CN104865554B - 一种双同步水下合作目标跟踪定位方法 - Google Patents

一种双同步水下合作目标跟踪定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，包括海面水声浮标测量阵以及测量母船，通过以下步骤完成定位：布放海面水声浮标测量阵；水下目标发出双同步合作声信号；测量母船通过架设的天线接收海面水声浮标测量阵的回传数据，经由主控计算机及船载综合处理机组成的基站完成对目标时延周期匹配、目标位置组合解算、球面方程组解值回代及目标位置深度区间选择实现对目标位置的解算及显示，实现对区域内各水下目标的跟踪定位，本该方法可有效降低多目标水下跟踪定位所需的频带资源，减小定位系统与其他装设备所用频段相冲突或相干扰的情况，降低工程实践的风险；节约设计成本；可有效降低计算量，有效降低硬件电路功耗，减小装设备体积。

Description

一种双同步水下合作目标跟踪定位方法
技术领域
本发明涉及目标跟踪定位方法，具体涉及一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，属于水下目标跟踪定位技术领域。
背景技术
随着人类对海洋探索开发的推进，人类开展的水下活动日益频繁，在水下布放的科学研究、资源开发、工程建设、国防军事等各领域的设备装备也越来越多。如何对这些水下目标进行跟踪定位，尤其是区域内多目标的跟踪定位成为水下定位技术研究的热点。由于纯被动的水下探测定位存在较大困难，且有较大的工程实施风险，现阶段主要还是采用合作声信号的测量方式进行水下定位。目前在区域内水下多目标跟踪定位领域，主要是通过合作声信号的频率不同来区分各个目标，从而实现对多个水下目标的跟踪定位。考虑到水声信号的传播特性及工程实践需求，测量用水声信号多分布于10kHz-100kHz频带范围内，该频带范围与海洋声学成像、回声探测、水下导航、捕鱼、水声通信、矿藏探测、军用声纳等领域使用的频带范围都有很大部分重叠，因而水下频带资源显得严重不足，并面临着区域内各种水下设备相互干扰的风险，尤其是需要在区域内对多个水下目标进行跟踪定位时尤其如此。
发明内容
本发明的目的是提供一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，该方法工作示意图如图1所示，工作流程图如图2所示，该方法通过水声浮标测量阵和测量母船合作来完成对水下各目标的跟踪定位，其中水声浮标阵实现对目标合作声信号的接收、相关时延值的计算及浮标位置的测量，并将时延值结果及浮标位置回传至测量母船，测量母船通过架设的天线接收浮标的回传数据，再经由主控计算机及船载综合处理机组成的基站完成对目标位置的解算及显示，实现对区域内各水下目标的跟踪定位。
本方法具体实现过程如下：
(1)在海区布放如图1所示的海面浮标测量阵，具体阵形及浮标个数根据实际测量范围需求及浮标有效声学作用距离指标而定，布放原则是保证目标在任何时刻至少处于四个浮标的有效声学作用距离内。
(2)水下目标按如图3所示方式发射合作声信号：目标1发送标准同步信号，目标2发送延时同步信号(与目标1相比延时τ)，且各目标合作声信号的频率相同。
(3)当水下目标进入浮标阵有效声学作用距离时，相应的浮标将接收到目标发射的合作声信号，并按同步周期进行相关估计，得出相应的时延值，最后将时延值回传至船载基站，由基站完成对目标位置的解算及显示。理论上若以第i(i＝1，2)个目标的同步时间为准，则通过相关估计出的信号时延中只有目标i是准确的，因而在进行球面交汇解算时只有目标i可以解算出连续准确的位置轨迹，以此类推，将可解算出两水下目标的运动轨迹。下面以第i个目标为例，详细介绍具体的解算过程：
(1)目标时延周期匹配
