CN109541546A - 一种基于tdoa的水下长基线声学定位方法 - Google Patents

一种基于tdoa的水下长基线声学定位方法 Download PDF

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宁伟
宁一伟
张豪
欧阳知雨
刘禹
刘帅
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Abstract

一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，包括：在目标海域中布设由若干个基站构成的定位基站阵列以及用于接收数据的测量船；建立基于TDOA方法的定位模型，获得基于TDOA方法的第i个基站与定位目标之间的距离值；根据所述的距离值，利用Chan算法获取定位目标的初始位置；对得到的定位目标的初始位置，利用Taylor算法进行迭代，得出更精确的结果；对结果进行阈值判断，如所述结果小于设定阈值则输出最终结果，否则，继续进行阈值判断，直到结果小于阈值为止。本发明的方法简单，在水下环境中抗干扰能力强且定位精度高。能保证定位的精度，同时也降低了定位所需要的时间，能够实现快速地对水下目标进行精准定位。

Description

一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法
技术领域
本发明涉及一种水下声学定位方法。特别是涉及一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法。
背景技术
水下声学定位技术广泛应用于海洋勘探、海洋观测、以及海洋防护等领域来对水下环境的目标进行定位。然而水下信道环境的复杂性对声音在水下的传播造成了很大的影响，水下声学定位技术发展至今，虽已取得了较为可观的研究成果，但水下环境复杂的特点以及定位算法的缺陷都使得定位精度不能令人满意。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够明显改善水下长基线目标定位的精度，并方法简单的基于TDOA的水下长基线声学定位方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，包括如下步骤：
1)在目标海域中布设由若干个基站构成的定位基站阵列以及用于接收数据的测量船；
2)建立基于TDOA方法的定位模型，获得基于TDOA方法的第i个基站与定位目标之间的距离值；
3)根据所述的距离值，利用Chan算法获取定位目标的初始位置；
4)对得到的定位目标的初始位置，利用Taylor算法进行迭代，得出更精确的结果；
5)对步骤4)的结果进行阈值判断，如所述结果小于设定阈值则输出最终结果，否则，继续进行阈值判断，直到结果小于阈值为止。
步骤1)中所述的测量船和定位基站阵列中的每个基站都设置有用于声学发射和接收的声呐传感器。
步骤2)包括：
在t0时刻定位目标发出声音信号(爆炸，振动等)，并假设声音信号在水中沿直线传播，没有经过障碍物的反射或折射，定位基站阵列在ti时刻接收到定位目标发出的声音信号，声音信号从定位目标发出至传播到定位基站阵列中第i个基站的时间为Δti：
Δti＝ti-t0i＝1,2,3,4 (1)
第i个基站与定位目标之间的距离值为ri：
ri＝c*Δtii＝1,2,3,4 (2)
式中，c是指声音信号在水中的传播速度，一般取1500m/s；
设第i个基站的坐标为si＝(xi，yi，zi)T，i＝1,2,3,4，xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，zi是第i个基站的z坐标，为已知量，定位目标的初始位置坐标为M(x,y,z)是未知数，x是定位目标初始位置的x坐标，y是定位目标初始位置的y坐标，z是定位目标初始位置的z坐标，根据空间坐标距离公式得到基于时间差进行定位方法的方程为：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝ri 2 (3)
对定位方程进行代换得：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝c*Δti (4)
设定ri，1为参考基站与其他基站的距离差：ri，1＝ri-r1
式中，r1是第1个基站与定位目标之间的距离。
步骤3)所述的定位目标的初始位置公式：
ri，1 2+2ri，1r1＝-2xix-2yiy+Ki-K1 (7)
其中，
Ki＝xi 2+yi 2 K1＝x1 2+y1 2
ri，1是参考基站与其他基站的距离差；ri是第i个基站与定位目标之间的距离；r1是第1个基站与定位目标之间的距离；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标初始位置的x坐标，y是定位目标初始位置的y坐标。
步骤4)的迭代公式如下：
式中ri，1是参考基站与其他基站的距离差；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标初始位置的x坐标，y是定位目标初始位置的y坐标，x1是第1个基站的x坐标，y1是第1个基站的y坐标；
由加权最小二乘得到定位目标的初始估计u0＝(x0，y0)T，在初始位置处，对迭代公式进行一阶泰勒展开，得到误差迭代公式如下：
η＝ht-Gtδ (9)
其中，x0是定位目标的初始估计的x坐标，y0是定位目标的初始估计的的y坐标，δ＝(Δx，Δy)T表示对定位目标位置的增量估计，Δx是x方向上的增量，Δy是y方向上的增量，距离差矩阵ht和迭代矩阵Gt分别表示：
