CN110703202B - 基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统 - Google Patents

基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统 Download PDF

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Abstract

基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，涉及水下定位技术领域，为解决现有技术中基于多声学波浪滑翔机水下脉冲声定位中通信困难的问题，本发明实现了多声学波浪滑翔机局部定位组网，本发明根据海深、声速剖面和任务要求定位区域确定AWG数目并设计出AWG和USV的最优阵型，并通过USV实施监测并控制AWG的阵型，同时保持USV自身在AWG的中心位置处以使通信变得容易和流畅，而且通信效率高。

Description

基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统
技术领域
本发明涉及水下定位技术领域，具体为一种基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统。
背景技术
现有水下脉冲声定位系统中精度最高的是长基线定位系统，工作方式包括布放在海底的潜标、水面浮标以及水面无人艇。
对于基于潜标方式的长基线定位，优点在于基站位置固定，阵型可以保持在定位精度高的最优状态，存在的问题是布放困难，校准耗时，在深海情况下尤为如此。
对于浮标方式的长基线定位，优势在于基站的位置可以通过卫星实时准确测量，存在的问题是浮标位置随海流和波浪变化，难以长时间保持较好的阵型，降低了定位精度。
对于这两种方式而言，都是在节点处理后利用估计的时延参数进行定位。相比之下，基于无人艇的长基线定位系统既可以较好地控制阵型，又可以精确得到目标的位置。基于无人艇的长基线定位系统的问题在于无人艇成本较高。
声学波浪滑翔机既可以通过卫星实时得到基站的位置信息，又可以通过控位保持较好的阵型，实现高精度的定位，最重要的是波浪滑翔机的成本相对于无人艇大幅降低。但是该定位系统的不足在于各基站与数据处理中心的数据通信负担大，难以长时间稳定进行。解决的方式一是降低通信的数据量，二是减小通信距离，三是寻求新的通信方式。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中基于多声学波浪滑翔机水下脉冲声定位中通信困难的问题，提出一种基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，包括：无人艇节点和AWG节点，
所述无人艇节点用于对AWG节点通过水下传输得到的数据进行定位解算，并将定位解算传输到岸站进行显示；
所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行信号检测，定位等处理，通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给无人艇节点；
所述信号检测的具体步骤为：在无脉冲信号时，将AWG上连接的水听器接收到的背景噪声信号截取100秒，对截取信号取模值的平方并进行积分，最后取平均，得到背景噪声的平均能量
Figure BDA0002242559370000021
其中，Sba(t)为100秒长的背景噪声信号，
AWG上连接的水听器不断接收信号，将接收到的信号每1秒进行一次截取，截取窗长为1秒，窗函数间无重叠，对截取信号S0(t)取模值求平方并积分，得到该段信号的能量
Figure BDA0002242559370000022
每秒钟都将求得的信号能量与背景噪声平均能量作差值，差值大于所设定的门限C时，认为该段信号检测到脉冲信号；反之，认为没有检测到脉冲信号。
进一步的，所述无人艇节点包括：无人艇水下数据通信模块、无人艇GPS定位及授时模块、无人艇控制模块、无人艇数据处理模块和无人艇水面数据通信模块，
所述无人艇水下数据通信模块，用于AWG节点将接收的目标声信号、GPS信息及时间数据传输给无人艇；
