CN110542883A - 一种用于目标静默的被动水声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下目标的定位技术领域，具体涉及一种用于目标静默的被动水声定位方法，该方法包括：置于水体任意位置的导航基线节点阵列的每个节点同步发射各自的导航信号；其中，上述导航基线节点阵列上的节点数为L；L大于或等于4；位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标；根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标。

Description

一种用于目标静默的被动水声定位方法

技术领域

本发明属于水下目标的定位技术领域，具体涉及一种用于目标静默的被动水声定位方法。其中，所述目标静默为目标只需要接收信号，且不主动发射信号。

背景技术

水下导航技术是一种利用发射探测信号和接收返回信号之间的信息关系，推算出水下目标定位的技术。水下导航技术是决定水下导航发展与应用的关键技术，具有 工作时间长，环境复杂，信息源少，隐蔽性要求高等特点，对于发展水下导航器，应 对我国海洋的军事应用、资源开发、水下安全等问题具有重大意义。

水下定位与导航一般主要有两种工作方式：第一类为主动定位；其中，主动探测定位方法是现有的水下定位与导航主要采用的方法，该方法主要包括：发射装置通过 发射探测信号到目标，目标接收到探测信号后主动返回应答信号到接收装置，再移交 到中心处理单元对往返的信号进行处理，中心处理单元采用固有的算法根据发送信 号和应答信号的信息，进而解算出目标的定位。

第二类为被动定位，被动水声定位方法是仅通过对多个发射节点的发射信号的数据就可以推算出目标的定位方法。目前，现有的方法主要包括：在目标被动定位后， 仍然将定位信息发射给中心处理单元，但是，这种方法的隐蔽性和安全性较差。另外， 现有的其他方法中，主要包括：将导航定位基线系统的发射节点置于海底固定位置， 通过水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期超声波脉冲信号为目标提供定位信 息，但是，该方法的节点的移动性和维护性差。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的定位方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于目标静默的被动水声定位方法，该方法通过置于水体任意位置的导航基线节点 阵列同步发射导航信号，水下目标仅需通过接收导航信号，就可对水下目标进行被动 水声定位；该方法的发射装置的可移动性和维护性好，且对任意水下目标的水声被动 定位具有广泛适用性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于目标静默的被动水声定位方法，该方法包括：

置于水体任意位置的导航基线节点阵列的每个节点同步发射各自的导航信号；其中，上述导航基线节点阵列上的节点数为L；L大于或等于4；

位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导航信号， 并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的到达时间、 时间戳和实时位置坐标；

根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被 动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标。

作为上述技术方案的改进之一，所述导航信号是以T为周期持续发射随时间变 化的导航信号；周期T大于导航信号的长度。

作为上述技术方案的改进之一，所述导航信号包括：导航标识码、本次发射的 时刻和本次发射的实时节点位置坐标；其中，所述本次发射的时刻为时间戳。

作为上述技术方案的改进之一，所述位于水下某处的目标静默A的目标水听器 接收每个节点同步发射的导航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测， 提取每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标；具体包括：

步骤SS1)初始化目标位置；具体地，将位于水下某处的目标静默A的初始位 置坐标初始化为(0,0,0)；

步骤SS2)目标静默A的水听器接收到每个节点同步发射的导航信号，对每个 导航信号进行中心频率为f_i的L个子带滤波；

步骤SS3)对每个经过子带滤波后的导航信号进行导航标识码检测；具体地， 当检测到第r个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，记录导航标识码的 到达时间为D_tr，并且检测出该导航信号中发射的时间戳保存为T_r，以及对应的发射 的实时位置坐标保存为(x_r,y_r,z_r)；其中，1≤r≤L；

步骤SS4)如果检测到4个或4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含导航 标识码时，则根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取 每个节点到位于水下某处目标静默A的距离；否则，返回步骤SS1)。

作为上述技术方案的改进之一，所述根据每个节点的导航信号的到达时间、时 间戳和实时位置坐标，获取每个节点到位于水下某处目标静默A的距离，进而获取 目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信 息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标；具体包括：

