一種水下多纜聲學網絡定位方法與流程
2023-05-22 05:45:01 4
本發明涉及一種水下多纜聲學網絡定位方法，屬於海洋地震拖纜系統中的多纜聲學網絡定位領域。
背景技術：
水下多纜定位技術是海上地震勘探技術中的一項關鍵技術。精確的拖纜定位可以保證較高的三維地震成像精度，為後續開發方案的制定提供可靠的依據。但由於在海上地震數據採集時，拖纜長度達到數千米，受海流影響，其位置時時都在變化，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯。
現有技術對海上石油勘探中的水下多纜定位原理、特點及關鍵技術進行了分析，並建立了海上地震勘探多纜定位模型，但對於如何有效抗多途幹擾和實時數據獲取方面較少涉及，文獻中採用逐步解算方法定位水鳥位置，會間接影響聲學網絡定位的精度，降低系統的探測效果。
長基線水聲定位技術要求精確獲取每個接收水鳥和發射水鳥的相對距離，而由於每條拖纜上間隔布放發射水鳥和接收水鳥，在拖纜的數目多、長度長的情況下，水鳥的數目龐大，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯，這就導致當發射水鳥同時工作時，每個接收水鳥都會接收到一長串具有數個峰值的脈衝信號，無法從這一長串脈衝信號中準確提取需要的直達峰值，導致無法準確的確定接收水鳥相對發射水鳥的位置，無法準確對接收水鳥定位。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題為：克服現有水下多纜聲學網絡定位系統抗多途幹擾效果差且定位精度不高的缺點，採用一種新的多頻實時數據獲取方式來提高聲學網絡定位系統的抗多途幹擾效果，提高拖纜系統的工作效率，縮短定位解算的時間，並使用全局解算算法取代常用的逐步解算算法來減小定位誤差。
本發明解決的技術方案為：一種水下多纜聲學網絡定位方法，包括：確定水下多纜聲學網絡定位系統的組網方式階段、多頻實時數據獲取階段、抗多途幹擾階段和全局解算求解接收水鳥的位置信息階段；
所述確定海上拖纜系統的組網方式階段步驟如下：
(1)確定海上拖纜系統中拖纜數量和每條拖纜上的發射水鳥和接收水鳥的數量，確定每條拖纜的長度；所述發射水鳥能夠發射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；同一條拖纜上的發射水鳥設置相同的發射頻率，不同拖纜上的發射水鳥設置不同的聲信號發射頻率；
(2)在接收到指令後，得到某個接收水鳥收到的某發射頻率的發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號；
所述多頻實時數據獲取階段步驟如下：
(3)判斷步驟(2)該接收水鳥收到的該發射頻率的發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號能否在時域上分開；若能夠在時域上分開，進行步驟(4)；若在時域上分不開即產生重疊，進行步驟(5)；
所述抗多途幹擾階段步驟如下：
(4)獲取步驟(3)該接收水鳥接收到的該發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti；
(5)採用抗多途幹擾方法，獲取步驟(3)該接收水鳥接收到的該發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti；
所述全局解算求解接收水鳥的位置信息階段步驟如下：
(6)根據步驟(5)得到的直達時間ti，和聲速c，進行全局結算，確定某接收水鳥與某發射水鳥的相對距離。
所述步驟(2)中在接收到指令後，得到某接收水鳥收到的某發射頻率的發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號，步驟如下：
在接收到指令後，向每條拖纜的發射水鳥和接收水鳥發出統一的啟動脈衝，使每條拖纜的各個發射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈衝信號後，發射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發射水鳥同時工作，發出不同頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，進行窄帶濾波後再放大，得到該發射頻率的時域脈衝信號，該時域脈衝信號包括該發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥和發射水鳥，得到拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號。
所述步驟(2)中在接收到指令後，得到某個接收水鳥收到的某發射頻率的發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號，步驟如下：
