CN109799480B - 一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，该方法包括：步骤1，根据接收船接收到的多条传播途径的导航信号，构建信号时延模型；步骤2，根据信号时延模型和导航信号，计算接收船接收到导航信号的接收时间序列；步骤3，根据导航信号、接收时间序列和坐标计算模型，计算接收船的定位坐标。通过本申请中的技术方案，提高水声定位信号时延估计值的准确性，提高水声定位的准确性和定位精度。

Description

一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法

技术领域

本申请涉及水声导航定位的技术领域，具体而言，涉及一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法。

背景技术

声波在水中传播时，由于水介质的折射及声波在水面、水底的反射，自发射点至接收点存在多个传播途径的现象，这种现象称之为多途效应，是影响水声导航定位精度的主要原因之一。在海洋信道中，海面、海底等反射系数较大的界面会产生较强的多途回波，该回波在接收处掺杂在导航信号中，严重影响了导航信号最佳到达时刻的检测，不利于提高水声定位信号时延估计的精度。

而现有技术中，如最大似然估计、非线性最小二乘方法、期望值最大方法和模型方法，都是从水声多途信道中，人为设定选取条件，从接收到的多个发射信号到达时刻中，选取一个发射信号到达时刻，在满足具体方法适用条件下，以期望获得较高精度的时延估计值。但是海洋环境参数具有复杂的多途，且具有随时间变化和空间变化而变化的特性，因此，现有技术中选取一个发射信号到达时刻，作为传播时间的方法，以获取较高精度的时延估计值的可靠性较低，严重制约了时延估计方法的适用范围和准确度。

发明内容

本申请的目的在于：提高水声定位信号时延估计值的准确性，提高水声定位的准确性和定位精度。

本申请的技术方案是：提供了一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，该方法包括：步骤1，根据接收船接收到的多条传播途径的导航信号，构建信号时延模型；步骤2，根据信号时延模型和导航信号，计算接收船接收到导航信号的接收时间序列；步骤3，根据导航信号、接收时间序列和坐标计算模型，计算接收船的定位坐标，其中，坐标计算模型的计算公式为：

式中，(x，y)为定位坐标，(x_i，y_i)为第i个发射船的位置坐标，N为发射船的数量，

为第i个发射船发射导航信号的发射时间，

为接收船通过第k个传输途径接收到第i个发射船的导航信号的接收时间，传输途径的个数为M，C_i为平均声速，r_i为接收船与第i个发射船之间的距离。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，具体包括：步骤21，根据矩阵化公式，将信号时延模型进行矩阵化；步骤22，根据矩阵化后的信号时延模型和导航信号，计算任一个传播途径对应的传输时延；步骤23，根据任一个传播途径的传输时延，生成接收时间序列。

上述任一项技术方案中，进一步地，平均声速的确定方法为：步骤a1，根据导航信号中包括的第一水文环境参数信息和接收船所处位置处的第二水文环境参数信息，计算传播温度值、传播盐度值以及静压力值；步骤a2，根据传播温度值、传播盐度值以及静压力值，计算平均声速。

上述任一项技术方案中，进一步地，还包括：步骤4，根据定位坐标和预设坐标，计算接收船的位置偏差；步骤5，当判定位置偏差大于或等于第一预设阈值时，生成最近导航信息。

上述任一项技术方案中，进一步地，还包括：步骤6，当判定位置偏差大于或等于第二预设阈值时，生成报警信息，其中，第二预设阈值大于第一预设阈值。

上述任一项技术方案中，进一步地，平均声速的确定方法为：步骤b1，根据发射船的位置坐标和接收船与发射船之间的导航信号，构建声学导航模型，其中，导航信号由发射船向接收船发送；步骤b2，采用加权算法，根据导航信号和声学导航模型，计算平均声速。

上述任一项技术方案中，进一步地，水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法被应用于接收船的水下导航，接收船根据定位坐标和预设航线，调整接收船的航行方向和航行速度。

本申请的有益效果是：通过将接收到的多条传播途径的导航信号的接收时间，均作为该导航信号的最佳到达时刻，构建信号时延模型，分别求取潜在目标位置，将残差最小的最小二乘解作为目标位置的最优估计值，即接收船的定位坐标，提高了水声定位信号时延估计值的准确性，提高水声定位的准确性和定位精度，避免了人为选取最佳到达时刻，导致定位坐标估计异常，有效降低了水声信道的多途特性对时延估计精度的影响，使得水声定位能够适用于复杂多变的海洋环境。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法的示意流程图；

图2是根据本申请的一个实施例的发射船、接收船位置示意图；

图3是根据本申请的一个实施例的信道响应仿真示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的定位误差对比示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