所述无人艇GPS定位及授时模块用于获取无人艇的GPS位置信息及准确的时间信息；
所述无人艇控制模块包含包括无人艇船体控制单元和无人艇数据控制单元，所述无人艇船体控制单元用于控制无人艇的航行，所述无人艇数据控制单元用于控制数据的传输；
所述无人艇数据处理模块用于对AWG传输来的目标信号相关数据进行定位解算，获得目标声源的位置信息；
所述无人艇水面数据通信模块用于将解算出的目标位置信息等传输至岸站进行显示。
进一步的，所述AWG节点包括AWG数据通信模块，AWG定位授时模块，AWG控制模块，AWG数据处理模块，电源模块，自主定位模块和水听器阵模块，
所述AWG数据通信模块，用于将AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间等数据传送至无人艇节点；
所述AWG定位授时模块，用于获得AWG各节点的实时GPS位置信息与时间；
所述AWG控制模块，包括AWG船体控制单元与AWG数据控制单元，所述AWG船体控制单元用于控制AWG的航行，所述AWG数据控制单元用于控制数据的传输；
所述AWG数据处理模块用于对AWG节点接收到的数据进行信号检测，野点剔除处理；
所述电源模块用于为AWG节点各模块供电；
所述自主定位模块用于对检测到的目标信号进行处理，经过定位解算得到所需目标位置信息；
所述水听器阵模块，用于接收水中的声信号。
进一步的，所述野点剔除处理具体步骤为：首先对AWG分别编号，然后对每台AWG上连接的四元十字型水听器基阵的四个阵元分别进行编号，在检测到脉冲信号的情况下各阵元接收到的信号可表示为，
Si1(t)＝Si(t)+ni(t) (1)
Si2(t)＝Si(t+τi12)+ni(t) (2)
Si3(t)＝Si(t+τi13)+ni(t) (3)
Si4(t)＝Si(t+τi14)+ni(t) (4)
其中，Si1(t)、Si2(t)、Si3(t)、Si4(t)分别为第i号AWG的1至4号阵元接收到的信号；Si(t)为脉冲声源产生的信号经过衰减后到第i号AWG的1号阵元的声信号，τi12为2号阵元接收到的目标信号相对1号阵元接收到的目标信号的延时，同理可知τi13与τi14的意义；ni(t)为第i号AWG处环境噪声；
对于每台AWG的四元十字阵，分别计算脉冲信号方位，根据互相关公式
Figure BDA0002242559370000031
得到第i个AWGSi1(t)、Si3(t)的时延差τi13与Si2(t)、Si4(t)的时延差τi24，τi13为1号与3号阵元接收到的脉冲信号的时延差，τi24为2号与4号阵元接收到的脉冲信号的时延差，十字阵中，信号与1、3号阵元连线夹角θi，表示为
Figure BDA0002242559370000032
Figure BDA0002242559370000033
其中d13、d24分别为1、3号阵元间距与2、4号阵元间距，c为声速，则根据如下公式得到脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i
Figure BDA0002242559370000034
Figure BDA0002242559370000041
脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i中，如果存在某时间的方位与其相邻时间点的方位均差距较大，且不符合整体方位随时间的变化趋势，则该点视为野点，该时刻检测到的信号不是目标脉冲信号，剔除此时刻检测到的信号。
进一步的，所述目标位置信息通过如下步骤得到：
首先对k台AWG分别进行编号，根据AWG上装载的GPS及水听器基阵上装载的深度计得到k台AWG所连接的水听器的位置分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)...(xk，yk，zk)
k台AWG的四元十字阵的1号阵元接收到的信号分别为S11(t)、S21(t)...Sk1(t)，根据互相关公式
Figure BDA0002242559370000042
将2...k号AWG接收信号分别与1号AWG的接收信号作互相关，得到AWG节点间的接收信号的时延差τ1j，j＝2...k，j代表与1号AWG接收信号作相关的节点号，τ1j为1号AWG接收信号与j号AWG接收信号之间的时延差，
