CN109814110B - 深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法 - Google Patents

Abstract

深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，属于水下目标定位技术领域，为解决现有长基线定位系统单节点作用距离有限，长基线定位系统几何配置直接影响到目标位于不同位置时的可探测节点数目和参与定位的节点数目，进而影响定位进度的问题。具体过程为：获取单测点作用距离；设定长基线布阵方式；获得目标有效定位节点数目；计算目标在有效定位节点共同作用下的定位精度；在定位节点数目可作用区域面积内获取满足设定定位精度的区域面积；获取定位精度的区域面积，判断该区域面积是否小于满足设定定位精度的区域面积，是则定位节点间距离为节点间相对距离；根据有效定位节点数目和节点间相对距离完成定位节点布阵。用于对深海长基线定位的布阵。

Description

深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法

技术领域

本发明涉及一种深海长基线定位的布阵方法，属于水下目标定位技术领域。

背景技术

采用多节点构成长基线定位系统对目标进行定位是水声定位的主要方法。但是定位精度与长基线的布阵方式有关，即使是对于某一确定的长基线定位系统阵型，不同空间位置的定位精度也不相同，换句话说，长基线定位系统的定位精度具有空间分布特性。

论文“基于潜标的甚低频矢量水听器被动定位技术研究”(张宇，哈尔滨工程大学，2014)讨论了三站、四站条件下不同几何布站对系统定位精度的影响，得到了一种最优布站方案，采用菱形与“Y”形结合的几何布局，既可以保证特定方向上较高的定位精度，又可以兼顾全方位的目标搜索。

论文“水下目标被动定位系统关键技术研究”(焦小涛，西安工业大学，2013)得出利用四站式阵元定位系统的进行目标定位时定位结果误差的分布规律为：对于星型布阵和三角形布阵来说，误差等值线分布很相似，对于菱形布阵和三角形布阵，水下待测声源离阵元布阵中心区域较远，因此高精度定位区域范围较小，然而星型布阵，水下待测声源离阵元布阵中心区域较近，则高精度定位区域范围很大，且定位误差的起伏程度也很平稳。

专利“载人潜水器长基线定位系统水下潜标布阵优化方法”(张同伟，丁忠军，杨波，陈强，孟庆国，高伟，中国专利：CN104794543A，2015.7.22)提供一种保证深海测试中得到精准实验数据的潜标布阵，为后续的潜水器提供高精度的定位服务。通过这种深海潜标的布阵优化方法，奠定了深海测试中的实验数据的准确性的基础步骤，为深海测试中的长基线测试提供了参考，具有显著的进步性。

论文“组网声纳目标跟踪技术”(刘威，哈尔滨工程大学，2017)针对不同阵型对三基地声纳定位效能的影响进行了研究，当各基地布阵为任意三角形时，其整体定位效果不如等腰三角形和等边三角形，且在远离发射基地的接收基地附近其定位精度较差。等腰三角形布阵下的定位误差分布与等边三角形相似。

上述文献基本都是对长基线定位系统的阵形优化设计进行了讨论，多是基于对不同阵形的定位性能横向比对，并没有考虑单节点作用距离有限的问题。通常而言，基线越长定位精度越高。但是，当非合作目标辐射声信号源级有限时，长基线定位系统的单节点作用距离有限，因此长基线定位系统的节点距离不可能过大，其几何配置直接影响到目标位于不同位置时的可探测节点数目，参与定位的节点数目，进而直接影响定位精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有长基线定位系统的单节点作用距离有限，长基线定位系统的几何配置直接影响到目标位于不同位置时的可探测节点数目和参与定位的节点数目，进而影响定位进度的问题，提供了一种深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法。

本发明所述深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，该布阵方法为长基线定位节点的布阵，其具体过程为：

S1、根据传播损失，利用声呐方程获取单测点作用距离；

S2、根据S1获取的单测点作用距离设定长基线布阵方式；

S3、以目标假定位置为中心，计算目标与单测点之间的距离，若计算结果小于S1获取的单测点作用距离，则该单测点为对目标有效的定位节点，获得目标的有效定位节点的数目；

S4、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，根据S3获得目标在不同位置的有效定位节点的数目，计算目标在有效定位节点共同作用下的定位精度；

S5、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，获取在不同相对距离条件下不同定位节点数目可作用的区域面积，在定位节点数目可作用区域面积内获取满足设定定位精度的区域面积；

