对无人潜航器、科考舱等水下设备的监测定位手段，对水下目标位置的定位精度高，误差小，并能够实现观测数据的实时回传，帮助更好地开展水下探测和科考工作。
同时，如图3所示，本发明还提供了一种基于北斗的伪浮标卫星水下定位和位置报告系统，该系统包括上述基于北斗的浮标伪卫星水下定位装置，浮标，导航卫星，以及水下目标，所述基于北斗的浮标伪卫星水下定位装置安装于所述浮标上，并与所述导航卫星进行通信，所述水下目标位于水下并与所述基于北斗的浮标伪卫星水下定位装置、所述浮标以及所述导航卫星相分离。一般的，基于北斗的浮标伪卫星水下定位装置中的北斗/GNSS收发天线安装于浮标平台位于水平面之上的部分，水下测距设备安装于浮标平台位于水面之下的部分。
优选的，可以使用我国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球卫星导航系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯系统(GLONASS)或者欧洲伽利略系统(Galileo)的导航卫星，或者是上述多个全球导航卫星系统(GNSS)的组合实现定位。
所述水下目标可以为水下无人仓、科考潜航器等水下载体或设备。水下目标进行定位时可采用与北斗/GNSS定位类似的球交会定位模型进行定位。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。