在一个周期T内，当检测到有4个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码 时，且各导航标识码各不相同时；

假设上述4个导航信号分别来自第m，n，p、k个子带；根据第m个节点的发 射时间戳T_m和发射的实时位置的三维坐标(x_m,y_m,z_m)以及导航信号的到达时间为 D_tm，获取第m个节点到目标静默A的距离d_m为：

其中，v为水下的声速；x_m、y_m、z_m分别为第m个节点发射的实时三维坐标的 x轴值、y轴值、z轴值；获取第n个节点到目标静默A的距离d_n为：

其中，T_n为第n个节点的发射时间戳；x_n、y_n、z_n分别为第n个节点发射的实时 三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tn为第n个节点导航信号的到达时间；Δ为 目标与导航基线节点间的时钟误差；

获取第p个节点到目标静默A的距离d_p为：

其中T_p为第p个节点的发射时间戳；x_p、y_p、z_p分别为第p个节点发射的实时三 维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tp为第p个节点导航信号的到达时间；

获取第k个节点到目标静默A的距离d_k为：

其中，T_k为第k个节点的发射时间戳；x_k、y_k、z_k分别为第k个节点发射的实时 三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tk为第k个节点导航信号的到达时间；

联立上述4个节点的距离方程并化简：

获取目标静默A的位置坐标(x,y,z)，并用该位置坐标替换目标静默A的初始 位置坐标(0,0,0)，完成对目标静默A的水声被动定位。

作为上述技术方案的改进之一，所述根据每个节点的导航信号的到达时间、时 间戳和实时位置坐标，获取每个节点到位于水下某处目标静默A的距离，进而获取 目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信 息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标；具体包括：

在一个周期T内，如果有超过4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含导航 标识码时，且各导航标识码各不相同时；则将上述导航信号以4个为一组进行排列 组合，获取每一组的目标静默A的位置坐标，然后将每一组的目标静默A的位置 坐标求和再取平均，获得平均后的目标静默A的位置坐标；

将用该平均后的目标静默A的位置坐标替换目标静默A的初始位置坐标(0,0,0)，完成对目标静默A的水声被动定位。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

导航基线节点阵列的节点可放置在水体任意位置，使得导航基线节点阵列的移动性、可维护性好，适用范围广泛；导航基线节点阵列采用同步发射导航信号，使得 目标的定位精度高；并且本方法中的目标采用只接收信号不主动发射信号的目标静 默定位方式，使目标的安全隐蔽性好。

附图说明

图1是本发明的一种用于目标静默的被动水声定位方法的简要流程图；

图2是本发明的一种用于目标静默的被动水声定位方法的一个具体实施例中的导航基线阵列和静默目标位置示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提出了一种用于目标静默的被动水声定位方法，该方法具 体包括：

步骤1)置于水体任意位置的导航基线节点阵列的每个节点同步发射各自的导航信号；其中，上述导航基线节点阵列上的节点数为L，其中，L大于或等于4；所述 导航信号是以T为周期持续发射随时间变化的导航信号；

具体地，导航基线节点阵列的节点可以布放在水体的任意位置，且第i个节点Si的位置三维坐标为(Xi,Yi,Zi)；其中，Xi,Yi,Zi分别对应地为在自定义坐标系中节点 Si位置三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；i＝1,2,…,L；当任意一个导航基线节点的 位置发生变化时，则立即更新对应的导航基线节点的位置坐标；并且所有L个导航 基线节点的时钟均同步，在导航信号发射前，所有节点的发射时刻初始化为t＝0，每 个节点均以T为周期持续同步发射各自的随时间变化的导航信号，周期T大于导航 信号的长度；

上述导航基线节点阵列的第i个节点在相同时刻，分别采用中心频率为f_i的频 率发射导航信号，如图1所示，第i个导航基线节点Si的导航信号包括：导航标识 码、本次发射的时刻和本次发射的实时节点位置坐标；其中，所述本次发射的时刻 为时间戳；

步骤2)位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导 航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的 到达时间、时间戳和实时位置坐标；