建立双曲定位模型
Figure BDA0002242559370000043
其中，r1j＝cτ1j (12)
c为声速，r1j为1号AWG节点到j号AWG节点间的距离，
利用最小二乘法得到目标声源的位置坐标(x，y，z)。
本发明的有益效果是：本发明实现了多声学波浪滑翔机局部定位组网，本发明根据海深、声速剖面和任务要求定位区域确定AWG数目并设计出AWG和USV的最优阵型，并通过USV实施监测并控制AWG的阵型，同时保持USV自身在AWG的中心位置处以使通信变得容易和流畅，而且通信效率高。
附图说明
图1为本发明系统几何配置图。
图2为单节点配置图。
图3为系统组成图。
图4为定位算法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，包括：无人艇节点和AWG节点，
所述无人艇节点用于对AWG节点通过水下传输得到的数据进行定位解算，并将定位解算传输到岸站进行显示；
所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行信号检测，定位等处理，通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给无人艇节点；
所述信号检测的具体步骤为：在无脉冲信号时，将AWG上连接的水听器接收到的背景噪声信号截取1秒，对截取信号取模值的平方并进行积分，最后取平均，得到背景噪声的平均能量
Figure BDA0002242559370000051
其中，Sba(t)为100秒长的背景噪声信号，
AWG上连接的水听器不断接收信号，将接收到的信号每1秒进行一次截取，截取窗长为1秒，窗函数间无重叠，对截取信号S0(t)取模值求平方并求和，得到该段信号的能量
Figure BDA0002242559370000052
每秒钟都将求得的信号能量与背景噪声能量作差值，差值大于所设定的门限C时，认为该段信号检测到脉冲信号；反之，认为没有检测到脉冲信号。
为解决基于多声学波浪滑翔机水下脉冲声定位中通信困难的问题，实现多声学波浪滑翔机局部定位组网，本发明提供一种基于多声学波浪滑翔机(下文简称AWG)和水面无人艇(下文简称USV)的水下脉冲声定位系统。
本发明的系统组成如图3所示，在图3中附图标记11、GPS/天线12、无人艇13、电缆14、通信机15、沉块。
本发明的单节点配置具体如图2所示，在图2中附图标记为1、GPS/电台天线2、太阳能帆板3、水面浮体船4、高频信标5、脐带缆6、牵引绳7、承重电缆8、电子舱9、水听器。
本发明是这样实现的：
该定位系统包括无人艇节点和AWG节点。
无人艇节点，用于对AWG节点通过水下传输得到的数据进行定位解算，将定位结果传输到岸站进行显示。
AWG节点，用于接收水中的目标声信号并进行信号检测，定位等处理，通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，将数据传输给无人艇节点。
如图1所示，无人艇节点包括水下数据通信模块，GPS定位及授时模块，控制模块，数据处理模块和水面数据通信模块。
水下数据通信模块，用于AWG节点将接收的目标声信号，GPS信息及时间等数据传输给无人艇；
GPS定位及授时模块，用于获得无人艇的GPS位置信息及准确的时间信息；
控制模块，包括船体控制与数据控制；
船体控制，用于控制无人艇的航行；数据控制，用于控制数据的传输；
数据处理模块，用于对AWG传输来的目标信号相关数据进行定位解算，获得目标声源的位置信息；
水面数据通信模块，用于将解算出的目标位置信息等传输至岸站进行显示。
AWG节点包括数据通信模块，GPS定位授时模块，控制模块，数据处理模块，电源模块，自主定位模块和水听器阵模块。
数据通信模块，用于将AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间等数据传送至无人艇节点；
GPS定位授时模块，用于获得AWG各节点的实时GPS位置信息与时间；
控制模块，包括船体控制与数据控制；
船体控制模块，用于控制AWG的航行；数据控制，用于控制数据的传输；
数据处理模块，用于对AWG节点接收到的数据进行信号检测，野点剔除等处理；
电源模块，用于为AWG节点各模块供电；
自主定位模块，用于对检测到的目标信号进行处理，经过定位解算得到所需目标位置信息；
