CN109683201A

CN109683201A - 一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法

Info

Publication number: CN109683201A
Application number: CN201910140651.3A
Authority: CN
Inventors: 史建伟
Original assignee: Jiangsu Fu Bo Ocean Exploration Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Fu Bo Ocean Exploration Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2019-04-26

Abstract

一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，属于目标跟踪定位技术领域。包括以下步骤：组建两个及以上的船舶轴频电场测量节点；利用测量节点实时测量船舶轴频电场信号；对测量得到的轴频电场信号求包络；利用单位电流源模型对轴频电场包络信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；利用卡尔曼滤波方法，根据测量得到的轴频电场包络信号对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。优点：在几百米范围内位置定位精度可达米级，速度估计误差小于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

一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法

技术领域

本发明属于目标跟踪定位技术领域，具体涉及一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法。

背景技术

船舶轴频电场与船舶静态电场一样是船舶重要的水下电场信号，相比于船舶静态电场，轴频电场频率低、传播距离远，具有明显的线谱特征，且不易受环境干扰。轴频电场信号的包络可视为准静态电场信号，可以由单位电流源反演得到，其中包含有位置信息，可以用来实现对船舶目标的跟踪定位。目前，轴频电场多用于目标的被动探测，而在跟踪定位领域的应用鲜见报道。在声学环境复杂的区域，声学跟踪定位方法的性能将会因为环境干扰的影响而下降，而电信号所受影响相对较小。利用电信号跟踪定位在能见度较差情况下能实现船舶的准确跟踪，加上目前在各类港口、水中兵器、船舶本身，都有对一定区域内船舶目标跟踪定位的需求，所以利用船舶轴频电场对船舶目标进行跟踪定位可以作为船舶跟踪定位方法的一个有效的补充。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务是要提供一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，利用船舶轴频电场测量技术、包络信号提取技术，结合船舶电场建模方法和卡尔曼滤波估计，解决对船舶目标的跟踪定位需求。

本发明的任务是这样来完成的，一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：

S1)组建两个及以上的船舶轴频电场测量节点；

S2)利用测量节点实时测量船舶轴频电场信号；

S3)对测量得到的轴频电场信号求包络；

S4)利用单位电流源模型对轴频电场包络信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；

S5)利用卡尔曼滤波方法，根据测量得到的轴频电场包络信号对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的步骤S1)中，测量节点间的间距根据定位距离的要求调整，定位距离越远间距越大，每个测量节点可采用测量一个方向电场分量、两个正交方向电场分量或三个正交方向电场分量的任何一种或多种组合的方式。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的步骤S2)中，测量船舶轴频电场信号的带宽选取为0.5～30Hz。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的步骤S3)中，对测量得到的轴频电场利用希尔伯特变换或其他可取得信号包络的方法求得轴频电场信号包络。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的步骤S3)中，为保证船舶跟踪的实时性应分段滑动求包络。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的船舶轴频电场测量节点为两个，需对取得的包络信号根据船舶目标与两个测量节点的大致相对方向调整包络信号的正负号。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的船舶轴频电场测量节点为三个及以上，直接使用信号包络。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的步骤S4)中，利用单位电流源对轴频电场包络信号建模，采用点电荷和/或电偶极子。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的步骤S5)中，所述的卡尔曼滤波方法是经典卡尔曼滤波方法，或者是扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，利用测量船舶轴频电场信号，采用卡尔曼滤波方法，实现对船舶位置、速度、航向、航速等状态信息的有效估计。

本发明由于采用了上述结构，具有的有益效果之一：所需设备为电场测量通用设备，不需要声纳、雷达等复杂昂贵设备，利用船舶轴频电场测量技术、包络信号提取技术，结合船舶电场建模方法和卡尔曼滤波估计，就能有效解决对船舶目标的跟踪定位问题，此检测方法操作简便，之二，本跟踪定位方法在几百米范围内位置定位精度可达米级，速度估计误差小于1m/s，测量精度高，定位准确。

附图说明

图1为本发明所述船舶跟踪定位方法中船舶轴频电场测量节点组成结构示意图。

图2a本发明所述船舶跟踪定位方法中获得的船舶轴频电场信号示意图。

图2b本发明所述船舶跟踪定位方法中获取的包络信号示意图。

图3本发明所述船舶跟踪定位方法中利用轴频电场对船舶跟踪定位的效果图。

图4本发明所述船舶跟踪定位方法中利用轴频电场对船舶跟踪定位的角度误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

本发明涉及一种基于轴频电场的船舶跟踪定位，包括以下步骤：

S1)组建两个及以上的船舶轴频电场测量节点；

S2)利用测量节点实时测量船舶轴频电场信号；

S3)对测量得到的轴频电场信号求包络；

S5)利用卡尔曼滤波根据测量得到的轴频电场包络信号对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。

以下，对上述步骤进行详细的说明。

如图1所示，步骤S1)所述的两个及以上的船舶轴频电场测量节点中每个节点由四个电场传感器组成，测量节点间的间距根据定位距离的要求调整，定位距离越远间距越大，每个测量节点可采用测量一个方向电场分量、两个正交方向电场分量或三个正交方向电场分量的任何一种或多种组合的方式。本实施例中采用测量水平方向的两个正交电场分量，两个测量节点中心的间距为10m。