S6、获取S4获取的定位精度的区域面积，判断该区域面积是否小于S5获取的满足设定定位精度的区域面积，如果是，则此时的定位节点之间的距离即为节点间的相对距离；

S7、根据S3获取有效定位节点的数目和S6获取的节点间相对距离，完成长基线定位节点的布阵。

优选的，S1所述传播损失的获得方法有两种，分别为：

实际测量；

根据声呐方程计算。

优选的，S2所述长基线布阵方式的设定包括阵型的设定和定位节点相对距离的设定；

阵型根据定位节点的数目设定；

定位节点相对距离根据S1获取的单测点作用距离设定。

优选的，定位节点的数目为3时，阵型设定为以目标为中心的等边三角形，定位节点位于等边三角形的三个顶点；

定位节点的数目为4时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点；

定位节点的数目为5时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点和目标所在中心点；

定位节点的数目为M时，M≥6，阵型设定为以M-1个定位节点的阵型位基础的网格形，剩余定位节点位于以最外侧相邻两个定位节点连线为边、向外侧构建等边三角形的顶点。

本发明的优点：本发明提出的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，从定位的可靠性和高精度定位有效面积出发，对一定数目条件下的非合作目标长基线定位系统的布阵提出了优化方法。

附图说明

图1是定位节点的数目设定为五个时的阵型设定位置图；

图2是单测点作用距离为10km时的可作用区域的面积；

图3是不同相对条件下满足设定定位精度的区域面积。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，该布阵方法为长基线定位节点的布阵，其具体过程为：

S1、根据传播损失，利用声呐方程获取单测点作用距离；

S2、根据S1获取的单测点作用距离设定长基线布阵方式；

S3、以目标假定位置为中心，计算目标与单测点之间的距离，若计算结果小于S1获取的单测点作用距离，则该单测点为对目标有效的定位节点，获得目标的有效定位节点的数目；

S4、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，根据S3获得目标在不同位置的有效定位节点的数目，计算目标在有效定位节点共同作用下的定位精度；

S5、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，获取在不同相对距离条件下不同定位节点数目可作用的区域面积，在定位节点数目可作用区域面积内获取满足设定定位精度的区域面积；

S6、获取S4获取的定位精度的区域面积，判断该区域面积是否小于S5获取的满足设定定位精度的区域面积，如果是，则此时的定位节点之间的距离即为节点间的相对距离；

S7、根据S3获取有效定位节点的数目和S6获取的节点间相对距离，完成长基线定位节点的布阵。

S1所述传播损失的获得方法有两种，分别为：

实际测量；

根据声呐方程计算。

S1所述利用声呐方程获取单测点作用距离的具体方法为：

根据被动声呐工作的信息流程得到被动声呐方程：

SL-TL-(NL-DI)＝DT；

其中，SL为声源级，NL为噪声级，DI是接收指向性指数，DT为检测阈；

根据被动声呐方程，获得传播损失TL：

TL＝SL-(NL-DI)-DT；

根据传播损失TL计算单测点作用半径r；单测点作用半径r即为单测点作用距离。

S2所述设定的定位节点数目大于等于3。

S2所述长基线布阵方式的设定包括阵型的设定和定位节点相对距离的设定；

阵型根据定位节点的数目设定；

定位节点相对距离根据S1获取的单测点作用距离设定。

根据定位节点的数目设定阵型的原则为：

定位节点的数目为3时，阵型设定为以目标为中心的等边三角形，定位节点位于等边三角形的三个顶点；

定位节点的数目为4时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点；

定位节点的数目为5时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点和目标所在中心点；

定位节点的数目为M时，M≥6，阵型设定为以M-1个定位节点的阵型位基础的网格形，剩余定位节点位于以最外侧相邻两个定位节点连线为边、向外侧构建等边三角形的顶点。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定位节点的位置应处于以目标假定位置为中心，r为半径的圆内，通过计算，我们可以得到单测点作用半径为10km。

利用5个定位节点进行定位，布阵方式如图1所示，宽为d，高为3d/4，一个定位节点位于中心，其中A、B、C、D、E为节点，坐标为

E(0,0)。根据此阵型计算目标定位精度。

若接收站的位置坐标分别为R₁(x_R1,y_R1)、R₂(x_R2,y_R2)、R₃(x_R3,y_R3)，R₄(x_R4,y_R4)，R₅(x_R5,y_R5)得到双曲线定位方程如下：

