一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法

2023-05-31 07:41:26

一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法
【專利摘要】一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法，涉及高精度水下距離估計和定位技術。本發明是為了解決現有水下距離估計方法計時精度低、誤差大的問題。本發明所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法，採用基於時間戳的精密計時裝置及方法，考慮並消除了節點處理數據包所用的時間產生的誤差，達到了聲吶信號傳輸時間精密計時的目的；同時，基於時間戳的精密計時裝置及方法，採用介質訪問層的時間戳技術，在高頻率、高精度時鐘信號的驅動下，捕捉測距時往返傳輸的聲吶信號，獲得準確度較高的傳輸計時，能夠達到納秒級的計時精度，為精密的距離估計奠定技術基礎。本發明適用於水下的高精度測距和定位。
【專利說明】
一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及高精度水下距離估計和定位技術。

【背景技術】
[0002]高精度的水下定位技術為諸多海洋應用提供重要位置信息，而水下定位的精度很大程度上取決於距離估計的精度。而目前的距離估計方法分為同步估計的方法或者異步估計方法；同步方法中要求收、發節點之間具有高精度的時間同步，其實現的成本和難度都很大。而目前異步的估計方法忽略了節點處理通信數據包的時間，因此計時精度較低，從而導致距離估計誤差較大。


【發明內容】

[0003]本發明是為了解決現有水下距離異步估計方法計時精度低、誤差大的問題，現提供一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統與方法。
[0004]一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，它包括以下單元:
[0005]發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點的單元；
[0006]發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl的單元；
[0007]接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1的單元；
[0008]接收節點判斷所接收到的信號是否為「距離估計請求」數據包的單元；
[0009]接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元；
[0010]接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2的單元；
[0011]發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3的單元；
[0012]接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元；
[0013]發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d的單元；
[0014]所述基於時間戳的精密計時裝置包括:
[0015]微控制器和FPGA，所述微控制器與FPGA之間通過MII接口連接，所述的微控制器包括聲吶傳輸物理層、介質訪問層、網絡層、傳輸層和應用層，所述聲吶傳輸物理層與介質訪問層之間設置有MII接口，所述的FPGA內嵌入有固件實現的配置&控制模塊、信號捕捉單元、精密計時單元和高頻率時鐘源；
[0016]所述的聲吶傳輸物理層:用於發送或接收聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元；
[0017]應用層:用於向配置&控制模塊發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對信號捕捉單元和精密計時單元進行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模塊發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度；
[0018]高頻率時鐘源:用於為信號捕捉單元和精密計時單元持續提供IGHz或更高頻率的時鐘信號；
[0019]信號捕捉單元:用於在時鐘信號的驅動下，捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元發送捕捉指示信號；
[0020]精密計時單元:用於在時鐘信號的驅動下，進行計時，並在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制模塊；
[0021]配置&控制模塊:用於將接收到的時間戳信息發送給應用層。
[0022]一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法，所述方法包括以下步驟:
[0023]步驟一:發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點；
[0024]步驟二:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl ；
[0025]步驟三:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1 ；
[0026]步驟四:接收節點判斷所接受到的信號是否為「距離估計請求」數據包，若是，則執行步驟五，否則返回步驟一；
[0027]步驟五:接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點；
[0028]步驟六:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2;
[0029]步驟七:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3;
[0030]步驟八:接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點；
[0031]步驟九:發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d ；
[0032]所述基於時間戳的精密計時方法包括以下步驟:
[0033]配置命令和控制信息發送步驟:微控制器的應用層向FPGA配置&控制模塊發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對FPGA的信號捕捉單元和精密計時單元進行初始化、清零和使能操作；
[0034]時鐘信號發送步驟:FPGA高頻率時鐘源持續向信號捕捉單元和精密計時單元發送GHz或更高頻率的時鐘信號；
[0035]聲吶信號接收/發送步驟:微控制器的聲吶傳輸物理層接收或發送聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元；
[0036]聲吶信號捕捉步驟:在時鐘信號的驅動下，信號捕捉單元捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元發送捕捉指示信號；