假设水下目标个数为两个，两个目标按本发明所设计的方式发射相同的合作声信号，图4为以第i个目标的同步周期为准计算出的时延估计值示意图，其中Fi(i＝1，2，3，4)表示浮标i，FiTj(j＝1，2，3，……)表示第i个浮标的第j个同步周期，FiTjtk(k＝1，2)表示第i个浮标的第j个同步周期内解算出的第k个时延。由于现实中浮标的有效水声作用距离Sf(或者是目标与最远浮标之间的距离)可能大于一个同步周期内声速的传播距离c×Ts(其中c表示声速，Ts表示同步周期)，甚至是c×Ts的m倍，目标某一时刻发射的合作声信号需要几个同步周期后才能被距离目标较远的浮标接收到，即同一同步周期内四个浮标接收到的信号不一定是目标同一时刻发射的合作声信号，计算出的相应时延值也不匹配，并不能实现对目标位置的距确解算，因而需要对各个浮标计算出的时延值进行周期匹配。若以F1为基准浮标，浮标的有效水声作用距离Sf满足(m×c×Ts＜Sf＜(m+1)×c×Ts)，则距离目标最远的浮标可能最多需要在m个周期后才能接收到信号，因而当基准浮标F1取定一组时延值时(如F1T3t1、F1T3t2)，则浮标F1的准确时延值可能为F1T3t1+Tx×Ts、F1T3t2+Tx×Ts(Tx＝0，1，2，…，m)，且F1每取定一组准确时延值，F2、F3、F4都分别有m组可能值与其相对应，即将会有(m+1)4组可能性的时延组合。为方便说明，表1结合图4给出m＝1时的时延组合表，m为其它值时与此类似。
(2)目标位置组合解算
距离测量定位系统是通过测量合作声信号的传播时间来实现对目标的定位的。每一组时间测量确定声源所在的一个球面，即：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2(ti-ts)2i＝1，2，…，N (1)
其中(xi，yi，zi)和ti分别是第i个基元的空间位置和第i个阵元接收到信号时刻相对于接收机时钟的时间，(xs，ys，zs)和ts分别为声源(目标)空间坐标和信号发射时刻相对于接收机时钟的时间，c为声波在水中的传播速度。
对于同步式定位系统，声源、发射信号和接收机时钟同步，即ts＝0。这时(1)式的模型变成如下形式：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2ti 2i＝1，2，…，N (2)
其中只有(xs，ys，zs)为未知量，其余均为已知量。显然，(2)式的模型是个“球面交汇模型”。众所周知，两个球面相交成一圆，三个球面相交于两点，一般来讲，四个球面相交即可确定出空间的一个唯一点，这就是同步式水声定位系统的基本原理。
根据上述“球面交汇模型”，当N＝4时，模型表达式(3-2)可以表示成如下形式：
各变量的物理含义如前所述。
把上面方程括号展开后，用(2a)式分别减去(2b)，(2c)和(2d)式，整理后得到下面的线性方程组：
三个未知数，三个线性方程。把它们改写成矩阵形式为：
AX＝B (4)
其中，X＝[xs ys zs]T
上角标“T”表示转置。
只要A的逆矩阵存在，即可求得一组唯一解。
X＝A-1B (6)
X即为解算出的目标空间位置。
在本发明所阐述的跟踪定位方法中，由表1可知，每种时延组合情况下，每个浮标都将有两个时延值，而时延值与目标的对应关系则无法确定，因而在进行球面交汇解算时，需要通过组合的方式对四个浮标的时延值进行匹配，即可得到24组形如式(2)的球面方程组，按上文所述球面方程组的求解方法可得到24组解，理论上讲，其中仅有一组解是所要解算目标的真实位置。由于通过线性化方程组求出的解未必满足球面方程组，因而可在限定球面误差范围的情况下，通过球面方程组回代的方式去掉大部分伪解。另外考虑到工程实践中，一般zs(目标深度)在目标运动过程中相对于xs、ys变化幅度相对较小，且海区深度范围可事先得知，因而可通过对目标深度范围的筛选进一步去掉大部分明显不合理的深度野点，达到较为理想的目标跟踪定位效果。
方法验证
下面给出用本发明所述方法对水下双目标进行跟踪定位的验证结果。验证中，布放如图5所示的4km×4km海面水声浮标测量阵，海区最大水深200米，浮标水听器坐标分别为F1(2000，2000，30)、F2(-2000，2000，50)、F3(-2000，-2000，30)、F4(2000，-2000，50)(单位：米)，目标预设轨迹为：
目标目标
