CN109579845A - 一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法 - Google Patents

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张伽伟
姜润翔
程锦房
徐立
喻鹏
李越
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Abstract

本发明提供了一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：(1)组建一个电场传感器的探测阵列；(2)利用探测阵列测量电场传感器之间的电位差信号；(3)利用单位电流源模型对(2)中测量的电位差信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；(4)利用卡尔曼滤波估计方法，以测量得到的探测阵列电位差信号作为观测值对船舶的位置、航行深度、速度及航向的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。本发明用于对船舶目标跟踪定位，仿真表明在几百米范围内位置定位误差小于10米，航行深度误差小于5米，速度估计误差小于0.1m/s，所需设备为电场测量通用设备，不需要声纳、雷达等复杂设备，可以有效地解决船舶目标的跟踪定位问题。

Description

一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法
技术领域
本发明属于目标跟踪定位领域，具体涉及一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法。
背景技术
相比于声场和其他非声物理场，水下电场是船舶的重要暴露源。具备不受水文气象条件限制、探测性能稳定可靠、隐蔽性强、识别能力强和定位精度高等优点，不仅可应用于水下远距离的探测，还可应用于对目标信号的定位和识别。
船舶电场在实际测量中是根据电场等于电位求梯度的理论，利用两个距离较近的电场传感器测量两点之间的电位差，再除以距离近似得到。理论上增加两个传感器之间的距离可以提高测量系统的灵敏度，从而增加信噪比提高对目标的探测距离，但距离增加到一定程度后就不能够以两点之间的电位差除上距离近似得到电场强度了，因此本专利提出一种直接利用电场探测阵列中两点间电位差信号作为观测值对船舶跟踪定位的方法，不仅可以解决目标跟踪定位的问题，还可提高系统的抗干扰能力。
发明内容
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：
(1)组建一个电场传感器的探测阵列；
(2)利用探测阵列测量电场传感器之间的电位差信号；
(3)利用单位电流源模型对(2)中测量的电位差信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；
(4)利用卡尔曼滤波估计方法，将测量得到的探测阵列电位差信号作为观测值，对船舶的位置、航行深度、速度及航向的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。
在上述方案中，所述步骤(1)中，电场传感器的探测阵列至少包含四个电场传感器；相邻两个所述电场传感器的间距根据定位距离进行调整，定位距离越远，电场传感器之间的间距越大；每个所述电场传感器用于测量所在位置的电位信号。
在上述方案中，所述步骤(2)中，测量探测阵列中电场传感器之间的电位差的具体方法为：任选探测阵列中的一个电场传感器作为参考电极，探测阵列中的其它电场传感器作为待测电极，通过测量参考电极与其它待测电极之间的电位差来获取整个探测阵列中电场传感器之间的电位差，或者通过将探测阵列中任意两个电场传感器进行组合，来测量两者之间的电位差，进而获取整个探测阵列中电场传感器之间的电位差。
在上述方案中，所述步骤(3)中，单位电流源模型为点电荷、电偶极子中的一种或两者的组合。
在上述方案中，所述步骤(4)中，卡尔曼滤波估计方法为经典卡尔曼滤波估计方法或由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用电场探测阵列实时测量得到的船舶电位差信号作为观测值，采用卡尔曼滤波方法，可实现对船舶位置、航行深度、速度及航向的状态信息进行实时有效估计，不仅解决了目标跟踪定位的问题，还提高了系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明电场探测阵列组成结构的一种实施例示意图；
图2为本发明基于图1实施例中第一个电场传感器与第二个电场传感器之间的电位差信号图；
图3为本发明基于图1实施例中第一个电场传感器与第三个电场传感器之间的电位差信号图；
图4为本发明基于图1实施例中第一个电场传感器与第四个电场传感器之间的电位差信号图；
图5为本发明基于图1实施例中第一个电场传感器与第五个电场传感器之间的电位差信号图；
图6为本发明基于图1实施例利用电位差对船舶跟踪定位的仿真效果x-y平面图；
图7为本发明利用电位差对船舶跟踪定位的仿真位置误差；
图8为本发明利用电位差对船舶跟踪定位的仿真速度误差。
图中：1、探测阵列；2、电场传感器；3、跟踪定位轨迹；4、运动航迹。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：
(1)组建一个电场传感器的探测阵列；
如图1所示，电场传感器的探测阵列1由8个电场传感器2组成，且呈一字型阵列排布，每相邻两个电场传感器2之间的距离为20m；在实际应用时，根据实际测量需要，探测阵列1，可以由多个电场传感器呈单个“一”字型陈列排布构成，也可以由多个电场传感器呈多个“一”字型陈列排布在一定区域内的组合构成；当探测阵列1由多个电场传感器呈多个“一”字型陈列排布组合构成时，每个“一”字型陈列与其它“一”字型陈列呈相互平行、正交或成一定角度设置。
(2)利用探测阵列1测量电场传感器2之间的电位差信号；