[0037]時間戳生成步驟:在時鐘信號的驅動下，精密計時單元在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制模塊；
[0038]時間戳信息發送步驟:配置&控制模塊將接收到的時間戳信息發送給應用層；
[0039]時間長度計算步驟:應用層接收配置&控制模塊發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對兩個不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度。
[0040]本發明所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統及方法，採用基於時間戳的精密計時裝置及方法，考慮並消除了節點處理數據包所用的時間產生的誤差，達到了聲吶信號傳輸時間精密靜態距離估計的目的，實現了 10~ (-6)m的靜態距離估計精度；同時，基於時間戳的精密計時裝置及方法，採用介質訪問層的時間戳技術，在高頻率、高精度時鐘信號的驅動下，捕捉測距時往返傳輸的聲吶信號，獲得準確度較高的傳輸計時，能夠達到納秒級的計時精度，為精密的距離估計奠定技術基礎。
[0041]本發明所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統與方法，適用於水下的高精度測距和定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1為一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計過程示意圖；
[0043]圖2為一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法的流程圖；
[0044]圖3為【具體實施方式】一所述的基於時間戳的精密計時裝置的原理示意圖；
[0045]圖4為【具體實施方式】八所述的基於時間戳的精密計時方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0046]【具體實施方式】一:參照圖1和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，它包括以下單元:
[0047]發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點的單元；
[0048]發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl的單元；
[0049]接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1的單元；
[0050]接收節點判斷所接收到的信號是否為「距離估計請求」數據包的單元；
[0051]接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元；
[0052]接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2的單元；
[0053]發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3的單元；
[0054]接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元；
[0055]發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d的單元；
[0056]所述基於時間戳的精密計時裝置包括:
[0057]微控制器I和FPGA2，所述微控制器I與FPGA2之間通過MII接口連接，所述的微控制器I包括聲吶傳輸物理層1-1、介質訪問層1-2、網絡層1-3、傳輸層1-4和應用層1-5,所述聲吶傳輸物理層1-1與介質訪問層1-2之間設置有MII接口，所述的FPGA2內嵌入有固件實現的配置&控制模塊2-1、信號捕捉單元2-2、精密計時單元2-3和高頻率時鐘源2-4 ；
[0058]所述的聲吶傳輸物理層1-1:用於發送或接收聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元2-2 ；
[0059]應用層1-5:用於向配置&控制模塊2-1發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對信號捕捉單元2-2和精密計時單元2-3進行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模塊2-1發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度；
[0060]高頻率時鐘源2-4:用於為信號捕捉單元2-2和精密計時單元2-3持續提供IGHz或更高頻率的時鐘信號；
[0061]信號捕捉單元2-2:用於在時鐘信號的驅動下，捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元2-3發送捕捉指示信號；
[0062]精密計時單元2-3:用於在時鐘信號的驅動下，進行計時，並在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制豐旲塊2-1 ；
[0063]配置&控制模塊2-1:用於將接收到的時間戳信息發送給應用層1-5。
[0064]本實施方式中，採用基於時間戳的精密計時裝置，考慮並消除了節點處理數據包所用的時間，達到了聲吶信號傳輸時間精密計時的目的，實現了 10~_6m的靜態距離估計精度。
[0065]本實施方式中，所述的基於時間戳的精密計時裝置中，微控制器I實現水下聲吶通信所需的協議棧，包括聲吶傳輸物理層1-1、介質訪問層1-2、網絡層1-3、傳輸層1-4和應用層1-5，其中聲吶傳輸物理層1-1即為換能器，能夠將電信號轉化為聲吶信號。FPGA2實現對傳輸信號的捕獲和精密計時，FPGA2主要包括配置&控制模塊2-1、信號捕捉單元2-2、精密計時單元2-3和高頻率時鐘源2-4。其中，高頻率時鐘源2-4為信號捕捉單元2-2和精密計時單元2-3提供GHz甚至更高頻率的時鐘信號；信號捕捉單元2-2在時鐘信號的驅動下，對聲吶傳輸物理層1-1的聲吶信號的發射和接收事件進行捕獲，並提供捕獲指示信號給精密計時單元2-3 ;精密計時單元2-3在時鐘信號驅動下進行計時，並在來自信號捕捉單元2-2、提供的捕獲指示信號的驅動下，得到與捕獲時間對應的時間戳信息，並將該時間戳信息提供給配置&控制模塊2-1 ;精密計時單元2-3是由64位計數器實現的，在IGHz或者更高頻率的時鐘信號驅動下進行計數，實現高精度計時；配置&控制模塊2-1主要實現接收來自微控制器I中的應用程式的配置和控制命令，並將精密時間戳信息提供給微控制器I中的應用程式，應用程式根據實際需要對不同時間戳進行相差運算，得到不同聲吶信號間的時間長度。
[0066]採用介質訪問層的時間戳技術，在高頻率、高精度時鐘信號的驅動下，捕捉測距時往返傳輸的聲吶信號，獲得準確度較高的傳輸計時，能夠達到納秒級的計時精度，為水下精密距離估計奠定技術基礎。
[0067]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，利用下式獲得發送節點和接收節點間的距離d:
[0068]d = V* [ (T3-T0) - (T2-T1) ] /2。
[0069]本實施方式中，所述(T2-T1)為接收節點處理數據包的時間，則整個聲吶傳輸的時間為:[(T3-Ttl)-(T2-T1)L