根据步骤S2)利用测量节点实时测量船舶轴频电场信号，如图2a所示的是测量得到的轴频电场信号示意图。本实施例中，测量轴频电场信号的带宽一般选取为0.5～30Hz。

步骤S3)中所述的求包络是对测量得到的轴频电场信号利用希尔伯特变换或其他可取得信号包络的方法求得轴频电场信号包络，本实施例中采用的是希尔伯特变换求信号包络的方法，图2b所示为求得的包络信号示意图。为保证跟踪的实时性应分段滑动求包络。

根据步骤S4)利用单位电流源对轴频电场包络信号建模，可采用点电荷、电偶极子或者二者的组合，本实施例中采用水平偶极子两个电场分量的计算公式为：

其中，x,y,z是测量节点的坐标，x₀,y₀,z₀是船舶位置坐标，η＝(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，dl为偶极子的单位长度，I_x,I_y偶极子电流在x方向和y方向的分量，r_1k、r_2k、r_1m、r_2m分别表示为：

式中，D为海水深度，h为测量系统布置的深度。

则在k时刻第j个电场传感器测到的目标包络信号可建模如下：

式中，j为电场传感器的编号，y^(j)为第j个传感器的观测值，为第j个电场传感器的观测噪声，为k时刻第j个测量节点的电场值，当j＝1,2时，表示为：

当j≥3时，表示为：

即直接使用信号包络。

本实施例中选用两个节点，取σ₁＝4S/m，σ₂＝0.04S/m，D＝10m，h＝9.7m，则测量节点的坐标分别为(5，0，9.7)和(-5，0，9.7)。

根据步骤S5)利用卡尔曼滤波根据测量得到的轴频电场包络信号对船舶的位置、速度、航向、航速等状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位步骤。

根据卡尔曼滤波的观测方程：

x_k＝a(x_k-1)+w_k-1

(10)

式中，x_k表示k时刻的状态向量，x_k-1为k-1时刻的状态向量，w_k-1为k-1时刻的输入白噪声，a为状态转移矩阵，定义k时刻船舶目标状态向量：

式中，r_k＝[x,y,z]^T为船舶的位置信息，V_k＝[V_x,V_y]^T为船舶的速度信息，p为船舶等效源强度，并设定初值x₀＝[50,380,0,0.5,2,100]^T。采用卡尔曼滤波估计的方法，也可采用扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等其他由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法，来估算船舶的位置、速度、航向、航速等状态信息，本实施例中选用了扩展卡尔曼滤波的方法进行了时间更新和状态更新，最终得到的估计结果如图3所示。图3中蓝线“-o-”为目标运动GPS航迹，红线为跟踪定位轨迹。跟踪角度误差如图4所示，由图4可知该定位方法在近处角度误差接近0度，在60～200m的距离范围内角度误差在4度左右，表明该方法可有效实现船舶目标的跟踪定位。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

Claims

1.一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：

S1）组建两个及以上的船舶轴频电场测量节点；

S2）利用测量节点实时测量船舶轴频电场信号；

S3）对测量得到的轴频电场信号求包络；

S4）利用单位电流源模型对轴频电场包络信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；

S5）利用卡尔曼滤波方法，根据测量得到的轴频电场包络信号对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。

2.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S1）中，测量节点间的间距根据定位距离的要求调整，定位距离越远间距越大，每个测量节点可采用测量一个方向电场分量、两个正交方向电场分量或三个正交方向电场分量的任何一种或多种组合的方式。

3.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S2）中，测量船舶轴频电场信号的带宽选取为0.5~30Hz。

4.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S3）中，对测量得到的轴频电场利用希尔伯特变换或其他可取得信号包络的方法求得轴频电场信号包络。

5.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S3）中，为保证船舶跟踪的实时性应分段滑动求包络。

6.据权利要求1或4所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的船舶轴频电场测量节点为两个，需对取得的包络信号根据船舶目标与两个测量节点的大致相对方向调整包络信号的正负号。

7.据权利要求1或4所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的船舶轴频电场测量节点为三个及以上，直接使用信号包络。

8.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S4）中，利用单位电流源对轴频电场包络信号建模，采用点电荷和/或电偶极子。

9.据权利要求1所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于所述的步骤S5）中，所述的卡尔曼滤波方法是经典卡尔曼滤波方法，或者是扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。

10.据权利要求1- 5中任一权项所述的一种基于轴频电场的船舶跟踪定位方法，其特征在于利用测量船舶轴频电场信号，采用卡尔曼滤波方法，实现对船舶位置、速度、航向、航速等状态信息的有效估计。