水听器阵模块，用于接收水中的声信号。
如图4所示，本发明的定位算法流程如下：
(1)获取测试海域的海洋环境参数；
通过海图等方式得到海深历史数据或者使用多波束声纳进行现场测量，获得测试海域的海深，确保海底相对比较平坦；
利用历史数据或者和声速剖面仪测得声速剖面信息，确保声纳换能器工作时避开温跃层。
(2)布放AWG和USV；
根据海深、声速剖面和任务要求定位区域确定AWG数目并设计出AWG和USV的最优阵型；USV是多个AWG的中心节点。
对多AWG和USV的系统上电，利用GPS的秒脉冲信号对各AWG和USV进行时间同步；
从船上布放AWG和USV，通过卫星发送指令使AWG和USV航行到指定位置。
(3)检测脉冲信号；
使用能量检测的方法检测脉冲信号：将接收到的信号按一定窗长分段并计算其信号能量，如果该值超过所设定的检测门限，则认为检测到了脉冲信号；
(4)单节点数据野值剔除
计算大地坐标系下所检测到的脉冲信号方位，判断该方位是否位于各AWG的合围区域，如果否，则认为该结果是野点，可以加以剔除。
(5)各AWG节点将数据信息回传到USV；
USV实施监测并控制AWG的阵型，同时保持USV自身在AWG的中心位置处以有利于通信；
通过水声通信机往USV回传数据，回传数据有AWG的ID，时间戳，位置，目标方位，频谱。通过无线电和水声通信，将检测到瞬态声信号后将这一小段的瞬态声信号回传到USV处理中心，回传数据内容包括AWGID，信号检测时刻，AWG经纬度坐标，脉冲数据、目标方位及对应的频谱；
(6)多节点数据野值剔除；
计算各节点所接收目标信号的特征频谱间的相关系数，当相关系数小于某值时，认为所检测结果是野点，加以剔除。
(7)目标双曲线定位解算；
将检测到的脉冲信号作相关估计基站间接收信号的时延差，利用双曲定位法解算目标的位置。
(8)USV数据处理中心将定位结果回传到岸站控制中心，加以显示。
实施例：
下面结合附图给出本发明的具体实施方式：
(1)使用深度计及声速剖面仪在测试海域进行测量，得到测试海域的海深和声速剖面信息。
(2)四台声学波浪滑翔机(AWG)各自连接一个四元十字型水听器阵，将其布放在水中的指定位置。
(3)能量检测
在无脉冲信号时，将AWG上连接的水听器接收到的背景噪声信号截取100秒，对截取信号取模值平方并积分平均，得到背景噪声的平均能量
Figure BDA0002242559370000081
其中，Sba(t)为100秒长的背景噪声信号。
AWG上连接的水听器不断接收信号，将接收到的信号每1秒进行一次截取，截取窗长为1秒，窗函数间无重叠，对截取信号S0(t)取模值求平方并积分，得到该段信号的能量
Figure BDA0002242559370000082
每秒钟都将求得的信号能量与背景噪声平均能量作差值，差值大于所设定的门限C时，认为该段信号检测到脉冲信号；反之，认为没有检测到脉冲信号。
将检测到的脉冲信号求方位，并进行野点剔除，具体方式为：
四台AWG分别编号1、2、3、4，视为四个节点，每台AWG上连接的四元十字型水听器基阵的四个阵元分别编号1、2、3、4，在检测到脉冲信号的情况下
各阵元接收到的信号可表示为，
Si1(t)＝Si(t)+ni(t) (1)
Si2(t)＝Si(t+τi12)+ni(t) (2)
Si3(t)＝Si(t+τi13)+ni(t) (3)
Si4(t)＝Si(t+τi14)+ni(t) (4)
其中，Si1(t)、Si2(t)、Si3(t)、Si4(t)分别为第i号AWG的1至4号阵元接收到的信号；Si(t)为脉冲声源产生的信号经过衰减后到第i号AWG的1号阵元的声信号，十字阵的四个阵元相距较近，水听器各阵元接收到的信号可视为1号阵元接收到的信号的延时，τi12为2号阵元接收到的目标信号相对1号阵元接收到的目标信号的延时，同理可知τi13与τi14的意义；ni(t)为第i号AWG处环境噪声。
对于每台AWG的四元十字阵，分别计算脉冲信号方位。
根据互相关公式
Figure BDA0002242559370000091
计算出第i个AWG，Si1(t)、Si3(t)的时延差τi13与Si2(t)、Si4(t)的时延差τi24，τi13为1号与3号阵元接收到的脉冲信号的时延差，τi24为2号与4号阵元接收到的脉冲信号的时延差。