在接收到指令後，將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發射水鳥，每階其餘水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進行定位時，除這一階的發射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發射水鳥和接收水鳥關閉，即所有拖纜的第一階中的發射水鳥先發射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然後所有拖纜的第二階中的發射水鳥再發射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個階中的發射水鳥發射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，進行窄帶濾波後再放大，得到該發射頻率的時域脈衝信號，這些發射頻率的時域脈衝信號包括該發射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號。
所述步驟(3)判斷步驟(2)各個接收水鳥收到的每個發射頻率的發射水鳥發射的直接到達該接收水鳥的直達信號和經海面反射到達該接收水鳥的多途信號能否在時域上分開，步驟如下；
若某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號能夠在時域上分開，進行步驟(4)；若某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號在時域上重疊進行步驟(5)；若接收水鳥在距離海平面6.5米以內(發射的時域脈衝信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米(發射的時域脈衝信號脈寬為1ms時)以內，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上重疊；接收水鳥在距離海平面6.5米之上(發射的時域脈衝信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米之上(發射的時域脈衝信號脈寬為1ms時)，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上能分開。
所述步驟(4)中，獲取步驟(3)該接收水鳥接收到的該發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，步驟如下：
設定搜索窗的時間寬度，搜索窗的寬度小於該接收水鳥收到的某頻率發射信號的脈衝寬度，對該接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，將該接收水鳥收到的時域脈衝信號的所有採樣點的信號幅度進行統計平均，得到平均幅度，將每個採樣點的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個採樣點的幅度比；以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，在每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點，然後將每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點按照幅度比的值從大到小進行排列，取幅度比最大的採樣點作為直達信號，則該幅度比最大的採樣點的採樣時間即為該接收水鳥接收到的該發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti；遍歷所有接收水鳥和發射水鳥，能夠得到各個接收水鳥接收到的各個發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti。
所述步驟(5)採用抗多途幹擾方法，獲取接收水鳥接收到的某發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，步驟如下：
設定搜索窗的時間寬度為步驟(4)的搜索窗的時間寬度的一半，設置幅度上限和幅度下限，對該接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，對每個搜索窗的時間寬度內的所有採樣點的脈衝幅度進行判斷，若某採樣點脈衝幅度大於幅度上限，判定該採樣點信號幅度大於幅度上限的信號是接收的脈衝信號，然後以幅度大於幅度上限的該採樣點為起點對時域脈衝寬度進行計數，計數時間為發射脈衝寬度的一半，第一次出現信號幅度大於幅度上限的採樣點，則直接將該採樣點接收的脈衝信號判定為有效脈衝，即直達信號；若某採樣點的脈衝幅度小於幅度上限，則將該採樣點的脈衝幅度再與設定的幅度下限比較，若該接收的採樣點的脈衝幅度大於幅度下限則暫時保存該採樣點接收的脈衝信號，然後判斷該採樣點接收的脈衝信號的發射脈衝寬度的另一半內是否有同樣幅度的脈衝出現，有同樣的幅度脈衝出現則認為暫存的脈衝是有效脈衝，將此有效脈衝判定為直達信號，則該直達信號的採樣時間即為該接收水鳥接收到的該發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti；遍歷所有接收水鳥和發射水鳥，能夠得到各個接收水鳥接收到的各個發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti。
