CN110095756B - 一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，包括：对所述声信标进行编号，并获取声信标自身位置信息，将位置信息、编号信息编译成定位电文信息；将定位电文信息与伪随机码进行编译，对载波信号进行调制并发射出去；水下目标接收信号并进行处理及解调，获得定位电文信息；解译所述定位电文信息，获得声信标的编号信息、位置信息以及解译定位电文的时刻信息，并进行水下目标的位置信息解算；水下目标根据声信标发射信号的频率、多普勒频移、声信标的位置信息、水下目标自身的位置信息，进行水下目标的速度信息解算。本发明能对水下目标的速度进行高精度测量。

Description

一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法

技术领域

本发明涉及水下定位技术领域，尤其涉及一种基于水声定位系统的水下目 标速度计算方法。

背景技术

在海水介质环境中，电磁波的传播衰减非常大，传播距离非常有限，因此 无法像陆地上一样采用无线电波进行通信；而声波是目前已知的唯一能够在水 中远距离传播的能量形式，其在水中的传播损失远小于电磁波，因此水声学随 着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。现阶段的水下智能体通 常靠昂贵的惯性器件等水下传感器获得定位信息，但惯性系统随着时间的推移 会累积误差。因此水下智能体需要定期上浮接收卫星定位系统的信号进行修正， 此举既影响了水下智能体执行任务的效率，又容易暴露自身。可以通过在海底 布放声信标，使无人潜航器等水下智能体获得持续高精度的位置和速度信息。 由于水下智能体不需要定期上浮，充分保证了自身的安全性和执行任务的高效性。基于此，业内提出基于坐底平台基声信标的水声定位系统。一般来说，普 通方法解算水下目标的运动速度可以通过对选定时间段内位置近似求导来完成， 但是这种方法需要水下目标在选定时间段内的速度基本是恒定的，即加速度或 者加加速度较小时，同时需要水下目标的定位精度较高，这种方法才能获得令 人满意的效果。因此，原方法的应用范围较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法， 以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于水声定位系统的水下目标速 度计算方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、对所述声信标进行编号，在水下固定位置布放至少四个声信标，所述 若干声信标构成一个定位区域，通过所述声信标搭载的短基线水声定位系统获 得声信标自身位置信息，所述声信标将所述位置信息、编号信息编译成定位电 文信息；

S2、将所述定位电文信息与伪随机码进行编译，使用编译后的信息对载波 信号进行调制，通过声信标的换能器将调制后的载波信号进行发射；

S3、当水下目标航行至所述定位区域时，水下目标接收所述载波信号并对 所述载波信号进行处理及解调，获得定位电文信息、载波信号的发送时刻信息、 载波信号的多普勒频移；

S4、解译所述定位电文信息，获得声信标的编号信息、位置信息以及解译 定位电文的时刻信息，根据声信标的位置信息以及解译定位电文的时刻信息、 载波信号的发送时刻信息，进行水下目标的位置信息解算；

S5、水下目标根据声信标发射信号的频率、多普勒频移、声信标的位置信 息、水下目标自身的位置信息，进行水下目标的速度信息解算。

优选的,在将所述位置信息与编号信息编译成定位电文信息之前，所述声信 标将所述编号信息与所述位置信息一一对应绑定，使每个编号信息均与位置信 息相对应。

优选的,所述定位电文信息与伪随机码采用模加二运算，所生成的运算结 果对载波信号采用BPSK的方式进行调制。

优选的,所述载波信号的处理包括信号的捕获和跟踪，所述信号的捕获实现 对载波信号传输时延以及多普勒位移进行粗略估计；

所述信号的跟踪在所述信号的捕获的基础上实现对载波信号传输时延以及 多普勒位移的精确估计。

优选的，步骤S4中，所述进行水下目标的位置信息解算步骤包括：

S41、将所述声信标的位置信息转换为笛卡尔坐标公式u＝(x_i,y_i,z_i)，其中

α为地球长半轴，e为地球 偏心率，λ_i为第i(i＝1,2,3，…，n)个声信标的经度信息，

为第i个声信标 的纬度信息，h_i为第i个声信标的深度信息；

S42、根据第i个声信标的解译定位电文的时刻信息以及载波信号的发送时 刻信息，计算载波信号的传播时间：

其中Δt_i为载波信号的传播 时间，

为第i个声信标的解译定位电文的时刻信息，

为载波信号的发送时 刻信息；

S43、根据载波信号的传播时间Δt_i，计算水下目标与第i个声信标之间的距 离：

其中c为声速，同时根据上述 式子，获得水下目标的位置(x，y，z)。

优选的，步骤S5中，水下目标的速度信息解算的具体方式为：

S51、构建水下目标的观测矩阵d＝[d₁,d₂,d₃,…,d_n]^T，其中

d_i表 示观测矩阵中的第i(i＝1,2,3，…，n)个观测向量，

为第i个声信标的实际 发射频率，Δf_i为水下目标与第i个声信标之间的多普勒频移，c为声速；

S52、构建水下目标的转移矩阵H，所述转移矩阵H表示为：

其中，

分别表示水下目标位置指向第i个声信标的单位矢量的 方向余弦，其定义如下：

S53、根据转移矩阵H，计算水下目标在(x,y,z)三个方向上的速度(x′,y′,z′), 具体计算方式为：[(x′,y′,z′)]^T＝(H^T*H)^-1*H^T*d，其中H^T为转移矩阵H的 转置矩阵。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

