CN110865338B - 一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，步骤1：估计信号到达时间及周期号：步骤2：选择定位周期并计算二阶时延差：步骤3：利用二阶时延差进行定位解算：根据二阶时延差信息建立定位解算方程组。可以有效提高定位精度，获得高精度的声信标位置坐标。

Description

一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法

技术领域

本发明属于声信标高精度定位的技术领域；具体涉及一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法。

背景技术

基于水下机动平台的未知周期声信标定位，指的是在未知水下声信标的信号发射时间及信号发射周期的情况下，通过单个水下机动平台在不同位置接收声信标信号从而确定水下声信标位置的技术，其场景态势图如图1所示。图中，水下机动平台沿预设航路行驶，声信标以相同的时间间隔发射声脉冲信号，水下机动平台分别在t₁、t₂、t₃、t₄时刻接收到声脉冲信号。基于水下机动平台的未知周期声信标定位具有广泛的应用前景。在民用领域，可应用于对飞机、舰船黑匣子的搜索，对遇难水下潜器的搜救等；而在军事领域，则可应用于敌方水通信号侦察、敌方浮、潜标截获等。

在基于水下机动平台的声信标定位研究领域，现有的方法主要可分为三类，即：时延信息定位、时延差信息定位及方位信息定位。其中，时延信息定位及时延差信息定位需要精确已知声信标信号周期，在信号周期估计不准或信号周期发生漂移的情况下，会造成较大的定位误差；而方位信息定位则依赖于高精度的信号到达角估计，其对系统成本、安装精度、信号处理要求均较高。因此，这三类现有的定位方法均无法实现未知周期声信标的高精度定位。

发明内容

本发明提供一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，可以有效提高定位精度，获得高精度的声信标位置坐标。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：估计信号到达时间及周期号：通过信号处理技术估计信号到达时间t₁、t₂、t₃、t₄；对于CW脉冲信号，采用Notch滤波器进行高精度信号到达时间估计；对于LFM信号，采用匹配滤波器进行高精度信号到达时间估计；通过周期号精确判别技术，去除漏警虚警，实现对信号周期号的精确估计；

步骤2：选择定位周期并计算二阶时延差：根据水下机动平台航路确定定位点距离，并依照此距离等间隔选取参与定位解算的定位周期；选取好定位周期后，计算二阶时延差信息；

步骤3：利用二阶时延差进行定位解算：根据二阶时延差信息建立定位解算方程组；由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解并最终获得声信标的位置坐标。

进一步的，所述步骤1中信号处理技术包括：

对于CW脉冲信号，采用notch滤波器估计信号到达时间，s(t)为接收信号；x_s(t)及x_c(t)为两路正交参考信号；u_s及u_c为迭代权值；y(t)为滤波器输出；ε(t)为残差输出。则信号到达时间的估计为Notch滤波器输出y(t)超过门限σ的时刻即：

对于LFM信号，采用匹配滤波器估计信号到达时间。假设声信标发射脉冲信号为g(t)，则匹配滤波器输出为：

相应的，信号到达时间为匹配滤波器输出峰值位置减去脉冲宽度，即：

式中：τ为信号脉冲宽度。

进一步的，所述步骤1为减少接收信号的周期估计误差，用以下判决逻辑以补偿漏警和虚警所引起的估计误差：

式中：α为判决门限，通常设为0.9；t_s为信号周期。

进一步的，所述步骤2具体为：在利用水下机动平台进行声信标精确定位时，通常围绕声信标行驶圆形轨迹，精度分析结果表明，当四个样本构成圆形轨迹的内接正方形时，定位精度最高；所以，所挑选的参与定位解算样本之间的轨迹距离应为：

式中：r为圆形轨迹半径，定位解算样本之间的周期号间隔应为：

式中：v为平台移动速度；

首个周期信号发射时间为t₀+t_s，则周期号为n的信号到达时间可表示为：

式中：c为水中声速；

对于周期未知声信标，t₀及t_s为未知数，无法直接通过式(7)计算不同测量点至声信标的距离d_n；因此，需计算二阶时延差以消去t₀及t_s，二阶时延差的定义为时延差的差分，即：

当采用式(6)等间隔选取样本时，即满足：n₁+n₃-2n₂＝0时，式(8)变为：

式(9)中已消去未知数t₀及t_s，该式仅包含不同测量点至声信标的距离信息，进而利用该信息构建解算方程即可实现未知周期声信标的定位解算。

进一步的，所述步骤3具体为：假设待求解的声信标水平坐标为[x_s,y_s]，其深度已知为z_s；水下机动平台在不同测量点的水平坐标由惯导系统给出为[x_n,y_n]，深度由压力传感器给出为z_n，则测量点至声信标的距离可表示为：

