CN111077499B - 一种应答式水下多目标定位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应答式水下多目标定位跟踪方法，采用水声信道时分复用加声脉冲堆栈技术，在应答式水声定位跟踪中，通过船载基阵查询设置每个水下目标返回的应答定位脉冲时序，集中控制多个水下目标返回的声脉冲有序到达接收端，接收端根据设定时延值进行实时修正后，带入水声定位跟踪计算，可获得水下多目标的精确位置信息，避免在接收端的定位信号叠加；且在水下多目标定位脉冲排列中设置固定或非固定的脉冲堆栈周期，解决应答式水声定位跟踪数据率受实际距离的限制，可提高跟踪数据率，并确保定位点之间的时序精度，可实现多个水下被测目标集中在相同点位情况下的水声定位跟踪。

Description

一种应答式水下多目标定位跟踪方法

技术领域

本发明属于水声定位与导航技术领域，具体涉及一种应答式水下多目标定位跟踪方法。

背景技术

超短基线水声定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离，定位原理见图1所示。如图1所示，以单个水下目标的定位跟踪为例，配套应答器/声源安装在被测水下目标上，船载超短基线阵发射询问脉冲信号(含信息流)，应答器/声源受控返回定位跟踪脉冲信号，利用接收到的方位、距离信息完成水下目标的实时定位跟踪。由于超短基线系统多个阵元集成在一个较小的基阵内，便于船载安装和携带，同时具备一定的测量精度，以及较优的经济性，在国内外水声定位跟踪市场上得到了广泛应用。特别是在非固定测试水域的水声定位跟踪应用上，占有绝对优势。

超短基线水声定位跟踪系统可采用同步式或应答式工作模式，采用同步信标工作方式，要求在水下被测目标及测量船上都安装高精度同步时钟系统，水下被测目标上安装的信标按规定的时刻定时发射声信号，船载测量设备据此完成水声定位跟踪。应答器工作方式要求在水下被测目标和测量船上都安装应答器(同时具备发射和接收功能)，采用询问-应答的方式完成水声定位跟踪。由于应答式工作模式无需同步时钟系统，对系统要求不高，因此，现有超短基线水声定位跟踪产品/设备多采用应答工作模式。

超短基线水声定位跟踪系统多采用宽带编码方式对多个水下目标进行定位跟踪，利用每个目标的唯一码值进行目标区分。国内外均有相应设备/产品，如哈尔滨工程大学的“USBL系统”、中船重工七五○场的“船位仪”、挪威kongsberg 公司的“HiPAP系列”、英国Sonardyne公司的“HPT系列”等。

在超短基线水下多目标定位跟踪方面，常规应用环境是多个水下目标分布较广，即使在同等距离上，也不会持续较长时间。因此，国内外的超短基线水声定位跟踪系统，均在多个水下声信号出现信号叠加情况下误码率骤然加大，甚至无法区分水下多目标。虽然通常情况不会出现多个水下目标信号叠加(多个水下目标在同一点位或与船载基阵的距离相同)，或者即使叠加也不会持续时间较长。但在水下无人集群的湖海试验中，多个水下被测目标(通常含1个母体和10个及以上子体)集中在一个点位进行组合与分离，这对于测量船上的超短基线水声定位跟踪系统来讲，被测的多个水下目标声信号几乎全部重叠在一起，无法精确定位，甚至无法区分不同水下目标。

综上所述，现有国内外通用的超短基线水声定位跟踪系统/产品，无法适应水下无人集群的湖海试验测试中，对集中在一个点位多个水下目标的实时定位跟踪需求。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种应答式水下多目标定位跟踪方法。

具体采用了以下设计结构及设计方案：

一种应答式水下多目标定位跟踪方法，包括以下步骤，

步骤S1：获得每个水下目标的初始位置信息以及每个水下目标初始相距的位置信息d_i计算粗调Δt_i；

步骤S2：根据步骤S1获得的粗调Δt_i，发射广播询问脉冲信号，获得每个水下目标应答实时返回的时间组Δt_i；

步骤S3：由船载基阵接收到每个水下目标的T_i和步骤S2实时获得的时间组Δt_i，计算水下目标的粗传输时延值t_i＝T_i-Δt_i；

步骤S4：将粗传输时延值t_i带入球面交汇或双曲面交汇公式获得每个水下目标的位置信息，进行点位绘制显示，并将获得的多个水下目标位置信息按照 S1步骤重新计算每个水下目标的细调Δt_i；

步骤S5：再对每个水下目标重复步骤S2-S4，实现多个水下目标定位跟踪。

优选的，所述步骤S1中的Δt_i＝Δd_i/c。

优选的，所述位置信息通过(x,y,z)描述，计算式为，

R＝c·Δt/2

x＝R sinθx

y＝R sinθy

优选的，所述t_x为远端基阵坐标系x方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值，t_y为远端基阵坐标系y方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值。

优选的，所述x、y为水下目标投影到水平面的坐标，z实际为深度，θ_x、θ_y分别为水下目标与基阵原点矢量投影夹角。

优选的，方法采用粗调Δt_i和细调Δt_i双级调制方式。

优选的，所述步骤S1、S4中应答信号粗调Δt_i和细调Δt_i由船载基阵内信号处理组件计算，并利用水声通信原理传送至水下目标，水下目标控制器接收到船载基阵命令后，实时调整自身的声脉冲信号时序。