所述根據步驟(6)得到的直達時間ti，和聲速c，進行全局結算，確定接收水鳥與發射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離步驟如下：
建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設置，設定發射水鳥的位置已知，並設第i個發射水鳥的位置坐標為Ti(xi,yi,zi)，根據步驟(5)或步驟(6)發射水鳥發出的聲信號從發射水鳥直接到達接收水鳥的時間為ti，設接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發射水鳥和接收水鳥之間的距離Rio為：
令，z＝h，zi＝hi，ΔHi＝h-hi，發射水鳥的深度hi和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；
將公式(1)表示為：
式中，N為大於等於3的整數；
將式(2)化簡得到：x2+y2-2xix-2yiy＝(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2 (3)
令(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2＝Δi，
將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對於各發射水鳥的三維坐標，再根據各接收水鳥相對於各發射水鳥的三維坐標，確定各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離。
所述發射聲信號的脈衝寬度0.5～1ms，直達信號、多途信號脈衝寬度0.5～1ms。
所述步驟(4)、(5)設定的搜索窗的時間寬度為發射信號脈衝寬度的0.5～1倍之間。
所述步驟(5)幅度上限為發射信號幅度的1/50左右，幅度下限為發射信號幅度的1/150左右。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)本發明的方法簡單，原理清楚，能夠滿足拖纜系統實時性的要求。
(2)本發明採用多頻實時數據獲取模型，所有水鳥可以同時工作，提高拖纜系統的工作效率。
(3)本發明採用抗多途幹擾方案，避免漏報直達信號。
(4)本發明採用全局解算算法，縮短定位解算時間，提高定位解算的。精度。
附圖說明
圖1(a)為水下多纜聲學網絡定位系統的兩種組網方式1示意圖，(b)為水下多纜聲學網絡定位系統的兩種組網方式2示意圖；
圖2為本發明抗多途幹擾方案流程圖；
圖3為逐步解算方案示意圖；
圖4為本發明全局解算方案示意圖；
圖5為本發明長基線水聲定位模型示意圖；
圖6為本發明簡單構造的水下多纜聲學網絡定位系統示意圖；
圖7為本發明算例各水鳥布放距離示意圖；
圖8的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為本發明6個接收水鳥收到的仿真擬合脈衝信號示意圖；
圖9(a)為本發明X坐標定位結果絕對誤差示意圖，(b)為本發明Y坐標定位結果絕對誤差示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細描述，
海上拖纜系統一般由3～4條拖纜組成，拖纜之間平行布放。對多纜的聲學網絡定位系統主要由發射水鳥和接收水鳥組成，每條拖纜的組成一樣，其組網方式主要有兩種，若拖纜較短(每根拖纜小於等於1km)，可在拖纜前端和末端放置發射水鳥(即聲學鳥)，中間放置接收水鳥(即水平鳥)，如圖1(a)所示；若拖纜較長(每根拖纜大於1km)，由於高頻聲信號衰減較大，發射水鳥只在前端和末端布放會導致中間的接收水鳥接收不到信號，一般採取發射、接收水鳥間隔布放的原則，如圖1(b)所示，發射水鳥為實心圓，接收水鳥為空心圓，水鳥之間通過拖纜內的連接電纜傳遞數據，根據高頻聲信號的衰減大小，一般將水鳥的間距定為50米～100米。本發明所述多頻實時數據獲取方案中所有發射水鳥和接收水鳥可以同時進行工作，大大提高了拖纜系統的效率，縮短了定位解算的時間，提高了聲學網絡定位系統的抗多途幹擾效果，採用全局解算算法減小了定位誤差。
本發明優選的方案為：一種水下多纜聲學網絡定位方法，包括確定水下多纜聲學網絡定位系統的組網方式階段、多頻實時數據獲取階段、抗多途幹擾階段和全局解算求解所有水鳥的位置信息階段；
所述確定水下多纜聲學網絡定位系統的組網方式階段步驟如下：
(1)確定海上拖纜系統中拖纜數量和每條拖纜上的發射水鳥和接收水鳥的數量，確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小於等於1km，則進行步驟(2)，若每條拖纜的長度大於1km，則進行步驟(3)；所述發射水鳥能夠發射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設每條拖纜上有N個發射水鳥和M個接收水鳥，為同一條拖纜上的發射水鳥設置相同的發射頻率，為不同拖纜上的發射水鳥設置不同的聲信號發射頻率；