目标T1、T2按各自同步时间发射相同合作声信号，其中T1同步时间为标准同步时间，T2同步时间为延时同步时间(延时300ms)，图6-8为按本发明所述方法对T1、T2进行跟踪定位的结果，其中图6为只用球面方程组回代的结果，图7为只用深度区间选择的结果，图8为两者都用的解算结果。从图中可以看出，球面方程组回代具有良好的去伪解作用，基本可以得到较好的定位效果，但不合理深度野点的去除作用不佳；仅用深度区间选择则无法实现对伪解的有效去除；球面方程组回代与深度区间选择的结合则能取得良好的跟踪定位效果。
本发明具有的技术效果或优点：
一是该方法可有效降低多目标水下跟踪定位所需的频带资源，为其它装设备节约出更多的可用频带，减小定位系统与其他装设备所用频段相冲突或相干扰的情况，降低工程实践的风险；二是两个目标使用相同的合作声信号可减少声信号设计的工作量，节约设计成本；三是当两个目标使用相同的合作声信号时，解算时延只需进行一次相关计算，可有效降低计算量，使得最后的算法可在小规模运算芯片上执行，有效降低硬件电路功耗，减小装设备体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本方法工作示意图；
图2为本方法工作流程图；
图3为本方法合作声信号发射方式；
图4为时延估计值示意图；
图5为4km×4km海面水声浮标测量阵布放图；
图6为球面方程组回代结果图；
图7为深度区间选择结果图；
图8为球面方程组回代与深度区间选择结合结果图；
表1为m＝1时的时延组合表。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明所述的一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，通过水声浮标测量阵和测量母船合作来完成对水下各目标的跟踪定位，其中水声浮标阵实现对目标合作声信号的接收、相关时延值的计算及浮标位置的测量，并将时延值结果及浮标位置回传至测量母船，测量母船通过架设的天线接收浮标的回传数据，再经由主控计算机及船载综合处理机组成的基站完成对目标位置的解算及显示，实现对区域内各水下目标的跟踪定位。
本方法具体实现过程如下：
1、在海区布放如图1所示的海面浮标测量阵，具体阵形及浮标个数根据实际测量范围需求及浮标有效声学作用距离指标而定，布放原则是保证目标在任何时刻至少处于四个浮标的有效声学作用距离内；
2、水下目标按如图3所示方式发射合作声信号：目标1发送标准同步信号，目标2发送延时同步信号(与目标1相比延时τ)，且各目标合作声信号的频率相同；
3、当水下目标进入浮标阵有效声学作用距离时，相应的浮标将接收到目标发射的合作声信号，并按同步周期进行相关估计，得出相应的时延值，最后将时延值回传至船载基站，由基站完成对目标位置的解算及显示；理论上若以第i(i＝1，2)个目标的同步时间为准，则通过相关估计出的信号时延中只有目标i是准确的，因而在进行球面交汇解算时只有目标i可以解算出连续准确的位置轨迹，以此类推，将可解算出两水下目标的运动轨迹。下面以第i个目标为例，详细介绍具体的解算过程：
(1)目标时延周期匹配
假设水下目标个数为两个，两个目标按本发明所设计的方式发射相同的合作声信号，以第i个目标的同步周期为准计算出的时延估计值，其中Fi(i＝1，2，3，4)表示浮标i，FiTj(j＝1，2，3，……)表示第i个浮标的第j个同步周期，FiTjtk(k＝1，2)表示第i个浮标的第j个同步周期内解算出的第k个时延，由于现实中浮标的有效水声作用距离Sf(或者是目标与最远浮标之间的距离)可能大于一个同步周期内声速的传播距离c×Ts(其中c表示声速，Ts表示同步周期)，甚至是c×Ts的m倍，目标某一时刻发射的合作声信号需要几个同步周期后才能被距离目标较远的浮标接收到，即同一同步周期内四个浮标接收到的信号不一定是目标同一时刻发射的合作声信号，计算出的相应时延值也不匹配，并不能实现对目标位置的正确解算，因而需要对各个浮标计算出的时延值进行周期匹配。若以F1为基准浮标，浮标的有效水声作用距离Sf满足(m×c×Ts＜Sf＜(m+1)×c×Ts)，则距离目标最远的浮标可能最多需要在m个周期后才能接收到信号，因而当基准浮标F1取定一组时延值时(如F1T3t1、F1T3t2)，则浮标F1的准确时延值可能为F1T3t1+Tx×Ts、F1T3t2+Tx×Ts(Tx＝0，1，2，…，m)，且F1每取定一组准确时延值，F2、F3、F4都分别有m组可能值与其相对应，即将会有(m+1)4组可能性的时延组合；