进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：

该方程组为非线性方程组，具体求解步骤如下：

步骤3.1：确定未知数初值：

步骤3.2：计算偏微分矩阵初值：

步骤3.3：计算函数值初值：

步骤3.4：更新未知数：

步骤3.5：更新函数值：

步骤3.6：计算残差：rⁱ＝xⁱ⁺¹-xⁱ，yⁱ＝F(xⁱ⁺¹)-F(xⁱ)；

步骤3.7：更新偏微分矩阵：

步骤3.8：重复第四步至第七步，直至两次迭代的间隔小于某一门限β；

即：(xⁱ⁺¹-xⁱ)·(xⁱ⁺¹-xⁱ)^T＜β时，停止迭代；停止迭代时未知数的数值即为声信标水平坐标的定位结果。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，可以有效提高定位精度，获得高精度的声信标位置坐标。

附图说明

图1本发明的场景态势图。

图2本发明的Notch滤波器结构图。

图3本发明的流程图。

图4本发明实施算例声信标定位结果。

图5本发明实施算例声信标定位误差。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：估计信号到达时间及周期号：通过信号处理技术估计信号到达时间t₁、t₂、t₃、t₄；对于CW脉冲信号，采用Notch滤波器进行高精度信号到达时间估计；对于LFM信号，采用匹配滤波器进行高精度信号到达时间估计；通过周期号精确判别技术，去除漏警虚警，实现对信号周期号的精确估计；

步骤2：选择定位周期并计算二阶时延差：根据水下机动平台航路确定定位点距离，并依照此距离等间隔选取参与定位解算的定位周期；选取好定位周期后，计算二阶时延差信息；

步骤3：利用二阶时延差进行定位解算：根据二阶时延差信息建立定位解算方程组；由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解并最终获得声信标的位置坐标。

进一步的，所述步骤1中信号处理技术包括：

对于CW脉冲信号，采用结构如图2所示之notch滤波器估计信号到达时间，图中s(t)为接收信号；x_s(t)及x_c(t)为两路正交参考信号；u_s及u_c为迭代权值；y(t)为滤波器输出；ε(t)为残差输出。则信号到达时间的估计为Notch滤波器输出y(t)超过门限σ的时刻即：

对于LFM信号，采用匹配滤波器估计信号到达时间。假设声信标发射脉冲信号为g(t)，则匹配滤波器输出为：

相应的，信号到达时间为匹配滤波器输出峰值位置减去脉冲宽度，即：

式中：τ为信号脉冲宽度。

进一步的，所述步骤1为减少接收信号的周期估计误差，用以下判决逻辑以补偿漏警和虚警所引起的估计误差：

式中：α为判决门限，通常设为0.9；t_s为信号周期。

进一步的，所述步骤2具体为：在利用水下机动平台进行声信标精确定位时，通常围绕声信标行驶圆形轨迹，精度分析结果表明，当四个样本构成圆形轨迹的内接正方形时，定位精度最高；所以，所挑选的参与定位解算样本之间的轨迹距离应为：

式中：r为圆形轨迹半径，定位解算样本之间的周期号间隔应为：

式中：v为平台移动速度；

首个周期信号发射时间为t₀+t_s，则周期号为n的信号到达时间可表示为：

式中：c为水中声速；

对于周期未知声信标，t₀及t_s为未知数，无法直接通过式(7)计算不同测量点至声信标的距离d_n；因此，需计算二阶时延差以消去t₀及t_s，二阶时延差的定义为时延差的差分，即：

当采用式(6)等间隔选取样本时，即满足：n₁+n₃-2n₂＝0时，式(8)变为：

式(9)中已消去未知数t₀及t_s，该式仅包含不同测量点至声信标的距离信息，进而利用该信息构建解算方程即可实现未知周期声信标的定位解算。

进一步的，所述步骤3具体为：假设待求解的声信标水平坐标为[x_s,y_s]，其深度已知为z_s；水下机动平台在不同测量点的水平坐标由惯导系统给出为[x_n,y_n]，深度由压力传感器给出为z_n，则测量点至声信标的距离可表示为：

进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：

该方程组为非线性方程组，本发明采用秩1拟牛顿迭代法对其进行求解，具体步骤如下：

步骤3.1：确定未知数初值：

步骤3.2：计算偏微分矩阵初值：

步骤3.3：计算函数值初值：

步骤3.4：更新未知数：

步骤3.5：更新函数值：

步骤3.6：计算残差：rⁱ＝xⁱ⁺¹-xⁱ，yⁱ＝F(xⁱ⁺¹)-F(xⁱ)；

步骤3.7：更新偏微分矩阵：

步骤3.8：重复第四步至第七步，直至两次迭代的间隔小于某一门限β；

即：(xⁱ⁺¹-xⁱ)·(xⁱ⁺¹-xⁱ)^T＜β时，停止迭代；停止迭代时未知数的数值即为声信标水平坐标的定位结果。

综上所述，本专利所述基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法流程图如图3所示。

实施例2

以下通过仿真算例说明本发明的实施过程。仿真参数如下：水下机动平台航迹为圆形轨迹，半径为500m，深度为100m，速度为3m/s；未知周期声信标真实坐标为[100100]m，深度为200m；声速为1500m/s，声信号接收信噪比为0dB；各输入参数估计误差为：声速估计误差1.5m/s，深度估计误差1m，惯导误差0.2％；声信标信号形式为CW信号，周期为1s。