如图1所示，本实施例中，测量电场传感器2之间电位差信号的具体测量方法为：先以第一个电场传感器2作为参考电极，其它7个电场传感器2作为待测电极，然后分别测量这7个待测电极与参考电极之间的电位差；如图2～图5所示，为本实施例在整个测量过程中测得的第二个电极至第五个电极分别与参考电极(即第一个电极)之间的电位差信号示意图。
(3)利用单位电流源模型对(2)中测量的电位差信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；
经研究表明采用三个点电荷等效船舶源强度在一定距离可以达到较高的拟合精度，因此在本实施例中，采用三个点电荷建立船舶的等效源模型，其第j个电场传感器测得的电位计算公式为：
其中xj,yj,zj是第j个测量传感器的坐标，xi,yi,zi是船舶上第i个等效点电荷位置坐标，k＝(σ1-σ2)/(σ1+σ2)是海底反射系数，σ1是海水电导率，σ2是海床电导率，H为海水深度。
则在k时刻5个电场传感器量间电位差的观测方程为：
其中，为背景噪声，xk为第k时刻的目标运动状态参数，假设xk＝[rk T,vk T,p]T其中rk＝[x,y,z]T为船舶的位置信息，vk＝[vx,vy]T为船舶的速度信息，p船舶等效源强度假设为三个点源p＝[p1,p2,-p1-p2]T。
(4)利用卡尔曼滤波估计方法，将测量得到的探测阵列电位差信号作为观测值，对船舶的位置、航行深度、速度及航向状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位；
其中，卡尔曼滤波估计方法可以是经典卡尔曼滤波估计方法，也可以是由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法，例如扩展卡尔曼滤波估计方法、渐进扩展卡尔曼滤波估计方法、无迹卡尔曼滤波估计方法。
在本实施例中，采用扩展卡尔曼滤波估计方法，对船舶目标进行定位跟踪，其具体包含如下步骤：
初值设定：
依据以下更新公式，进行更新估计目标状态参数：
时间更新：
状态更新：
在仿真计算中，取σ1＝4s/m，σ2＝0.04s/m，H＝100m；
探测阵列1中的电场传感器2的坐标分别为(10，0，-98.5)，(30，0，-98.5)，(50，0，-98.5)，(70，0，-98.5)，(90，0，-98.5)，(110，0，-98.5)，(130，0，-98.5)；
船舶运动的初始位置为(40，-380，-50)；
运行速度为(-1，2)；
船舶真实源强度为9个等间隔点电荷，其电流大小分别为(-2，-2，-2，-2，-2，30，-15，-5)A。
卡尔曼滤波估计时，目标运动参数设定初值为：x0＝[100,-500,-10,-3,3,-10,30]T，表示假设目标初始位置r＝[100,-500,-10]T，速度为v＝[-3,3]T，源强度为p＝[-10,30,-20]T。
基于上述仿真计算过程，最终可得到如图6至图8所示的估计结果；其中，图6为x-y平面跟踪效果，在图6中“-o-”表示船舶的运动航迹4，“-*-”表示船舶的跟踪定位轨迹3；图7为跟踪位置误差图，图中x、y、z表示电场传感器的位置误差，r表示船舶的跟踪位置误差；图8为跟踪速度误差图，图中vx表示船舶水平航线的跟踪速度误差，vy表示船舶垂直航线的跟踪速度误差。
由图6可知，跟踪定位轨迹3与运动航迹4相互逼近，表示跟踪定位较为准确。
由图7可知，采用该定位方法，速度估计误差稳定后小于0.1m/s；
由图8可知，在几百米范围内的距离误差稳定后小于10米，航
行深度误差小于5米；
由此可知采用该方法可有效实现船舶目标的跟踪定位。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明的说明书内容所作的等效流程变换，或直接或间接应用在其他相关技术领域，均同理包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)组建一个电场传感器的探测阵列；
(2)利用探测阵列测量电场传感器之间的电位差信号；
(3)利用单位电流源模型对(2)中测量的电位差信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；
(4)利用卡尔曼滤波估计方法，将测量得到的探测阵列电位差信号作为观测值，对船舶的位置、航行深度、速度及航向的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。
2.根据权利要求1所述的基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，电场传感器的探测阵列至少包含四个电场传感器，相邻两个所述电场传感器的间距根据定位距离进行调整，定位距离越远，电场传感器的间距越大，每个所述电场传感器用于测量所在位置的电位信号。
3.根据权利要求1所述的基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测量探测阵列中电场传感器之间的电位差的具体方法为：任选探测阵列中的一个电场传感器作为参考电极，探测阵列中的其它电场传感器作为待测电极，通过测量参考电极与其它待测电极之间的电位差来获取整个探测阵列中电场传感器之间的电位差，或者通过将探测阵列中任意两个电场传感器进行组合，来测量两者之间的电位差，进而获取整个探测阵列中电场传感器之间的电位差。
4.根据权利要求1所述的基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中，单位电流源模型为点电荷、电偶极子中的一种或两者的组合。
5.根据权利要求1所述的基于电场探测阵列的船舶跟踪定位方法，其特征在于：所述步骤(4)中，卡尔曼滤波估计方法为经典卡尔曼滤波估计方法或由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。
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