以下结合图1至图4对本申请的实施例进行说明。

如图1所示，本实施例提供了一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，包括：

步骤1，根据接收船接收到的多条传播途径的导航信号，构建信号时延模型，其中，导航信号由发射船向接收船发送，传播途径数量由当前水域环境决定，信号时延模型的计算公式为：

0≤n≤L-1，

式中，y^*(n)为接收船接收到的发射船发射的导航信号，s(n)为采样后的导航信号，a^* _m为第m条传播途径的导航信号采样后的信号幅值，τ^* _m为第m条传播途径的导航信号采样后的信号时延，M为导航信号由发射船向接收船发送对应的传播途径数量，L为M条传播途径对应的导航信号的观测时间长度；

步骤2，根据信号时延模型和导航信号，计算接收船接收到导航信号的接收时间序列；

该步骤2中，具体包括：

步骤21，根据矩阵化公式，将信号时延模型进行矩阵化，矩阵化后的信号时延模型计算公式为：

Y＝S_L×β×W′，

Y＝[y^*(0) y^*(1) … y^*(L-1)]^T，

W＝[w₁ w₂ … w_β]^T，

式中，W为待求解量，对应待估计信道向量，待估计信道向量W中各元素取值分别为导航信号各传播途径的衰减系数，上角标T为转置运算符，

为信号时延τ^* _m中的最大值，β为导航信号的信道长度，对应的计算公式为：

步骤22，根据矩阵化后的信号时延模型和导航信号，计算任一个传播途径对应的传输时延；

步骤23，根据任一个传播途径的传输时延，生成接收时间序列。

具体地，将矩阵化后的信号时延模型进行奇异值分解，分别设定两个正交矩阵U_L×L、

和一个对角阵Λ，其中，符号H表示共轭转置，对应的矩阵公式为：

式中，σ₁≥σ₂≥…≥σ_r，计算矩阵的有效秩，令

α＝1,2,…,r，

则有效秩为第一个满足ψ(α)>θ的α值，通常系数θ的取值接近于1，本申请中，系数θ＝0.95。

将导航信号带入矩阵化后的信号时延模型计算公式进行求解，其最小二乘解的计算公式为：

式中，u_f和v_f分别为正交矩阵U_L×L和V_β×β的第f个列向量，W_LS-SVD为对应信道(传播途径)的最小二乘解。

本申请的申请人根据大量的数学运算以及水声信道的稀疏特性，推导得出，从矩阵化后的信号时延模型的最小二乘解中，选取模值最大的M个元素对应的接收时刻，作为导航信号各传播途径对应的传输时延，即当前稀疏信道估计值，按照传输时延的顺序，生成接收时间序列。

综上所述，在本实施例中，接收船完成构建信号时延模型之后，以发射船为单位，根据接收到导航信号的传播途径的顺序，利用信号时延模型，计算信道长度范围内的最小二乘解，再选取计算出的最小二乘解中模值最大的M个元素对应的接收时刻，作为当前传播途径对应的传输时延。根据传播途径的顺序，生成接收时间序列。

步骤3，根据接收船接收到的导航信号、接收时间序列和坐标计算模型，计算接收船的定位坐标，其中，坐标计算模型的计算公式为：

式中，(x，y)为接收船的定位坐标，(x_i，y_i)为第i个发射船的位置坐标，N为发射船的数量，

为第i个发射船发射导航信号的发射时间，

为接收船通过第k个传输途径接收到第i个发射船的导航信号的接收时间，传输途径的个数为M，C_i为平均声速，r_i为接收船与第i个发射船之间的距离。

优选地，平均声速的确定方法为：

步骤a1，根据导航信号中包括的第一水文环境参数信息和接收船所处位置处的第二水文环境参数信息，计算传播温度值、传播盐度值以及静压力值；

步骤a2，根据传播温度值、传播盐度值以及静压力值，计算平均声速。

平均声速C的计算公式为：

C＝1450+4.21T-0.037T²+1.14(S-35)+0.175P

其中，T为传播温度值，单位摄氏度；S为传播盐度值，单位千分比数；P为静压力值，单位kg/cm²。

进一步地，该水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法还包括：步骤4，根据定位坐标和预设坐标，计算接收船的位置偏差；步骤5，当判定位置偏差大于或等于第一预设阈值时，生成最近导航信息。

具体地，得出定位坐标之后，与当前时刻对应的预设坐标相比较，计算出接收船对应的位置偏差，当判定位置偏差大于或等于第一预设阈值时，表明接收船偏离航线较远，计算接收船与预设航线之间距离最近的航线，生成最近导航信息，使得接收船沿最近导航信息返回预设航线。

进一步地，该水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法还包括：步骤6，当判定位置偏差大于或等于第二预设阈值时，生成报警信息，其中，第二预设阈值大于第一预设阈值。