采用本发明所涉及的定位方法对声信标进行定位，定位结果如图4所示，相应的实时定位误差如图5所示，在结果稳定后(750s后)的平均定位误差为4.92m。由图可见，本发明所涉及的定位方法能有效估计声信标位置，且定位精度较高(优于5m)，有效解决了现有方法无法实现未知周期声信标高精度定位的问题。

Claims (1)

1.一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：估计信号到达时间及周期号：通过信号处理技术估计信号到达时间t₁、t₂、t₃、t₄；对于CW脉冲信号，采用Notch滤波器进行高精度信号到达时间估计；对于LFM信号，采用匹配滤波器进行高精度信号到达时间估计；通过周期号精确判别技术，去除漏警虚警，实现对信号周期号的精确估计；

步骤2：选择定位周期并计算二阶时延差：根据水下机动平台航路确定定位点距离，并依照此距离等间隔选取参与定位解算的定位周期；选取好定位周期后，计算二阶时延差信息；

步骤3：利用二阶时延差进行定位解算：根据二阶时延差信息建立定位解算方程组；由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解并最终获得声信标的位置坐标；

所述步骤1中信号处理技术包括：

对于CW脉冲信号，采用notch滤波器估计信号到达时间，s(t)为接收信号；x_s(t)及x_c(t)为两路正交参考信号；u_s及u_c为迭代权值；y(t)为滤波器输出；ε(t)为残差输出；则信号到达时间的估计为Notch滤波器输出y(t)超过门限σ的时刻即：

对于LFM信号，采用匹配滤波器估计信号到达时间；假设声信标发射脉冲信号为g(t)，则匹配滤波器输出为：

相应的，信号到达时间为匹配滤波器输出峰值位置减去脉冲宽度，即：

式中：τ为信号脉冲宽度；

所述步骤1为减少接收信号的周期估计误差，用以下判决逻辑以补偿漏警和虚警所引起的估计误差：

式中：α为判决门限，通常设为0.9；t_s为信号周期；

所述步骤2具体为：在利用水下机动平台进行声信标精确定位时，通常围绕声信标行驶圆形轨迹，精度分析结果表明，当四个样本构成圆形轨迹的内接正方形时，定位精度最高；所以，所挑选的参与定位解算样本之间的轨迹距离应为：

式中：r为圆形轨迹半径，定位解算样本之间的周期号间隔应为：

式中：v为平台移动速度；

首个周期信号发射时间为t₀+t_s，则周期号为n的信号到达时间可表示为：

式中：c为水中声速；

对于周期未知声信标，t₀及t_s为未知数，无法直接通过式(7)计算不同测量点至声信标的距离d_n；因此，需计算二阶时延差以消去t₀及t_s，二阶时延差的定义为时延差的差分，即：

当采用式(6)等间隔选取样本时，即满足：n₁+n₃-2n₂＝0时，式(8)变为：

式(9)中已消去未知数t₀及t_s，该式仅包含不同测量点至声信标的距离信息，进而利用该信息构建解算方程即可实现未知周期声信标的定位解算；

所述步骤3具体为：假设待求解的声信标水平坐标为[x_s,y_s]，其深度已知为z_s；水下机动平台在不同测量点的水平坐标由惯导系统给出为[x_n,y_n]，深度由压力传感器给出为z_n，则测量点至声信标的距离可表示为：

进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：

该方程组为非线性方程组，具体求解步骤如下：

步骤3.1：确定未知数初值：

步骤3.2：计算偏微分矩阵初值：

步骤3.3：计算函数值初值：

步骤3.4：更新未知数：

步骤3.5：更新函数值：

步骤3.6：计算残差：rⁱ＝xⁱ⁺¹-xⁱ，yⁱ＝F(xⁱ⁺¹)-F(xⁱ)；

步骤3.7：更新偏微分矩阵：

步骤3.8：重复第四步至第七步，直至两次迭代的间隔小于某一门限β；

即：(xⁱ⁺¹-xⁱ)·(xⁱ⁺¹-xⁱ)^T＜β时，停止迭代；停止迭代时未知数的数值即为声信标水平坐标的定位结果。

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