(2)在接收到指令後，向每條拖纜的發射水鳥和接收水鳥發出統一的啟動脈衝，使每條拖纜的各個發射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈衝信號後，發射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發射水鳥同時工作，發出不同發射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與某發射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波後再放大，得到發射頻率的時域脈衝信號，這些發射頻率的時域脈衝信號包括該發射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號；
所述多頻實時數據獲取階段步驟如下：
(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發射水鳥，每階其餘水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進行定位時，除這一階的發射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發射水鳥和接收水鳥關閉，即所有拖纜的第一階中的發射水鳥先發射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然後所有拖纜的第二階中的發射水鳥再發射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個階中的發射水鳥發射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與發射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波後再放大，得到發射頻率的時域脈衝信號，這些發射頻率的時域脈衝信號包括該發射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號；
(4)對步驟(2)拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號的時域進行判斷，即若某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號能夠在時域上分開，進行步驟(5)；若接收水鳥在距離海平面6.5米以內(發射的時域脈衝信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米(發射的時域脈衝信號脈寬為1ms時)以內，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上重疊；接收水鳥在距離海平面6.5米之上(發射的時域脈衝信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米之上(發射的時域脈衝信號脈寬為1ms時)，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上能分開。
所述抗多途幹擾階段步驟如下：
(5)設定搜索窗的時間寬度，搜索窗的寬度小於某接收水鳥收到的時域脈衝信號的時長，對接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，將某接收水鳥收到的時域脈衝信號的所有採樣點的信號幅度進行統計平均，得到平均幅度，將每個採樣點的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個採樣點的幅度比；以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，在每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點，然後將每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點按照幅度比的值從大到小進行排列，取幅度比做大的採樣點作為直達信號，則該幅度比做大的採樣點的採樣時間即為該接收水鳥接收到的某發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，將該直達時間ti乘以聲速c得到某接收水鳥與某發射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離；