本发明提供的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，与现有的 基于水声定位系统目标速度求解方法相比，本发明不需要水下目标在选定时间 段内的加速度或者加加速度较小，并且这种方法对水下目标的定位精度要求不 是很高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的声信标位置和水下目标在仿真时间内的真实轨 迹及理论轨迹。

图3是本发明实施例提供的位置解算的均方根误差。

图4是本发明实施例提供的速度解算的均方根误差。

图5是使用普通方法进行速度解算的均方根误差。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发 明做进一步的说明。

参见图1至图5，本发明提供了一种基于水声定位系统的水下目标速度计算 方法，其具体步骤包括：

S1、对所述声信标进行编号，并在水下固定位置布放至少四个编号后的声 信标，所述若干声信标构成一个定位区域，通过所述声信标搭载的短基线水声 定位系统获得声信标自身位置信息，所述声信标将所述位置信息与编号信息编 译成定位电文信息；

其中位置信息主要包括声信标的经度信息、纬度信息和深度信息，但由于 坐底平台的位置相对于地球基本不变，为了方便计算，可将声信标的位置信息 可以与信标编号进行绑定，通过获取声信标编号信息，即可实现对声信标位置 信息的获取。

优选的，所编译成的定位电文数据以二进制表示。

S2、将所述定位电文信息与伪随机码进行编译，伪随机码可以采用m序列、 Gold码等。伪随机码与定位电文编译采用模二加运算，模二加运算的法则有四 条：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。使用编译后的信息对载波信号进行BPSK调 制，具体的实施方式为：在相邻的时间间隔上，所传数据为0或者1，载波分别 以原来相位或者180°翻转的方式传输，数据幅度[0,1[[[-1,+1[的映射方式来 产生，最终通过声信标的换能器将调制后的载波信号进行发射；

S3、当水下目标航行至所述定位区域时，水下目标接收所述载波信号并对 所述载波信号进行处理及解调，信号的处理过程主要包括信号的捕获和跟踪， 信号的捕获主要实现对信号传输时延和多普勒频移进行粗略估计；

信号的跟踪则在信号的捕获基础上对信号传输时延和载波相位偏差进行精 确估计。

在信号处理以后，通过数据解调可以从载波信号处获得定位电文信息、载 波信号的发送时刻信息；

S4、解译所述定位电文信息，获得声信标的编号信息、位置信息以及解译 定位电文的时刻信息，根据声信标的位置信息以及及解译定位电文的时刻信息、 载波信号的发送时刻信息，进行水下目标的位置信息解算，其具体过程：所述 进行水下目标的位置信息解算步骤包括：

S41、将所述声信标的位置信息转换为笛卡尔坐标公式u＝(x_i,y_i,z_i)，其中

α为地球长半轴，e为地球 偏心率，λ_i为第i个声信标的经度信息，

为第i个声信标的纬度信息，h_i为第 i个声信标的深度信息；

S42、根据第i个声信标的解译定位电文的时刻信息以及载波信号的发送时 刻信息，计算载波信号的传播时间：

其中Δt_i为载波信号的传播 时间，

为第i个声信标的解译定位电文的时刻信息，

为载波信号的发送时 刻信息；

S43、根据载波信号的传播时间Δt_i，计算水下目标与第i个声信标之间的距 离：

其中c为声速，在声速已知的 情况下，水下目标与第i个声信标之间的距离也为已知数据，同时根据上述式 子，获得水下目标的位置(x，y，z)。

S5、水下目标根据声信标发射信号的频率、多普勒频移、声信标的位置信 息、水下目标自身的位置信息，进行水下目标的速度信息解算，其具体过程为：。

S51、构建水下目标的观测矩阵d＝[d₁,d₂,d₃,…,d_n]^T，其中

d_i表 示观测矩阵中的第i(i＝1,2,3，…，n)个观测向量，

为第i个声信标的实际 发射频率，Δf_i为水下目标与第i个声信标之间的多普勒频移；

S52、构建水下目标的转移矩阵H，所述转移矩阵H表示为：

其中，

分别表示水下目标位置指向第i个声信标的单位矢量的 方向余弦，其定义如下：

S53、根据转移矩阵H，计算水下目标在(x,y,z)三个方向上的速度(x′,y′,z′), 具体计算方式为：[(x′,y′,z′)]^T＝(H^T*H)^-1*H^T*d，其中H^T为转移矩阵H的 转置矩阵。