其中，r2，1表示第2个基站与第1个基站的距离，r3，1表示第3个基站与第1个基站的距离，rM，1表示第M个基站与第1个基站的距离，M表示数字M，r2表示第2个基站与定位目标的距离，r3表示第3个基站与定位目标的距离，rM表示第M个基站与定位目标的距离，x1表示第1次迭代后定位目标的的x坐标，x2表示第2次迭代后定位目标的的x坐标，x3表示第3次迭代后定位目标的的x坐标，xM表示第M次迭代后定位目标的的x坐标，y1表示第1次迭代后定位目标的的y坐标，y2表示第2次迭代后定位目标的的y坐标，y3表示第3次迭代后定位目标的的y坐标，yM表示第M次迭代后定位目标的的y坐标；
由加权最小二乘得到误差迭代公式的解为：
δ＝(x0,y0)T＝(Gt TWGt)-1Gt TWht
其中W表示协方差矩阵。
本发明的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，利用了基于时间差的定位原理，在水下环境中抗干扰能力强且定位精度高。此外，本发明的方法简单，首次提出先获取定位目标的初始值再进行位置迭代的方法既能保证定位的精度，同时也降低了定位所需要的时间，能够实现快速地对水下目标进行精准定位，明显改善了对水下长基线目标定位的精度。
附图说明
图1为本发明实施例测量船和定位基站阵列排布图；
图2为基于TDOA的定位模型图；
图3为本发明一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法的流程图。
图中
1、2、3：基站 4：测量船
5：数据处理单元 6：声学传感器
7：定位目标
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法做出详细说明。
如图3所示，本发明的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，包括如下步骤：
1)在目标海域中布设由若干个基站构成的定位基站阵列以及用于接收数据的测量船；所述的测量船和定位基站阵列中的每个基站都设置有用于声学发射和接收的声呐传感器。
2)建立基于TDOA方法的定位模型，获得基于TDOA方法的第i个基站与定位目标7之间的距离值；包括：
在t0时刻定位目标7发出声音信号(爆炸，振动等)，并假设声音信号在水中沿直线传播，没有经过障碍物的反射或折射，定位基站阵列在ti时刻接收到定位目标7发出的声音信号，声音信号从定位目标7发出至传播到定位基站阵列中第i个基站的时间为Δti：
Δti＝ti-t0i＝1,2,3,4 (1)
第i个基站与定位目标7之间的距离值为ri：
ri＝c*Δtii＝1,2,3,4 (2)
式中，c是指声音信号在水中的传播速度，一般取1500m/s；
设第i个基站的坐标为si＝(xi,yi,zi)T，i＝1,2,3,4，xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，zi是第i个基站的z坐标，为已知量，定位目标7的初始位置坐标为M(x,y,z)是未知数，x是定位目标7初始位置的x坐标，y是定位目标7初始位置的y坐标，z是定位目标7初始位置的z坐标,根据空间坐标距离公式得到基于时间差进行定位方法的方程为：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝ri 2 (3)
对定位方程进行代换得：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝c*Δti (4)
设定ri,1为参考基站与其他基站的距离差：ri,1＝ri-r1
式中，r1是第1个基站与定位目标7之间的距离。
3)根据所述的距离值，利用Chan算法获取定位目标7的初始位置；
所述的定位目标7的初始位置公式：
ri,1 2+2ri,1r1＝-2xix-2yiy+Ki-K1 (7)
其中，
Ki＝xi 2+yi 2 K1＝x1 2+y1 2
ri,1是参考基站与其他基站的距离差；ri是第i个基站与定位目标7之间的距离；r1是第1个基站与定位目标7之间的距离；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标7初始位置的x坐标，y是定位目标7初始位置的y坐标。
4)对得到的定位目标7的初始位置，利用Taylor算法进行迭代，得出更精确的结果；迭代公式如下：
式中，ri,1是参考基站与其他基站的距离差；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标7初始位置的x坐标，y是定位目标7初始位置的y坐标，x1是第1个基站的x坐标，y1是第1个基站的y坐标；
由加权最小二乘得到定位目标7的初始估计u0＝(x0,y0)T，在初始位置处，对迭代公式进行一阶泰勒展开，得到误差迭代公式如下：
η＝ht-Gtδ(9)
其中，x0是定位目标7的初始估计的x坐标，y0是定位目标7的初始估计的的y坐标，δ＝(Δx，Δy)T表示对定位目标位置的增量估计，Δx是x方向上的增量，Δy是y方向上的增量，距离差矩阵ht和迭代矩阵Gt分别表示：
其中，r2，1表示第2个基站与第1个基站的距离，r3，1表示第3个基站与第1个基站的距离，rM，1表示第M个基站与第1个基站的距离，M表示数字M，r2表示第2个基站与定位目标7的距离，r3表示第3个基站与定位目标7的距离，rM表示第M个基站与定位目标7的距离，x1表示第1次迭代后定位目标7的的x坐标，x2表示第2次迭代后定位目标7的的x坐标，x3表示第3次迭代后定位目标7的的x坐标，xM表示第M次迭代后定位目标7的的x坐标，y1表示第1次迭代后定位目标7的的y坐标，y2表示第2次迭代后定位目标7的的y坐标，y3表示第3次迭代后定位目标7的的y坐标，yM表示第M次迭代后定位目标7的的y坐标。