此方程为非线性方程，可用迭代法进行求解。

假设一个目标初值(x₀,y₀)，在该点进行一阶泰勒公式展开，定位方程化简为：

由此得到系数矩阵为：

其中，i,j＝1,2,3,4,5

则上述一元方程组写成矩阵形式为AX＝C：

利用最小二乘法可以得到最佳解为：

X＝(A^TA)^-1A^TC

此方程解出的结果

即为目标位置与假定目标初值位置之差dx和dy，并非是实际目标位置，需要进一步迭代，得到目标位置。

代回到泰勒展开后的一次方程组中进行求解，直到dx和dy为无穷小量位置，即使得(x₀,y₀)无限接近目标真实位置。这样，所得到的(x₀,y₀)即为目标位置，定位误差即为

若节点相对间距d在2km-20km之间变化，单测点作用距离r在为10km，目标x轴坐标分布范围在-10km～10km，y轴坐标分布范围在-15km～15km；不同相对距离条件下不同节点数目可作用的区域面积如图2所示；不同相对距离条件下满足一定定位精度的区域面积如图3所示。

由于可参与定位的节点数目越多，定位精度越准确，为保证5个节点均可作用区域的面积最大，因此从图2中我们可以确定，当单测点作用半径为10km时，节点相对距离d设置为6km时，5个节点共同作用区域的面积最大。因此，实际布阵时，按照此方法对水下多节点非合作目标定位拓扑结构进行优化，在单测点作用半径为10km的情况下，阵型设计为宽为6km，高为9km的长基线布阵方式对目标进行定位。

Claims (6)

1.深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，该布阵方法为长基线定位节点的布阵，其具体过程为：

S1、根据传播损失，利用声呐方程获取单测点作用距离；

S2、根据S1获取的单测点作用距离设定长基线布阵方式；

S3、以目标假定位置为中心，计算目标与单测点之间的距离，若计算结果小于S1获取的单测点作用距离，则该单测点为对目标有效的定位节点，获得目标的有效定位节点的数目；

S4、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，根据S3获得目标在不同位置的有效定位节点的数目，计算目标在有效定位节点共同作用下的定位精度；

S5、改变S2长基线布阵方式中的相对距离，获取在不同相对距离条件下不同定位节点数目可作用的区域面积，在定位节点数目可作用区域面积内获取满足设定定位精度的区域面积；

S6、获取S4获取的定位精度的区域面积，判断该区域面积是否小于S5获取的满足设定定位精度的区域面积，如果是，则此时的定位节点之间的距离即为节点间的相对距离；

S7、根据S3获取有效定位节点的数目和S6获取的节点间相对距离，完成长基线定位节点的布阵。

2.根据权利要求1所述的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，S1所述传播损失的获得方法有两种，分别为：

实际测量；

根据声呐方程计算。

3.根据权利要求1所述的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，S1所述利用声呐方程获取单测点作用距离的具体方法为：

根据被动声呐工作的信息流程得到被动声呐方程：

SL-TL-(NL-DI)＝DT；

其中，SL为声源级，NL为噪声级，DI是接收指向性指数，DT为检测阈；

根据被动声呐方程，获得传播损失TL：

TL＝SL-(NL-DI)-DT；

根据传播损失TL计算单测点作用半径r；单测点作用半径r即为单测点作用距离。

4.根据权利要求1所述的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，S2所述设定的定位节点数目大于等于3。

5.根据权利要求1所述的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，S2所述长基线布阵方式的设定包括阵型的设定和定位节点相对距离的设定；

阵型根据定位节点的数目设定；

定位节点相对距离根据S1获取的单测点作用距离设定。

6.根据权利要求5所述的深海长基线定位阵形拓扑结构的布阵方法，其特征在于，根据定位节点的数目设定阵型的原则为：

定位节点的数目为3时，阵型设定为以目标为中心的等边三角形，定位节点位于等边三角形的三个顶点；

定位节点的数目为4时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点；

定位节点的数目为5时，阵型设定为以目标为中心的正方形，定位节点位于正方形的四个顶点和目标所在中心点；

定位节点的数目为M时，M≥6，阵型设定为以M-1个定位节点的阵型位基础的网格形，剩余定位节点位于以最外侧相邻两个定位节点连线为边、向外侧构建等边三角形的顶点。

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