(2)目标位置组合解算
距离测量定位系统是通过测量合作声信号的传播时间来实现对目标的定位的。每一组时间测量确定声源所在的一个球面，即：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2(ti-ts)2i＝1，2，…，N (1)
其中(xi，yi，zi)和ti分别是第i个基元的空间位置和第i个阵元接收到信号时刻相对于接收机时钟的时间，(xs，ys，zs)和ts分别为声源(目标)空间坐标和信号发射时刻相对于接收机时钟的时间，c为声波在水中的传播速度；
对于同步式定位系统，声源、发射信号和接收机时钟同步，即ts＝0。这时(1)式的模型变成如下形式：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2ti 2i＝1，2，…，N (2)
其中只有(xs，ys，zs)为未知量，其余均为已知量。显然，(2)式的模型是个“球面交汇模型”，两个球面相交成一圆，三个球面相交于两点，一般来讲，四个球面相交即可确定出空间的一个唯一点，这就是同步式水声定位系统的基本原理。
根据上述“球面交汇模型”，当N＝4时，模型表达式可以表示成如下形式：
各变量的物理含义如前所述。
把上面方程括号展开后，用(2a)式分别减去(2b)，(2c)和(2d)式，整理后得到下面的线性方程组：
三个未知数，三个线性方程。把它们改写成矩阵形式为：
AX＝B (4)
其中，X＝[xs ys zs]T
上角标“T”表示转置。
只要A的逆矩阵存在，即可求得一组唯一解。
X＝A-1B (6)
X即为解算出的目标空间位置。
在本发明所阐述的跟踪定位方法中，由表1可知，每种时延组合情况下，每个浮标都将有两个时延值，而时延值与目标的对应关系则无法确定，因而在进行球面交汇解算时，需要通过组合的方式对四个浮标的时延值进行匹配，即可得到24组形如式(2)的球面方程组，按上文所述球面方程组的求解方法可得到24组解，理论上讲，其中仅有一组解是所要解算目标的真实位置。由于通过线性化方程组求出的解未必满足球面方程组，因而可在限定球面误差范围的情况下，通过球面方程组回代的方式去掉大部分伪解。另外考虑到工程实践中，一般zs(目标深度)在目标运动过程中相对于xs、ys变化幅度相对较小，且海区深度范围可事先得知，因而可通过对目标深度范围的筛选进一步去掉大部分明显不合理的深度野点，达到较为理想的目标跟踪定位效果。
方法验证
下面给出用本发明所述方法对水下双目标进行跟踪定位的验证结果。验证中，布放如图5所示的4km×4km海面水声浮标测量阵，海区最大水深200米，浮标水听器坐标分别为F1(2000，2000，30)、F2(-2000，2000，50)、F3(-2000，-2000，30)、F4(2000，-2000，50)(单位：米)，目标预设轨迹为：
目标目标
目标T1、T2按各自同步时间发射相同合作声信号，其中T1同步时间为标准同步时间，T2同步时间为延时同步时间(延时300ms)，图6-8为按本发明所述方法对T1、T2进行跟踪定位的结果，其中图6为只用球面方程组回代的结果，图7为只用深度区间选择的结果，图8为两者都用的解算结果。从图中可以看出，球面方程组回代具有良好的去伪解作用，基本可以得到较好的定位效果，但不合理深度野点的去除作用不佳；仅用深度区间选择则无法实现对伪解的有效去除；球面方程组回代与深度区间选择的结合则能取得良好的跟踪定位效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例演示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