十字阵中，信号与1、3号阵元连线夹角θi，可表示为
Figure BDA0002242559370000092
Figure BDA0002242559370000093
其中d13、d24分别为1、3号阵元间距与2、4号阵元间距，c为声速。则有
Figure BDA0002242559370000094
所以
Figure BDA0002242559370000095
得到脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i。
脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i中，如果存在某时间的方位与其相邻时间点的方位均差距较大，且不符合整体方位随时间的变化趋势，则该点视为野点，该时刻检测到的信号不是目标脉冲信号，剔除此时刻检测到的信号。
(4)四台AWG分别编号1、2、3、4，根据AWG上装载的GPS及水听器基阵上装载的深度计得到四台AWG所连接的水听器的位置分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)。
四台AWG的四元十字阵的1号阵元接收到的信号分别为S11(t)、S21(t)、S31(t)、S41(t)，根据互相关公式
Figure BDA0002242559370000101
将2、3、4号AWG接收信号分别与1号AWG的接收信号作互相关，得到AWG节点间的接收信号的时延差τ1j，j＝2，3，4，j代表与1号AWG接收信号作相关的节点号，τ1j为1号AWG接收信号与j号AWG接收信号之间的时延差。
建立双曲定位模型
Figure BDA0002242559370000102
Figure BDA0002242559370000103
Figure BDA0002242559370000104
其中，r1j＝cτ1j (12)
c为声速，r1j为1号AWG节点到j号AWG节点间的距离。
对非线性方程租(11)求解得到目标声源的位置坐标(x，y，z)。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，其特征在于包括：无人艇节点和AWG节点，
所述无人艇节点用于对AWG节点通过水下传输得到的数据进行定位解算，并将定位解算传输到岸站进行显示；
所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行信号检测，定位处理，通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给无人艇节点；
所述信号检测的具体步骤为：在无脉冲信号时，将AWG上连接的水听器接收到的背景噪声信号截取100秒，对截取信号取模值的平方并进行积分，最后取平均，得到背景噪声的平均能量
Figure FDA0003601850770000011
其中，Sba(t)为100秒长的背景噪声信号，
AWG上连接的水听器不断接收信号，将接收到的信号每1秒进行一次截取，截取窗长为1秒，窗函数间无重叠，对截取信号S0(t)取模值求平方并积分，得到该段信号的能量
Figure FDA0003601850770000012
每秒钟都将求得的信号能量与背景噪声平均能量作差值，差值大于所设定的门限C时，认为该段信号检测到脉冲信号；反之，认为没有检测到脉冲信号；
所述AWG节点包括AWG数据通信模块，AWG定位授时模块，AWG控制模块，AWG数据处理模块，电源模块，自主定位模块和水听器阵模块，
所述AWG数据通信模块，用于将AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间数据传送至无人艇节点；
所述AWG定位授时模块，用于获得AWG各节点的实时GPS位置信息与时间；
所述AWG控制模块，包括AWG船体控制单元与AWG数据控制单元，所述AWG船体控制单元用于控制AWG的航行，所述AWG数据控制单元用于控制数据的传输；
所述AWG数据处理模块用于对AWG节点接收到的数据进行信号检测，野点剔除处理；
所述电源模块用于为AWG节点各模块供电；
所述自主定位模块用于对检测到的目标信号进行处理，经过定位解算得到所需目标位置信息；
所述水听器阵模块，用于接收水中的声信号；