具体地，当判定接收船的位置偏差大于或等于第二预设阈值时，表明接收船严重偏离预设航线，生成报警信息，进入手动航行状态，由操作人员根据接收船所处的当前状态，对接收船进行手动导航。

具体地，如图2所示，为了提高仿真结果的可靠性，设定共有三艘发射船和一艘接收船A，其中，第一艘发射船位于站点1，第二艘发射船位于站点2，第三艘发射船由L1运动至L2，站点3为运动轨迹L1-L2上的任一点。设接收船A的定位坐标为(x，y)，站点1的位置坐标为(x₁，y₁)，站点2的位置坐标为(x₂，y₂)，站点3的位置坐标为(x₃，y₃)，在时刻t，接收船A可以接收到三组由站点1、站点2和站点3位置处的发射船发射的导航信号，三组导航信号中的导航信号的发射时间依次为

和

根据三组导航信号中的水文环境参数信息和接收船A的水文环境参数信息，由平均声速计算公式计算出对应的平均声速为C₁、C₂和C₃。

设定水声信道所对应的传输途径的个数M＝20，则根据信号时延模型，对接收船接收到的导航信号进行信号处理，得到的信道响应如图3(A)所示，再对信道响应进行稀疏处理，得到的稀疏信道响应如图3(B)所示。生成的接收时间序列依次为：

和

进而根据坐标计算模型计算出接收船的定位坐标(x，y)。

设定第三艘发射船在运动轨迹L1-L2上共包括436个发射点(站点3)，站点1、站点2和站点3处的声速分别为1499.0米/秒、1495.5米/秒和1497.0米/秒，以三点定位法(常规的长基线水声导航定位方法)为对比对象，利用发射船发送的导航信号到接收船的传播时间作为观测量信息，将估计或测量得到的等效声速作为已知的参数，将二者相乘计算出发射船与接收船之间的距离，在已知发射船位置的前提下，利用距离的几何关系，计算出接收船的位置信息，进行对比仿真试验，得到的仿真结果如图4所示，其中，曲线401为三点定位法确定的定位仿真曲线，曲线402为本申请中的方法确定的定位仿真曲线。通过数据计算，三点定位法的定位误差的最大值为136.09m、最小值为51.66m、平均值为76.94m；本申请定位误差的最大值为126.85m、最小值为21.13m、平均值为57.61m，通过数据比较可知，本申请中的定位方法的定位精度得到了显著提高。

进一步地，该水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法被应用于接收船的水下导航，接收船根据定位坐标和预设航线，调整接收船的航行方向和航行速度。

实施例二：

在本实施例中，提供了一种计算平均声速的方法，以便于提高本申请中的长基线定位方法的准确性，平均声速的确定方法具体包括：

步骤b1，根据发射船的位置坐标和接收船与发射船之间的导航信号，构建声学导航模型，其中，导航信号由发射船向接收船发送；

该步骤b1中，具体包括：

步骤b11，根据接收船的航行速度(v_xk,v_yk)以及导航信号传播的等效声速改变量n_k ^cs，构建第一矩阵方程，第一矩阵方程的计算公式为：

X_k＝X_k-1+V_k-1，

X_k＝[x_k y_k c_1k ... c_mk]^T，

式中，m为发射船的数量，c_sk为当前时刻k第s个发射船与接收船之间的等效声速，(x_k,y_k)为接收船的定位坐标，(v_xk,v_yk)为接收船的航行速度，n_k ^cs为当前时刻k接收船与第s个发射船之间导航信号传播的等效声速改变量；

具体地，设定有三艘发射船，基于声波在水中的传播特性，接收船在当前时刻k会分别接收到三个发射船的多个导航信号，在本实施例中，设定在当前时刻k，接收船接收到N个粒子，每个粒子均包含相同维度的状态参量，根据第一矩阵方程的计算公式可知，第i个粒子为

其中，(x_k ⁱ,y_k ⁱ)为接收船的定位坐标，c_1k ⁱ、c_2k ⁱ和c_3k ⁱ为三个发射船与接收船之间的等效声速。

步骤b12，根据发射船的位置坐标(x_os,y_os)、导航信号的传播时间t_sk以及导航信号传播时间的误差参数n_sk，构建第二矩阵方程，第二矩阵方程的计算公式为：

Z_k＝H(X_k)+N_k

Z_k＝[t_1k ... t_mk]^T，

N_k＝[n_1k ... n_mk]^T，

式中，(x_os,y_os)为第s个发射船的位置坐标，t_sk为当前时刻k第s个发射船的导航信号到达接收船的传播时间，n_sk为误差参数，误差参数n_sk满足零均值高斯分布