(6)設定搜索窗的時間寬度為步驟(5)的搜索窗的時間寬度的一半，設置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，對每個搜索窗的時間寬度內的所有採樣點的脈衝幅度進行判斷，若某採樣點脈衝幅度大於幅度上限，判定該採樣點信號幅度大於幅度上限的信號是接收的脈衝信號，然後以幅度大於幅度上限的該採樣點為起點對時域脈衝寬度進行計數，計數時間為發射脈衝寬度的一半，第一次出現信號幅度大於幅度上限的採樣點，則直接將該採樣點接收的脈衝信號判定為有效脈衝，即直達信號；若某採樣點的脈衝幅度小於幅度上限，則將該採樣點的脈衝幅度再與設定的幅度下限比較，若該接收的採樣點的脈衝幅度大於幅度下限則暫時保存該採樣點接收的脈衝信號，然後判斷該採樣點接收的脈衝信號的發射脈衝寬度的另一半內是否有同樣幅度的脈衝出現，有同樣的幅度脈衝出現則認為暫存的脈衝是有效脈衝，將此有效脈衝判定為直達信號，則該直達信號的採樣時間即為該接收水鳥接收到的某發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，將該直達時間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離；
所述全局解算求解所有水鳥的位置信息階段步驟如下：
(7)建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設置，設定所有發射水鳥的位置已知，並設第i個發射水鳥的位置坐標為Ti(xi,yi,zi)，根據步驟(5)或步驟(6)發射水鳥發出的聲信號從發射水鳥直接到達接收水鳥的時間為ti，設接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發射水鳥和接收水鳥之間的距離Rio為：
令，z＝h，zi＝hi，ΔHi＝h-hi，發射水鳥的深度hi和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；
將公式(1)表示為：
式中，N為大於等於3的整數；
將式(2)化簡得到：x2+y2-2xix-2yiy＝(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2 (3)
令(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2＝Δi，
將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對於各發射水鳥的三維坐標。
根據上述海上拖纜的特點，本發明更優選的一種水下多纜聲學網絡定位方法，步驟如下：
(1)第一步是確定水下多纜聲學網絡定位系統的組網方式。
首先確定海上拖纜系統中拖纜數量和每條拖纜上的發射水鳥和接收水鳥的數量，即一共有多少條拖纜，每條上面有多少個發射水鳥和多少個接收水鳥，然後確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小於等於1km，則進行步驟(2)，若每條拖纜的長度大於1km，則進行步驟(3)；所述發射水鳥能夠發射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設每條拖纜上有N個發射水鳥和M個接收水鳥，為同一條拖纜上的發射水鳥設置相同的發射頻率，為不同拖纜上的發射水鳥設置不同的聲信號發射頻率；
(2)在接收到指令後，向每條拖纜的發射水鳥和接收水鳥發出統一的啟動脈衝，使每條拖纜的各個發射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈衝信號後，發射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發射水鳥同時工作，發出不同發射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與某發射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波後再放大，得到發射頻率的時域脈衝信號，這些發射頻率的時域脈衝信號包括該發射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號；假設拖纜網絡中每條拖纜有N個發射水鳥和M個接收水鳥，在作業過程中，主機軟體發出定位測量指令，接收到指令後確定處於網絡內各個水鳥的收發任務和順序，將指令發送到相應的水鳥中，待各個水鳥完成準備工作後，發送一個統一的啟動脈衝，各水鳥在接收到發射啟動脈衝信號後，開始各自的工作，即當拖纜較短時(每條拖纜長度小於1km)，每條拖纜前端和末端的發射水鳥同時工作，中間的接收水鳥接收聲信號並定位；當拖纜較長時(每條拖纜長度小於1km)，將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發射水鳥，其餘為接收水鳥；某一階拖纜進行定位時，除這一階開啟發射水鳥、接收水鳥外，拖纜的其它階所有水鳥關閉，即第一階中的發射水鳥先發射，第一階中的接收水鳥接收聲信號並定位，然後第二階中的發射水鳥再發射，第二階中的接收水鳥接收聲信號並定位，以此類推，直至第N個階中的發射水鳥發射，第N階中的接收水鳥接收聲信號並定位，完成整根拖纜的定位；