步骤2-1)初始化目标位置；

具体地，将位于水下某处的目标静默A的位置三维坐标设为(x,y,z)，其值初始 化为最近一次目标估算的位置坐标值，如果没有则初始化为(0,0,0)。

步骤2-2)目标静默A的水听器接收到每个节点同步发射的导航信号，对每个导 航信号进行中心频率为f_i的L个子带滤波；

步骤2-3)对每个经过子带滤波后的导航信号进行导航标识码检测；具体地， 当检测到第r个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，记录导航标识码的 到达时间为D_tr，并且检测出该导航信号中发射的时间戳保存为T_r，以及对应的发射 的实时位置三维坐标保存为(x_r,y_r,z_r)；其中，1≤r≤L；

步骤2-4)如果检测到4个或4个以上经过子带滤波后的导航信号包含导航标 识码时，则进入步骤3)，否则，返回步骤2-1)，对下一段接收到的时长为周期T 的导航信号进行处理，处理过程为步骤2-1)至步骤2-4)；

步骤3)根据每个节点的导航信号的时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到 位于水下某处目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标 静默A的水声被动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后 的位置坐标；

具体地，当在一个更新周期T内，检测到4个或4个以上经过子带滤波后的导 航信号包含导航标识码时，且各导航标识码各不相同，对位于水下某处目标的定位 估算。

具体地，当检测到有4个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，且各 导航标识码各不相同时，假设上述4个导航信号分别来自第m，n，p、k个子带。 根据第m个节点的发射时间戳T_m和发射的实时位置(x_m,y_m,z_m)以及导航信号的到达 时间为D_tm，获取第m个节点到目标静默A的距离d_m为：

其中，v为水下的声速；x_m、y_m、z_m分别为第m个节点发射的实时三维坐标的 x轴值、y轴值、z轴值；D_tm为导航信号的到达时间；Δ为目标与导航基线节点的 时钟差；

获取第n个节点到目标静默A的距离d_n为：

其中T_n为第n个节点的发射时间戳；x_n、y_n、z_n分别为第n个节点发射的实时三 维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tn为第n个节点导航信号的到达时间为；

由于目标静默A与导航基线节点阵列中的节点不通信，二者之间的时钟没有同步，会存在时钟误差，所以方程(1)应该把不同步的时钟差考虑在内；因此，d_m- d_n就可以把时钟差Δ消除掉，得到上面方程组(2)的第一条方程。

获取第p个节点到目标静默A的距离d_p为：

其中T_p为第p个节点的发射时间戳；x_p、y_p、z_p分别为第p个节点发射的实时三 维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tp为第p个节点导航信号的到达时间；

获取第k个节点到目标静默A的距离d_k为：

其中T_k为第k个节点的发射时间戳；x_k、y_k、z_k分别为第k个节点发射的实时三 维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tk为第k个节点导航信号的到达时间；

由于目标静默A与导航基线节点阵列中的节点不通信，二者之间的时钟没有同步，会存在时钟误差，所以方程(1)应该把不同步的时钟差考虑在内；因此，d_p- d_k就可以把时钟差Δ消除掉，得到上面方程组(4)的第一条方程。

联立上述4个节点的距离方程并化简：

获取目标静默A的位置三维坐标(x,y,z)，并将该位置坐标替换目标静默A的 初始位置坐标(0,0,0)，完成对目标静默A的更新和目标静默A的定位，进而完成 对目标静默A的水声被动定位。

在一个周期T内，如果有超过4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含导航 标识码时，且各导航标识码各不相同时；则将上述导航信号以4个为一组进行排列 组合，根据上述方法，获取每一组的目标静默A的位置坐标，然后将每一组的目标 静默A的位置坐标求和再取平均，获得平均后的(x,y,z)，将该平均后的位置坐 标替换目标静默A的初始位置坐标，完成对目标静默A的更新和目标静默A的定 位。

步骤4)存储并输出目标静默A的定位信息，所述定位信息为目标静默A的位 置坐标或平均后的位置坐标；

在步骤4中得到目标静默A的定位信息后，将该定位信息输出到利用定位信息 的水下导航应用具体的应用上，并清空记录检测到所有子带的导航信号到达时间 Dti、导航包中发射的时间戳保存为Ti和导航包中发射的实时位置三维坐标 (x_i,y_i,z_i)数据后，针对下一个T周期的导航信号，返回步骤2进行新一轮的目标定 位。

实施例1.