下面结合具体数据来仿真上述解算步骤。

设置4个已进行编号的声信标，并通过声信标搭载的短基线水声定位系统 获得声信标自身位置坐标分别为(5000,5000,-5000)m，(5000,-5000,-5000)m， (-5000,-5000,-5000)m和(-5000,5000,-5000)m，而设置水下机器人的初始真实 位置为(0,0,-4500)m，在x，y，z方向的分速度均值为(-2,-2,0.2)m/s，加 速度为(0.01,0.01,0)m/s²，当水下机器人在x，y轴速度达到3m/s时停止加 速，并以此速度继续运动下去。假设洋流速度在x，y轴均为0.2m/s，水下机器 人运动过程噪声方差为0.001，系统测距误差方差为4，系统每隔1s进行一次 观测，总仿真时间为1000秒。仿真得到的结果如图2-图5所示。通过比较图4 和图5可以明显看出，如果水下机器人在有加速度情况下，使用本申请提出的 速度解算方法可以减少x轴和y轴方向速度解算误差。当然，由于所有的信标 节点处于同一深度，由此给z轴方向的速度解算带来了较大的误差。不过，即 使这样，使用本申请提供的速度解算方法来解算z轴方向的速度也比普通方法 解算z轴方向的速度误差要小，由此可以看出，本申请提供的速度解算方法对 定位精度的依赖程度也小于普通方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、对声信标进行编号，在水下固定位置布放至少四个声信标，若干声信标构成一个定位区域，通过所述声信标搭载的短基线水声定位系统获得声信标自身位置信息，所述声信标将所述位置信息、编号信息编译成定位电文信息；

S2、将所述定位电文信息与伪随机码进行编译，使用编译后的信息对载波信号进行调制，通过声信标的换能器将调制后的载波信号进行发射；

S3、当水下目标航行至所述定位区域时，水下目标接收所述载波信号并对所述载波信号进行处理及解调，获得定位电文信息、载波信号的发送时刻信息、载波信号的多普勒频移；

S4、解译所述定位电文信息，获得声信标的编号信息、位置信息以及解译定位电文的时刻信息，根据声信标的位置信息以及解译定位电文的时刻信息、载波信号的发送时刻信息，进行水下目标的位置信息解算；

S5、水下目标根据声信标发射信号的频率、多普勒频移、声信标的位置信息、水下目标自身的位置信息，进行水下目标的速度信息解算,其具体方式为：

S51、构建水下目标的观测矩阵d＝[d₁,d₂,d₃,…,d_n]^T，其中

d_i表示观测矩阵中的第i个观测向量，式中，i＝1、2、3、…、n，

为第i个声信标的实际发射频率，Δf_i为水下目标与第i个声信标之间的多普勒频移，c为声速；

S52、构建水下目标的转移矩阵H，所述转移矩阵H表示为：

其中，

分别表示水下目标位置指向第i个声信标的单位矢量的方向余弦，其定义如下：

其中，(x，y，z)为水下目标的位置，(x_i,y_i,z_i)为第i个声信标的位置信息；

S53、根据转移矩阵H，计算水下目标在(x,y,z)三个方向上的速度(x′,y′,z′),具体计算方式为：[(x′,y′,z′)]^T＝(H^T*H)^-1*H^T*d，其中H^T为转移矩阵H的转置矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，其特征在于,在将所述位置信息与编号信息编译成定位电文信息之前，所述声信标将所述编号信息与所述位置信息一一对应绑定，使每个编号信息均与位置信息相对应。

3.根据权利要求1所述的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，其特征在于,所述定位电文信息与伪随机码采用模加二运算，所生成的运算结果对载波信号采用BPSK的方式进行调制。

4.根据权利要求1所述的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，其特征在于,所述载波信号的处理包括信号的捕获和跟踪，所述信号的捕获实现对载波信号传输时延以及多普勒位移进行粗略估计；

所述信号的跟踪在所述信号的捕获的基础上实现对载波信号传输时延以及多普勒位移的精确估计。

5.根据权利要求4所述的一种基于水声定位系统的水下目标速度计算方法，其特征在于，步骤S4中，所述进行水下目标的位置信息解算步骤包括：

S41、将所述声信标的位置信息转换为笛卡尔坐标公式u＝(x_i,y_i,z_i)，其中

α为地球长半轴，e为地球偏心率，λ_i为第i个声信标的经度信息，i＝1、2、3、…、n，

为第i个声信标的纬度信息，h_i为第i个声信标的深度信息；

S42、根据第i个声信标的解译定位电文的时刻信息以及载波信号的发送时刻信息，计算载波信号的传播时间：

其中Δt_i为载波信号的传播时间，

为第i个声信标的解译定位电文的时刻信息，

为载波信号的发送时刻信息；

S43、根据载波信号的传播时间Δt_i，计算水下目标与第i个声信标之间的距离：

其中c为声速，同时根据上述式子，获得水下目标的位置(x，y，z)。

Images