設定每根拖纜上的N個發射水鳥發射N個不同頻率的聲信號，M個接收水鳥收到的脈衝信號中包括了N個發射水鳥的直達信號和海面反射的多途信號。當需要獲取第i個接收水鳥與第j個發射水鳥的相對距離時(j＝1.2…M,M為大於等於N的整數)，只需以第j個發射水鳥相對應的頻率對第i個接收水鳥接收到的時域信號進行濾波並放大該頻率信號，經過濾波及放大處理後的脈衝信號中只包含第j個發射水鳥的直達信號和相應的多途信號。由於先進行濾波，只保留同一頻率的信號，再將這一頻率的信號放大，由於不同頻率與發射水鳥已經一一對應了，所以可以確定該脈衝信號是哪一個發射水鳥發射的)
(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發射水鳥，每階其餘水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進行定位時，除這一階的發射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發射水鳥和接收水鳥關閉，即所有拖纜的第一階中的發射水鳥先發射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然後所有拖纜的第二階中的發射水鳥再發射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個階中的發射水鳥發射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與發射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈衝以該發射水鳥發射的聲信號的發射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波後再放大，得到發射頻率的時域脈衝信號，這些發射頻率的時域脈衝信號包括該發射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號；
(4)對步驟(2)拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號的時域進行判斷，即若某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號能夠在時域上分開，進行步驟(5)；若某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號在時域上重疊進行步驟(6)；接收水鳥在距離海平面1.5米以內，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上重疊；接收水鳥在距離海平面1.5米之上，判定某個接收水鳥收到的各發射水鳥發射的時域脈衝信號中的直達信號與多途信號時域上能分開；(直達信號、多途信號脈衝寬度0.5～1ms，接收的直達信號、多途信號如果傳播距離差小於1.5米，可定義為時域上重疊；)
由於直達波與海面反射波信號在時域上存在分離和相互疊加兩種情況。對於直達信號和海面反射多途信號的判別，首先通過搜索窗確定接收到的脈衝信號內所有峰值及其產生的時間，根據峰值數量及其產生的時間，並結合接收水鳥與海面的距離來區分直達信號、多途信號，及二者是否疊加。若直達波和海面反射波的聲程差較大，二者在時域上可以分開，設定搜索窗的寬度略小於發射脈寬(因為若是出現直達信號與多途信號雖然相距較近，但並沒有重疊這種情況，搜索窗太寬則不能有效區分兩種信號)，並以該寬度為單位在處理後的時域脈衝信號上進行循環，按照搜索窗內最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈衝信號內所有峰值及其產生的時間，最後再根據直達聲的聲程最小、且幅度最大的原則，確定時間靠前且能量最大的峰值是直達信號，時間靠後且能量較小的峰值是多途信號，以此獲得直達信號的產生時間ti，結合聲速即可計算出與指定發射水鳥的相對距離Rio。(說明：三維情況下仍是兩點之間直線最短，直達聲信號傳播時間一定小於經過海面反射的聲信號傳播時間，若是接收水鳥離海面很近，則會出現直達信號與多途信號重疊)
若直達信號與多途信號在時域上重疊，則採用如下抗多途幹擾的方案進行處理。
(5)設定搜索窗的時間寬度(若接收的時域脈衝時長為10s,優選搜索窗的時間寬度略小於10s)，搜索窗的寬度小於某接收水鳥收到的時域脈衝信號的時長，對接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，將某接收水鳥收到的時域脈衝信號的所有採樣點的信號幅度進行統計平均，得到平均幅度，將每個採樣點的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個採樣點的幅度比；以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，在每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點，然後將每個搜索窗的時間寬度內找到幅度比最大的採樣點按照幅度比的值從大到小進行排列，取幅度比做大的採樣點作為直達信號，則該幅度比做大的採樣點的採樣時間即為該接收水鳥接收到的某發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，將該直達時間ti乘以聲速c得到某接收水鳥與某發射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離；