由加权最小二乘得到误差迭代公式的解为：
δ＝(x0,y0)T＝(Gt TWGt)-1Gt TWht
5)对步骤4)的结果进行阈值判断，如所述结果小于设定阈值则输出最终结果，否则，继续进行阈值判断，直到结果小于阈值为止。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在目标海域中布设由若干个基站构成的定位基站阵列以及用于接收数据的测量船；
2)建立基于TDOA方法的定位模型，获得基于TDOA方法的第i个基站与定位目标(7)之间的距离值；
3)根据所述的距离值，利用Chan算法获取定位目标(7)的初始位置；
4)对得到的定位目标(7)的初始位置，利用Taylor算法进行迭代，得出更精确的结果；
5)对步骤4)的结果进行阈值判断，如所述结果小于设定阈值则输出最终结果，否则，继续进行阈值判断，直到结果小于阈值为止。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，其特征在于，步骤1)中所述的测量船和定位基站阵列中的每个基站都设置有用于声学发射和接收的声呐传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，其特征在于，步骤2)包括：
在t0时刻定位目标(7)发出声音信号(爆炸，振动等)，并假设声音信号在水中沿直线传播，没有经过障碍物的反射或折射，定位基站阵列在ti时刻接收到定位目标(7)发出的声音信号，声音信号从定位目标(7)发出至传播到定位基站阵列中第i个基站的时间为Δti：
Δti＝ti-t0i＝1,2,3,4 (1)
第i个基站与定位目标(7)之间的距离值为ri：
ri＝c*Δtii＝1,2,3,4 (2)
式中，c是指声音信号在水中的传播速度，一般取1500m/s；
设第i个基站的坐标为si＝(xi，yi，zi)T，i＝1,2,3,4，xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，zi是第i个基站的z坐标，为已知量，定位目标(7)的初始位置坐标为M(x,y,z)是未知数，x是定位目标(7)初始位置的x坐标，y是定位目标(7)初始位置的y坐标，z是定位目标(7)初始位置的z坐标，根据空间坐标距离公式得到基于时间差进行定位方法的方程为：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝ri 2 (3)
对定位方程进行代换得：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝c*Δti (4)
设定ri，1为参考基站与其他基站的距离差：ri，1＝ri-r1
式中，r1是第1个基站与定位目标(7)之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，其特征在于，步骤3)所述的定位目标(7)的初始位置公式：
ri，1 2+2ri，1r1＝-2xix-2yiy+Ki-K1 (7)
其中，
Ki＝xi 2+yi 2 K1＝x1 2+y1 2
ri，1是参考基站与其他基站的距离差；ri是第i个基站与定位目标(7)之间的距离；r1是第1个基站与定位目标(7)之间的距离；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标(7)初始位置的x坐标，y是定位目标(7)初始位置的y坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的水下长基线声学定位方法，其特征在于，步骤4)的迭代公式如下：
式中ri，1是参考基站与其他基站的距离差；xi是第i个基站的x坐标，yi是第i个基站的y坐标，x是定位目标(7)初始位置的x坐标，y是定位目标(7)初始位置的y坐标，x1是第1个基站的x坐标，y1是第1个基站的y坐标；
由加权最小二乘得到定位目标(7)的初始估计u0＝(x0，y0)T，在初始位置处，对迭代公式进行一阶泰勒展开，得到误差迭代公式如下：
η＝ht-Gtδ (9)
其中，x0是定位目标(7)的初始估计的x坐标，y0是定位目标(7)的初始估计的的y坐标，δ＝(Δx，Δy)T表示对定位目标位置的增量估计，Δx是x方向上的增量，Δy是y方向上的增量，距离差矩阵ht和迭代矩阵Gt分别表示：
其中，r2，1表示第2个基站与第1个基站的距离，r3，1表示第3个基站与第1个基站的距离，rM，1表示第M个基站与第1个基站的距离，M表示数字M，r2表示第2个基站与定位目标(7)的距离，r3表示第3个基站与定位目标(7)的距离，rM表示第M个基站与定位目标(7)的距离，x1表示第1次迭代后定位目标(7)的的x坐标，x2表示第2次迭代后定位目标(7)的的x坐标，x3表示第3次迭代后定位目标(7)的的x坐标，xM表示第M次迭代后定位目标(7)的的x坐标，y1表示第1次迭代后定位目标(7)的的y坐标，y2表示第2次迭代后定位目标(7)的的y坐标，y3表示第3次迭代后定位目标(7)的的y坐标，yM表示第M次迭代后定位目标(7)的的y坐标；
由加权最小二乘得到误差迭代公式的解为：
δ＝(x0,y0)T＝(Gt TWGt)-1Gt TWht
其中W表示协方差矩阵。
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