表1

Claims (5)

1.一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，其特征在于，包括海面水声浮标测量阵以及测量母船，通过以下步骤完成定位：
(1)布放海面水声浮标测量阵:
在海区布放海面浮标测量阵，海面水声浮标测量阵实现对目标发射的双同步合作声信号的接收、相关时延值的计算及浮标位置的测量，并将时延值结果及浮标位置回传至测量母船；
(2)水下目标发出双同步合作声信号：目标1发送标准同步信号，目标2发送延时同步信号，与目标1相比延时τ；
(3)测量母船通过架设的天线接收海面水声浮标测量阵的回传数据，经由主控计算机及船载综合处理机组成的基站完成对目标时延周期匹配、目标位置组合解算、球面方程组解值回代及目标位置深度区间选择实现对目标位置的解算及显示，实现对区域内各水下目标的跟踪定位；
所述的目标位置组合解算是每种时延组合情况下，每个浮标都将最多有2个时延值，而时延值与目标的对应关系则无法确定，因而在进行球面交汇解算时，需要通过组合的方式对四个浮标的时延值进行匹配，即最多可得到24组球面方程组，按上文所述球面方程组的求解方法最多可得到24组解；
所述的目标位置组合解算过程为：
每一组时间测量确定目标声源所在的一个球面，即：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2(ti-ts)2 i＝1,2,…,N 式(1)
其中xi,yi,zi和ti分别是第i个基元的空间位置和第i个阵元接收到信号时刻相对于接收机时钟的时间，xs,ys,zs和ts分别为声源目标空间坐标和信号发射时刻相对于接收机时钟的时间，c为声波在水中的传播速度，N为测量基元的个数；
对于同步式定位系统，声源、发射信号和接收机时钟同步，即ts＝0，这时式(1)的模型变成如下形式：
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2＝c2ti 2 i＝1,2,…,N 式(2)
其中只有xs,ys,zs为未知量，其余均为已知量，式(2)的模型是个“球面交汇模型”，四个球面相交即可确定出空间的一个唯一点。
2.根据权利要求1所述的一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，其特征在于：所述的目标1和目标2发射的合作声信号的频率相同，信号一样，发射同步周期不同。
3.根据权利要求1所述的一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，其特征在于：所述的海面水声浮标测量阵的布放原则是保证目标在任何时刻至少处于四个浮标的有效声学作用距离内。
4.根据权利要求1所述的一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，其特征在于：所述的步骤(3)的目标时延周期匹配是以其中一个浮标为基准浮标F1，浮标的有效水声作用距离Sf满足条件m×c×Ts＜Sf＜(m+1)×c×Ts，其中c表示声速，Ts表示同步周期，m为个数，则距离目标最远的浮标需要在m个周期后接收到信号，基准浮标F1取定一组时延值时，其准确时延值为F1T3t1+Tx×Ts、F1T3t2+Tx×Ts，Tx＝0，1，2，…，m，且F1每取定一组准确时延值，F2、F3、F4都分别有m组可能值与其相对应，即将会有(m+1)4组可能性的时延组合，其中Fi：i＝1，2，3，4表示浮标i，FiTj：j＝1，2，3，……表示第i个浮标的第j个同步周期，FiTjtk：k＝1，2，表示第i个浮标的第j个同步周期内解算出的第k个时延。
5.根据权利要求1所述的一种双同步水下合作目标跟踪定位方法，其特征在于：所述的双同步合作声信号可以用一个频率实现对水下双目标的跟踪定位，当多个频率同时使用时，即可实现对多个水下目标的跟踪定位。
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