所述野点剔除处理具体步骤为：首先对AWG分别编号，然后对每台AWG上连接的四元十字型水听器基阵的四个阵元分别进行编号，在检测到脉冲信号的情况下各阵元接收到的信号可表示为，
Si1(t)＝Si(t)+ni(t) (1)
Si2(t)＝Si(t+τi12)+ni(t) (2)
Si3(t)＝Si(t+τi13)+ni(t) (3)
Si4(t)＝Si(t+τi14)+ni(t) (4)
其中，Si1(t)、Si2(t)、Si3(t)、Si4(t)分别为第i号AWG的1至4号阵元接收到的信号；Si(t)为脉冲声源产生的信号经过衰减后到第i号AWG的1号阵元的声信号，τi12为2号阵元接收到的目标信号相对1号阵元接收到的目标信号的延时，同理可知τi13与τi14的意义；ni(t)为第i号AWG处环境噪声；
对于每台AWG的四元十字阵，分别计算脉冲信号方位，根据互相关公式
Figure FDA0003601850770000021
得到第i个AWGSi1(t)、Si3(t)的时延差τi13与Si2(t)、Si4(t)的时延差τi24，τi13为1号与3号阵元接收到的脉冲信号的时延差，τi24为2号与4号阵元接收到的脉冲信号的时延差，十字阵中，信号与1、3号阵元连线夹角θi，表示为
Figure FDA0003601850770000022
Figure FDA0003601850770000023
其中d13、d24分别为1、3号阵元间距与2、4号阵元间距，c为声速，则根据如下公式得到脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i
Figure FDA0003601850770000024
Figure FDA0003601850770000025
脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i中，如果存在某时间的方位与其相邻时间点的方位均差距较大，且不符合整体方位随时间的变化趋势，则该点视为野点，该时刻检测到的信号不是目标脉冲信号，剔除此时刻检测到的信号。
2.根据权利要求1所述的基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，其特征在于所述无人艇节点包括：无人艇水下数据通信模块、无人艇GPS定位及授时模块、无人艇控制模块、无人艇数据处理模块和无人艇水面数据通信模块，
所述无人艇水下数据通信模块，用于AWG节点将接收的目标声信号、GPS信息及时间数据传输给无人艇；
所述无人艇GPS定位及授时模块用于获取无人艇的GPS位置信息及准确的时间信息；
所述无人艇控制模块包含包括无人艇船体控制单元和无人艇数据控制单元，所述无人艇船体控制单元用于控制无人艇的航行，所述无人艇数据控制单元用于控制数据的传输；
所述无人艇数据处理模块用于对AWG传输来的目标信号相关数据进行定位解算，获得目标声源的位置信息；
所述无人艇水面数据通信模块用于将解算出的目标位置信息传输至岸站进行显示。
3.根据权利要求1所述的基于多声学波浪滑翔机和水面无人艇的水下脉冲声定位系统，其特征在于所述目标位置信息通过如下步骤得到：
首先对k台AWG分别进行编号，根据AWG上装载的GPS及水听器基阵上装载的深度计得到k台AWG所连接的水听器的位置分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)…(xk，yk，zk)k台AWG的四元十字阵的1号阵元接收到的信号分别为S11(t)、S21(t)...Sk1(t)，根据互相关公式
Figure FDA0003601850770000031
将2…k号AWG接收信号分别与1号AWG的接收信号作互相关，得到AWG节点间的接收信号的时延差τ1j，j＝2...k，j代表与1号AWG接收信号作相关的节点号，τ1j为1号AWG接收信号与j号AWG接收信号之间的时延差，
建立双曲定位模型
Figure FDA0003601850770000032
其中，r1j＝cτ1j (12)
c为声速，r1j为1号AWG节点到j号AWG节点间的距离，
对非线性方程租(11)求解得到目标声源的位置坐标(x，y，z)。
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