(6)設定搜索窗的時間寬度為步驟(5)的搜索窗的時間寬度的一半(搜索窗減半，若接收的時域脈衝時長為10s,優選1ms-5ms先搜索一次，5ms-10ms再搜索依次，以覆蓋整個接收的時域脈衝時長)，設置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時域脈衝信號進行採樣，以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大後的時域脈衝信號上進行循環搜索，對每個搜索窗的時間寬度內的所有採樣點的脈衝幅度進行判斷，若某採樣點脈衝幅度大於幅度上限，判定該採樣點信號幅度大於幅度上限的信號是接收的脈衝信號，然後以幅度大於幅度上限的該採樣點為起點對時域脈衝寬度進行計數，計數時間為發射脈衝寬度的一半，第一次出現信號幅度大於幅度上限的採樣點，則直接將該採樣點接收的脈衝信號判定為有效脈衝，即直達信號；若某採樣點的脈衝幅度小於幅度上限，則將該採樣點的脈衝幅度再與設定的幅度下限比較，若該接收的採樣點的脈衝幅度大於幅度下限則暫時保存該採樣點接收的脈衝信號，然後判斷該採樣點接收的脈衝信號的發射脈衝寬度的另一半內是否有同樣幅度的脈衝出現，有同樣的幅度脈衝出現則認為暫存的脈衝是有效脈衝，將此有效脈衝判定為直達信號，則該直達信號的採樣時間即為該接收水鳥接收到的某發射水鳥發射的聲信號的直達時間ti，將該直達時間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發射水鳥之間的直線距離；
抗多途幹擾方案是數據獲取之後、定位解算之前進行的最重要的信號處理過程。由於拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲對定位系統解算的影響明顯，水面多途幹擾是水聲定位誤差最重要的來源，需要採取有效的方法去除水面多途幹擾。當聲源與接收點水平距離較遠時，直達聲與反射聲信號會疊加產生相消幹涉，為此設計抗水面多途幹擾方案，以避免漏報直達聲。
抗多途幹擾方案如圖2所示，主要利用邏輯判決結合窄帶包絡幅度檢波和鑑寬器檢波方法進行聯合檢測。首先求取通過窄帶濾波器後輸出信號的包絡，設置一定大小的幅度門限進行包絡檢波，判斷包絡信號序列的幅度是否大於幅度門限。若某時刻包絡幅度大於幅度門限，認為是接收的脈衝信號。其次，以此時刻為起點，利用鑑寬器對脈衝的寬度進行計數。鑑寬器的寬度門限設為大小兩種，大的門限依據發射信號的脈衝寬度而定，設定為略小於發射信號的脈衝寬度；小的門限依據疊加信號時延差的規律而定，即根據兩個信號相消幹涉的規律再結合實踐經驗來確定，這裡選擇為期望的時延估計誤差，如發射信號脈衝寬度的一半等。判決時，首先寬度計數器與大寬度門限比，大於大寬度門限則直接判為有效脈衝；小於則再與小寬度門限比較，若大於小寬度門限就暫時保存脈衝信息，然後判斷其前後等於或略大於一個脈衝寬度的時間間隔內是否有類似的脈衝出現，有則認為暫存的脈衝是有效脈衝。最後，結合這兩個脈衝信息來判斷、修正直達脈衝信息，以提高測距的精度。當直達聲和多途幹擾疊加產生相消幹涉時，通過以上邏輯判斷出相消幹涉後的直達聲脈衝和多途幹擾脈衝，這兩個經過相消幹涉後的脈衝前沿之間的時間差即等於直達波的脈衝寬度。如果二者之間不發生重疊，則直達脈衝信息不需要修正。
最後採用全局解算算法(逐步解算算法和全局解算算法如圖3和圖4所示)。
(7)建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設置，設定所有發射水鳥的位置已知，並設第i個發射水鳥的位置坐標為Ti(xi,yi,zi)，根據步驟(5)或步驟(6)發射水鳥發出的聲信號從發射水鳥直接到達接收水鳥的時間為ti，設接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發射水鳥和接收水鳥之間的距離Rio為：
令，z＝h，zi＝hi，ΔHi＝h-hi，發射水鳥的深度hi和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；
將公式(1)表示為：
式中，N為大於等於3的整數；
將式(2)化簡得到：x2+y2-2xix-2yiy＝(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2 (3)
令(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2＝Δi，
將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對於各發射水鳥的三維坐標。
全局解算算法是在所有距離數據獲取之後進行的，通過長基線水聲定位技術建立位置解算的系統方程。長基線水聲定位數學模型如圖5所示。發射陣元Ti(xi,yi,zi)的位置已知，從發射陣元到達接收陣元O的時間為ti，兩陣元之間的距離