在本实施例中，所述导航基线节点阵列的摆放，如图2所示，在自定义的坐标 系中，放置5个静止的导航基线节点S1，S2，S3，S4，S5；其中，S1的位置坐标 为(0，0，0)，S2的位置坐标为(1000，1000，-1)，S3的位置坐标为(2000， 2000，-2)，S4的位置坐标为(2000，0，0)，S5的位置坐标为(0，2000，-2)；单 位为米。

5个导航基线节点S1，S2，S3，S4，S5的发射信号频率范围分别对应为 [20khz,26kHz]；[26khz,32kHz]；[32khz,38kHz]；[38khz,44kHz]；[44khz,50kHz]； 其中，发射信号的中心频率分别为：f₁＝23kHz；f₂＝29kHz；f₃＝35kHz；f₄＝41kHz； f₅＝47kHz。

步骤1)置于水体任意位置的导航基线节点阵列的每个节点同步发射各自的导 航信号；即节点S1，S2，S3，S4，S5同步发射各自的导航信号；

步骤2)位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导 航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的 到达时间、时间戳和实时位置坐标；在本市实施例中，当目标静默A的水听器接收 到导航信号时，将信号通过中心频率为f₁,f₂,f₃,f₄,f₅的子带滤波器，f₁,f₂,f₃,f₄,f₅为对应的上述导航基线节点发射信号频率范围的中心值；在一个固定的更新周期T 内，目标静默A的水听器对滤波后的信号检测到导航标识码后，记录导航信号的到 达时间，并提取出该导航包中发射的时间戳，导航包中发射的实时位置坐标。

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)初始化目标位置；

具体地，将位于水下某处的目标静默A的位置坐标设为(x,y,z)，其值初始化为 最近一次目标估算的位置坐标值，如果没有则初始化为(0,0,0)。

步骤2-2)目标静默A的水听器接收到每个节点同步发射的导航信号，对每个 导航信号进行中心频率为f_i的5个子带滤波；i＝1,...,5；

步骤2-3)对每个经过子带滤波后的导航信号进行导航标识码检测；具体地， 当检测到第r个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，记录导航标识码的 到达时间为D_tr，并且检测出该导航信号中发射的时间戳保存为T_r，以及对应的发射 的实时位置坐标保存为(x_r,y_r,z_r)；其中，1≤r≤L；

步骤2-4)检测到4个以上经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，则 进入步骤3)；

步骤3)根据每个节点的导航信号的时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到 位于水下某处目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标 静默A的水声被动定位；

具体地，在一个周期T内，有超过4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含 导航标识码时，且各导航标识码各不相同时；则将上述导航信号以4个为一组进行 排列组合，将选定的4个子带分别定义为第m，n，p，k子带，将第m个子带导 航信息到达时间存入D_tm；第m个子带导航信息包中的节点发射的实时三维坐标的 x轴值、y轴值、z轴值分别存到x_m、y_m、z_m中；第m个子带导航信息包中的节点 的发射时间戳存到T_m中；将第n个子带导航信息到达时间存入D_tn；第n个子带导 航信息包中的节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值分别存到x_n、y_n、z_n中；第n个子带导航信息包中的节点的发射时间戳存到T_n中；将第p个子带导航 信息到达时间存入D_tp；第p个子带导航信息包中的节点发射的实时三维坐标的x 轴值、y轴值、z轴值分别存到x_p、y_p、z_p中；第p个子带导航信息包中的节点的发 射时间戳存到T_p中；将第k个子带导航信息到达时间存入D_tk；第k个子带导航信 息包中的节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值分别存到x_k、y_k、z_k中； 第k个子带导航信息包中的节点的发射时间戳存到T_k中；声速v取1500米/秒； 将上述所有变量带入方程组(5)中可获得组目标静默A的位置坐标，目标静默A 然后将上述每一组的目标静默A的位置坐标求和再取平均，获得平均后的 (x,y,z)，将该平均后的位置坐标替换目标静默A的初始位置坐标(0,0,0)，完成 对目标静默A的更新和目标静默A的定位。