步骤b13，将第一矩阵方程和第二矩阵方程，记作声学导航模型；

步骤b2，采用加权算法，根据所述导航信号和所述声学导航模型，计算所述接收船的定位坐标和等效声速。

进一步地，根据所述接收船接收到的所述导航信号

和所述声学导航模型，计算所述加权算法中的权值，所述权值的计算公式为：

式中，

为权值，

为零均值高斯分布中的方差参数。

具体地，接收船在当前时刻k接收到三个发射船发送的导航信号之后，根据接收到的导航信号获取三个发射船的位置坐标(x_o1,y_o1)、(x_o2,y_o2)和(x_o3,y_o3)以及对应的传播时间t_1k、t_2k和t_3k，根据构建的声学导航模型，计算对应的权重值

优选地，对所述权重值进行归一化运算，对应的归一化计算公式为：

进而利用归一化后的权重值对接收船接收到的N个粒子进行加权运算，对应的计算公式为：

X_k＝[x_k y_k c_1k c_2k c_3k]，

提取矩阵X_k中的前两个元素，记作当前时刻k的接收船的定位坐标(x_k,y_k)，提取矩阵X_k中的后三个元素，分别记作当前时刻k的接收船与三个发射船之间的等效声速。

进一步地，该方法中还包括：步骤b3，根据当前时刻的所述导航信号和预设修订公式，修订下一时刻接收到的所述导航信号，其中，所述修订公式为：

式中，A为第一运动系数矩阵，U_k+1|k为第二运动系数矩阵，X_k|k ⁱ为当前时刻的所述导航信号，X_k+1|k ⁱ为下一时刻接收到的所述导航信号。

进一步地，该水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法被应用于接收船的水下导航，接收船根据定位坐标和预设航线，调整接收船的航行方向和航行速度。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，包括：步骤1，根据接收船接收到的多条传播途径的导航信号，构建信号时延模型；步骤2，根据信号时延模型和导航信号，计算接收船接收到导航信号的接收时间序列；步骤3，根据导航信号、接收时间序列和坐标计算模型，计算接收船的定位坐标。通过本申请中的技术方案，提高水声定位信号时延估计值的准确性，提高水声定位的准确性和定位精度。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，根据接收船接收到的多条传播途径的导航信号，构建信号时延模型；

步骤2，根据所述信号时延模型和所述导航信号，计算所述接收船接收到所述导航信号的接收时间序列，其中，步骤2中，具体包括：

步骤21，根据矩阵化公式，将所述信号时延模型进行矩阵化；

步骤22，将矩阵化后的所述信号时延模型进行奇异值分解，对应的计算公式为：

式中，U_L×L和V_β×β为分解得出的正交矩阵，∧为对角矩阵，符号H表示共轭转置，

并将所述导航信号带入矩阵化后的所述信号时延模型Y，计算最小二乘解，对应的公式为：

式中，u_f和v_f分别为正交矩阵U_L×L和V_β×β的第f个列向量，σ_f为矩阵∧_r中的第f个列向量，

从所述最小二乘解W_LS-SVD中，选取模值最大的M个元素对应的接收时刻，记作所述传播途径对应的传输时延；

步骤23，按照任一个传播途径的所述传输时延及其顺序，生成所述接收时间序列；

步骤3，根据所述导航信号、所述接收时间序列和坐标计算模型，计算所述接收船的定位坐标，其中，所述坐标计算模型的计算公式为：

式中，(x，y)为所述定位坐标，(x_i，y_i)为第i个发射船的位置坐标，N为所述发射船的数量，

为所述第i个发射船发射所述导航信号的发射时间，

为所述接收船通过第k个传输途径接收到所述第i个发射船的导航信号的接收时间，所述传输途径的个数为M，C_i为平均声速，r_i为所述接收船与第i个所述发射船之间的距离。

2.如权利要求1所述的水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，其特征在于，所述平均声速的确定方法为：

步骤a1，根据所述导航信号中包括的第一水文环境参数信息和所述接收船所处位置处的第二水文环境参数信息，计算传播温度值、传播盐度值以及静压力值；

步骤a2，根据所述传播温度值、所述传播盐度值以及所述静压力值，计算所述平均声速。

3.如权利要求1所述的水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，其特征在于，还包括：

步骤4，根据所述定位坐标和预设坐标，计算所述接收船的位置偏差；

步骤5，当判定所述位置偏差大于或等于第一预设阈值时，生成最近导航信息。

4.如权利要求3所述的水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，其特征在于，还包括：

步骤6，当判定所述位置偏差大于或等于第二预设阈值时，生成报警信息，其中，所述第二预设阈值大于所述第一预设阈值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法，其特征在于，所述水下通信节点基于多途信道约束的长基线定位方法被应用于所述接收船的水下导航，所述接收船根据所述定位坐标和预设航线，调整所述接收船的航行方向和航行速度。

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