[0070]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，水下聲吶的傳輸速度V為 1531m/s。
[0071]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用單片機實現。
[0072]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用ARM實現。
[0073]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用ARM9實現。
[0074]【具體實施方式】七:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統作進一步說明，本實施方式中，所述的FPGA2採用XC7Z030 實現。
[0075]【具體實施方式】八:參照圖2和圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法，所述方法包括以下步驟:
[0076]步驟一:發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點；
[0077]步驟二:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl ；
[0078]步驟三:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1 ；
[0079]步驟四:接收節點判斷所接收到的信號是否為「距離估計請求」數據包，若是，則執行步驟五，否則返回步驟一；
[0080]步驟五:接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點；
[0081]步驟六:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2;
[0082]步驟七:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3;
[0083]步驟八:接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點；
[0084]步驟九:發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d ；
[0085]所述基於時間戳的精密計時方法包括以下步驟:
[0086]配置命令和控制信息發送步驟:微控制器I的應用層1-5向FPGA2配置&控制模塊2-1發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對FPGA2的信號捕捉單元2-2和精密計時單元2-3進行初始化、清零和使能操作；
[0087]時鐘信號發送步驟:FPGA2高頻率時鐘源2_4持續向信號捕捉單元2_2和精密計時單元2-3發送GHz或更高頻率的時鐘信號；
[0088]聲吶信號接收/發送步驟:微控制器I的聲吶傳輸物理層1-1接收或發送聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元2-2 ；
[0089]聲吶信號捕捉步驟:在時鐘信號的驅動下，信號捕捉單元2-2捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元2-3發送捕捉指示信號；
[0090]時間戳生成步驟:在時鐘信號的驅動下，精密計時單元2-3在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制豐旲塊2-1 ；
[0091]時間戳信息發送步驟:配置&控制模塊2-1將接收到的時間戳信息發送給應用層1-5 ；
[0092]時間長度計算步驟:應用層1-5接收配置&控制模塊2-1發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對兩個不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度。
[0093]本實施方式中，採用基於時間戳的精密計時方法，考慮並消除了節點處理數據包所用的時間，達到了聲吶信號傳輸時間精密計時的目的，實現了 10~_6m的靜態距離估計精度。
[0094]微控制器I中的應用程式初始化成功後，給FPGA2中的配置&控制模塊2_1發送配置命令和控制信息。當聲吶傳輸物理層1-1發送或者接收聲吶信號時，在介質訪問層1-2和網絡層1-3之間的MII接口媒體獨立接口會有電信號產生，FPGA2中的信號捕捉單元2_2會及時捕捉到MII接口信號的起始位，並將捕捉指示信號傳輸給精密計時單元2-3 ;精密計時單元2-3收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存，形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制模塊2-1 ;配置&控制模塊2-1收到時間戳信息後，將其轉發給微控制器I中的應用程式；微控制器I的應用程式接收到時間戳信息，將其進行存儲和索弓丨，並根據需要，對不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度。
[0095]所述的基於時間戳的精密計時方法採用介質訪問層的時間戳技術，在高頻率、高精度時鐘信號的驅動下，捕捉測距時往返傳輸的聲吶信號，獲得納秒級的傳輸計時，為精密的距離估計奠定技術基礎。
[0096]【具體實施方式】九:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，步驟九所述獲得發送節點和接收節點間的距離d的方法如下式所示:
[0097]d = V* [ (T3-T0) - (T2-T1) ] /2。
[0098]本實施方式中，所述(T2-T1)為接收節點處理數據包的時間，則整個聲吶傳輸的時間為:[(T3-Ttl)-(T2-T1)L
[0099]【具體實施方式】十:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，水下聲吶的傳輸速度V為 1531m/s。
[0100]【具體實施方式】^:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用單片機實現。
[0101]【具體實施方式】十二:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用ARM實現。
[0102]【具體實施方式】十三:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，所述的微控制器I採用ARM9實現。
[0103]【具體實施方式】十四:本實施方式是對【具體實施方式】八所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法作進一步說明，本實施方式中，所述的FPGA2採用XC7Z030 實現。
【權利要求】