由於水下多纜定位系統中的陣元深度信息是通過壓力傳感器直接獲得的，可以視為接收陣元坐標中的一維信息已知(即深度z＝h)，同樣發射陣元坐標中的深度信息也可以通過相同方法獲得(即深度zi＝hi)，但是接收的深度與發射陣元的深度不同，這時的聲學定位數學模型為準三維的。
令ΔHi＝h-hi，則公式(1)可以表示為
進一步化簡可以表示為
x2+y2-2xix-2yiy＝(tic)2-(ΔHi)2-(xi)2-(yi)2＝Δvi，i＝1,...,N (3)
將上面的二次方程線性化求解，消去二次項，得到
Ax＝b (4)
其中，A為(N-1)×2的矩陣。對於該線性方程，通過迭代最小二乘方法求解得到所有位置信息的最優化解；
最後經電子羅經驗證水聲定位的縱向位置，電子羅經類似於指南針，是一種方位指示設備，安裝在每個發射水鳥和接收水鳥上，用於輔助定位，當聲學定位結束後，參考這種羅經設備可以驗證定位結果，提高定位精度。最終的目的是根據N個已知的Ti(xi,yi,zi)求取M個未知的(x、y)，h是深度信息，是由每個水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。
本發明克服了由於GPS等傳感器、聲學測距均存在誤差的問題，克服了每一次定位解算都會產生一定的誤差，導致根據逐步解算方案求解得到的位置誤差會傳遞到下一步，誤差會逐漸積累，隨著解算的進行誤差越來越大；本發明的全局解算方案中位置的求解是在距離數據測量後進行的，得到的是全局最優解，其定位解算產生的誤差總體上是一致的，誤差不會累積，所以定位結果更精確。
優選的實施例為：一種水下多纜聲學網絡定位方法，步驟如下：
第一步是確定水下多纜聲學網絡定位系統的組網方式。
為了簡化分析過程，首先構造一個簡單的水下多纜聲學網絡定位系統，其由3個發射水鳥和6個接收水鳥組成的，如圖6所示。空心圓為發射水鳥，編號分別為1、2、3號；實心圓為接收水鳥，編號分別為1、2、3、4、5、6號，每個發射水鳥採用不同的頻率發射,這裡假設1號發射水鳥的發射頻率為25kHz，2號發射水鳥的發射頻率為30kHz，3號發射水鳥的發射頻率為35kHz。
第二步是設計了一種多頻實時數據獲取模型。
假設僅考慮一次海面多途反射，當三個發射水鳥同時工作時，每個接收水鳥將收到三個直達信號和三個海面多途信號，總共六個峰值。假如現在需要獲取3號接收水鳥與2號發射水鳥的相對距離，只需將3號接收水鳥收到的脈衝信號按照中心頻率30kHz(2號發射水鳥的發射頻率)，帶寬1kHz進行濾波並放大該頻率信號分量，經過處理後的脈衝信號中就只剩下30kHz頻率的直達信號和對應的多途信號。
若直達信號與多途信號能夠在時域上分開，接下來確定搜索窗的寬度，並以該寬度為單位在濾波後的時域脈衝信號上進行循環，按照搜索窗內最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈衝信號內的兩個峰值(一個是直達信號，另一個是多途信號)，最後再根據兩點間直線最短的原則，多途信號的傳播距離大於直達信號的傳播距離，相應其衰減也會更大，所以產生時間靠前且幅度較大的峰值是直達信號，產生時間靠後且幅度較小的峰值是多途信號，以此確定直達信號的產生時間，結合聲速即可計算出3號接收水鳥與2號發射水鳥相對距離。若直達信號與多途信號在時域上重疊，則採用第三步中的抗多途幹擾方案進行處理。
第三步是設計了抗多途幹擾的方案。
利用圖2中設計的抗多途幹擾方案，對各個水鳥接收到的直達波和海面反射波幹擾信號反生疊加的情況進行處理，首先，設置一幅度門限對通過窄帶濾波器後輸出信號的包絡進行檢波，若某時刻包絡幅度大於幅度門限，認為是接收的脈衝信號。其次，以此時刻為起點對脈衝寬度進行計數，若其大於大寬度門限，則直接判為有效脈衝；小於則再與小寬度門限比較，若大於小寬度門限就暫時保存脈衝信息，然後判斷其前後一個發射信號脈寬內是否有類似的脈衝出現，有則認為暫存的脈衝是有效脈衝。最後，利用第二步中的方法，判斷直達波信號及其到達時刻。
第四步是採用全局解算方案求解所有水鳥的位置信息。
對於本例，共有三個發射水鳥，將前面推導的公式(3)中的N設為3，公式(3)變為：
將(5)式中的x2+y2消去，可求得：
根據公式(6)、(7)，即可對各接收水鳥進行定位。
說明：1、深度h是由每個水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。
對各接收水鳥進行定位後，通過電子羅經進行驗證，目的主要還是驗證定位結果。
若各水鳥之間的布放距離如圖7所示，仿真擬合的各接收水鳥接收的脈衝信號如圖8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，橫軸為各接收水鳥接收的脈衝的時間寬度，縱軸為接收水鳥接收到的脈衝信號幅度，可以看出幅度最大的最先到達的為直達信號，定位絕對誤差如圖9(a)、(b)所示，橫坐標為接收水鳥的標號，1.000表示一號接收水鳥，6.000表示二號接收水鳥，以此類推，圖9(a)縱坐標表示X軸誤差，圖9(b)縱坐標表示Y軸誤差,從中可以看到，發射水鳥和接收水鳥的距離約為35米～145米，定位的最大絕對誤差為0.467米，平均相對誤差小於1％。