步骤4)存储并输出目标静默A的定位信息，所述定位信息为目标静默A的平 均后的位置坐标。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于目标静默的被动水声定位方法，其特征在于，该方法包括：

置于水体任意位置的导航基线节点阵列的每个节点同步发射各自的导航信号；其中，上述导航基线节点阵列上的节点数为L；L大于或等于4；

位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标；

根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导航信号是以T为周期持续发射随时间变化的导航信号；周期T大于导航信号的长度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导航信号包括：导航标识码、本次发射的时刻和本次发射的实时节点位置坐标；其中，所述本次发射的时刻为时间戳。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位于水下某处的目标静默A的目标水听器接收每个节点同步发射的导航信号，并对每个节点的导航信号进行导航信息检测，提取每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标；具体包括：

步骤SS1)初始化目标位置；具体地，将位于水下某处的目标静默A的初始位置坐标初始化为(0,0,0)；

步骤SS2)目标静默A的水听器接收到每个节点同步发射的导航信号，对每个导航信号进行中心频率为f_i的L个子带滤波；

步骤SS3)对每个经过子带滤波后的导航信号进行导航标识码检测；具体地，当检测到第r个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，记录导航标识码的到达时间为D_tr，并且检测出该导航信号中发射的时间戳保存为T_r，以及对应的发射的实时位置坐标保存为(x_r,y_r,z_r)；其中，1≤r≤L；

步骤SS4)如果检测到4个或4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，则根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到位于水下某处目标静默A的距离；否则，返回步骤SS1)。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到位于水下某处目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标；具体包括：

在一个周期T内，当检测到有4个经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，且各导航标识码各不相同时；

假设上述4个导航信号分别来自第m，n，p、k个子带；根据第m个节点的发射时间戳T_m和发射的实时位置的三维坐标(x_m,y_m,z_m)以及导航信号的到达时间为D_tm，获取第m个节点到目标静默A的距离d_m为：

其中，v为水下的声速；x_m、y_m、z_m分别为第m个节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；获取第n个节点到目标静默A的距离d_n为：

其中，T_n为第n个节点的发射时间戳；x_n、y_n、z_n分别为第n个节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tn为第n个节点导航信号的到达时间；Δ为目标与导航基线节点间的时钟误差；

获取第p个节点到目标静默A的距离d_p为：

其中T_p为第p个节点的发射时间戳；x_p、y_p、z_p分别为第p个节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tp为第p个节点导航信号的到达时间；

获取第k个节点到目标静默A的距离d_k为：

其中，T_k为第k个节点的发射时间戳；x_k、y_k、z_k分别为第k个节点发射的实时三维坐标的x轴值、y轴值、z轴值；D_tk为第k个节点导航信号的到达时间；

联立上述4个节点的距离方程并化简：

获取目标静默A的位置坐标(x,y,z)，并用该位置坐标替换目标静默A的初始位置坐标(0,0,0)，完成对目标静默A的水声被动定位。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据每个节点的导航信号的到达时间、时间戳和实时位置坐标，获取每个节点到位于水下某处目标静默A的距离，进而获取目标静默A的定位信息，完成对目标静默A的水声被动定位；其中，所述定位信息为目标静默A的位置坐标或平均后的位置坐标；具体包括：

在一个周期T内，如果有超过4个以上的经过子带滤波后的导航信号包含导航标识码时，且各导航标识码各不相同时；则将上述导航信号以4个为一组进行排列组合，获取每一组的目标静默A的位置坐标，然后将每一组的目标静默A的位置坐标求和再取平均，获得平均后的目标静默A的位置坐标；

将用该平均后的目标静默A的位置坐标替换目标静默A的初始位置坐标(0,0,0)，完成对目标静默A的水声被动定位。