1.一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，它包括以下裝置: 發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點的單元； 發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl的單元； 接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1的單元； 接收節點判斷所接收到的信號是否為「距離估計請求」數據包的單元； 接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元； 接收節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2的單元； 發送節點利用基於時間戳的精密計時裝置採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3的單元； 接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點的單元； 發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d的單元； 所述基於時間戳的精密計時裝置包括: 微控制器(I)和FPGA (2)，所述微控制器(I)與FPGA (2)之間通過MII接口連接，所述的微控制器(I)包括聲吶傳輸物理層(1-1)、介質訪問層(1-2)、網絡層(1-3)、傳輸層(1-4)和應用層(1-5)，所述聲吶傳輸物理層(1-1)與介質訪問層(1-2)之間設置有MII接口，所述的FPGA (2)內嵌入有固件實現的配置&控制模塊(2-1)、信號捕捉單元(2-2)、精密計時單元(2-3)和高頻率時鐘源(2-4)； 所述的聲吶傳輸物理層(1-1):用於發送或接收聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元(2-2)； 應用層(1-5):用於向配置&控制模塊(2-1)發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對信號捕捉單元(2-2)和精密計時單元(2-3)進行初始化、清零和使能操作；接收配置&控制模塊(2-1)發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度； 高頻率時鐘源(2-4):用於為信號捕捉單元(2-2)和精密計時單元(2-3)持續提供IGHz或更高頻率的時鐘信號； 信號捕捉單元(2-2):用於在時鐘信號的驅動下，捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元(2-3)發送捕捉指示信號； 精密計時單元(2-3):用於在時鐘信號的驅動下，進行計時，並在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制模塊(2-1)； 配置&控制模塊(2-1):用於將接收到的時間戳信息發送給應用層(1-5)。
2.根據權利要求1所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，利用下式獲得發送節點和接收節點間的距離d: d = V* [(T3-T0)-(T2-T1)]/2。
3.根據權利要求2所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，水下聲吶的傳輸速度V為1531m/s。
4.根據權利要求1所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，所述的微控制器(I)採用單片機實現。
5.根據權利要求1所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，所述的微控制器(I)採用ARM實現。
6.根據權利要求1所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，所述的微控制器(I)採用ARM9實現。
7.根據權利要求1所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計系統，其特徵在於，所述的FPGA(2)採用XC7Z030實現。
8.一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟: 步驟一:發送節點將「距離估計請求」數據包以聲吶信號的形式發送至接收節點；步驟二:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點發送「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息Ttl; 步驟三:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點接收「距離估計請求」數據包的時間數據戳信息T1; 步驟四:接收節點判斷所接收到的信號是否為「距離估計請求」數據包，若是，則執行步驟五，否則返回步驟一； 步驟五:接收節點將含有時間數據戳信息T1的「回復」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點； 步驟六:接收節點利用基於時間戳的精密計時方法採集接收節點發送「回復」數據包的時間數據戳信息T2 ； 步驟七:發送節點利用基於時間戳的精密計時方法採集發送節點接收「回復」數據包的時間數據戳信息T3 ； 步驟八:接收節點將含有時間數據戳信息T2的「跟隨」數據包以聲吶信號的形式發送至發送節點； 步驟九:發送節點利用時間數據戳信息Ttl、時間數據戳信息T1、時間數據戳信息T2、時間數據戳信息T3和水下聲吶的傳輸速度V，獲得發送節點和接收節點間的距離d ； 所述基於時間戳的精密計時方法包括以下步驟: 配置命令和控制信息發送步驟:微控制器⑴的應用層(1-5)向FPGA⑵配置&控制模塊(2-1)發送配置命令和控制信息，該配置命令和控制信息用於對FPGA(2)的信號捕捉單元(2-2)和精密計時單元(2-3)進行初始化、清零和使能操作； 時鐘信號發送步驟=FPGA (2)高頻率時鐘源(2-4)持續向信號捕捉單元(2-2)和精密計時單元(2-3)發送GHz或更高頻率的時鐘信號； 聲吶信號接收/發送步驟:微控制器(I)的聲吶傳輸物理層(ι-1)接收或發送聲吶信號，並將該聲吶信號對應的電信號通過MII接口發送給信號捕捉單元(2-2)； 聲吶信號捕捉步驟:在時鐘信號的驅動下，信號捕捉單元(2-2)捕捉MII接口發來的信號的起始位，並向精密計時單元(2-3)發送捕捉指示信號； 時間戳生成步驟:在時鐘信號的驅動下，精密計時單元(2-3)在接收到捕捉指示信號後，將當前精密計時的結果暫存並形成時間戳信息，並將該時間戳信息發送給配置&控制模塊(2-1)； 時間戳信息發送步驟:配置&控制模塊(2-1)將接收到的時間戳信息發送給應用層(1-5)； 時間長度計算步驟:應用層(1-5)接收配置&控制模塊(2-1)發來的時間戳信息，並對該時間戳信息進行存儲和索引，對兩個不同的時間戳進行相減運算，以得到兩個時間戳之間的時間長度。
9.根據權利要求8所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法，其特徵在於，步驟九所述獲得發送節點和接收節點間的距離d的方法如下式所示:
d = V* [(T3-T0)-(T2-T1)]/2。
10.根據權利要求9所述的一種基於水下聲吶信號傳輸的異步精密靜態距離估計方法，其特徵在於，水下聲吶的傳輸速度V為1531m/s。
【文檔編號】G01S15/08GK104181538SQ201410418626
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】羅清華, 王少軍, 彭喜元, 彭宇, 宋佳, 張玉傑 申請人:哈爾濱工業大學