本发明的工作原理如下：

本发明主要原理是利用水声通讯原理，首先获取水下目标的初始位置，根据初始位置计算粗调Δt_i，然后由水下基阵发射询问脉冲信号，获得每个水下目标应答实时返回的时间组Δt_i，再由水下基阵接收到每个水下目标的T_i和实时返回的时间组Δt_i计算粗传输延时值t_i，将粗传输时延值t_i带入球面交汇或双曲面交汇公式获得每个水下目标的位置信息，来获得细调Δt_i，即在传统询问信号中增加命令信息Δt_i，同时水下目标上安装的应答器(或者声源)具备接收和解算声信号功能，应答器接收到询问信号，解算控制命令，实时修改返回的定位声信号，避免在水声基阵接收端产生多个水下目标的信号叠加干扰。水声基阵接收到后，依据设定的Δt_i进行修正后，再进行定位解算，即可获得多个水下目标的真实位置信息。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明专利针对以水下无人集群为代表的新型水下平台湖海试验测试需求，解决多个水下被测目标处于同一点位，由于不同目标应答定位声信号相互叠加，无法实时精确定位，甚至无法准确区分不同水下目标的难题。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为超短基线水声定位原理示意图；

图4为湖上动态跑船多目标试验测试结果图；

图5为湖上静态船载吊放多目标试验测试结果图；

附图标号：1—船载询问；2—1号应答；3—2号应答；4—i号应答；5—1 号应答；5—母船；6—船载基阵；7—应答器；

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明。

实施例：

如说明书附图1-2所示，一种应答式水下多目标定位跟踪方法，包括以下步骤：

S1：试验前，首先需要对超短基线水声定位跟踪系统/设备进行基阵校准，得到相关校准数据，然后按照初始Δt_i(i为目标数号)为0进行应答定位跟踪，获得每个水下目标的初始位置信息，根据每个水下目标初始相距的位置信息d_i (i为目标数号)推算Δt_i(Δt_i＝Δd_i/c，c为声速)，据此完成每个水下目标的粗调Δt_i估计；

S2：船载基阵将按照S1计算的Δt_i，利用水声通信原理发射广播询问脉冲信号(船载询问)，通知并控制每个水下目标应答实时返回的时间数组Δt_i；

S3：船载基阵接收到每个水下目标的T_i(i为目标数号)，根据步骤S2设置的Δt_i修正后获得每个水下目标的粗传输时延值，即t_i＝T_i-Δt_i；

S4：利用S3步骤获得的每个水下目标粗传输时延值t_i，带入球面交汇或双曲面交汇公式，解算每个水下目标的位置信息，进行点位绘制显示，并将获得的多个水下目标位置信息按照S1步骤重新计算每个水下目标的细调Δt_i；

如说明书附图3所示，首先由超短基线阵列解算获得远端基阵坐标系x方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值t_x和远端基阵坐标系y方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值t_y，通过公式(1)和(2)获得分别获得水下目标与基阵原点矢量投影夹角，其中c为声速，L为超短基线孔径；

假设远端水声基阵查询水下应答器的水声信号时间起始点时刻为t₀，接收到应答器实时返回声信号时刻为t₁，则公式(3)中Δt＝t₁-t₀，得到水下目标与水声基阵之间的距离R；

R＝c·Δt/2 (3)

由式(1)(2)(3)获得水下目标的位置信息，

x＝R sinθx (4)

y＝R sinθy (5)

x、y为水下目标投影到水平面的坐标，z实际为深度，由于z理论计算误差受水声环境影响较大，实际z(深度)，工程上多采用水声遥测计算。

S5：对每个水下目标重复步骤S2-S4，连续定位实现多个水下目标的实时精确定位跟踪。

如说明书附图4所示，为采用该发明方法进行的实航动态跟踪结果图，可见上图同时跟踪8个水下目标。利用本专利方法，可实现多个水下目标处于相同位置(如图4中目标6214#、6212#、2814#、6213#、6210#、6213#共6个水下应答器处于同一试验船只上，处于位置相近或相同状态)的实时定位跟踪，证明该方法有效解决多目标信号叠加问题，更为可贵的是，该方法无需扩展水下极为宝贵的水声频段，即在相同频带内实现水下多目标处于相同或相近位置时的实时定位跟踪。

如说明书附图5所示，为采用该发明方法进行的静态测量(船只停航)，实时获得8个水下目标的定位跟踪结果图。而常规水声定位跟踪系统可采用时分、频分或编码方式实现多个水下目标的同时定位，对于上图所示的多个水下目标处于不同位置时是有效的，但多个水下目标处于相同或相近位置时，几乎无法准确区分多个水下目标，更难以实现多目标定位跟踪。

本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，上述实施例只是为了帮助解释和说明本发明，而不是对本发明的保护范围进行限制，只要设计与本发明的设计相同或者是只要是等同替换的都落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种应答式水下多目标定位跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤S1：获得每个水下目标的初始位置信息以及每个水下目标初始相距的位置信息di计算粗调Δt i；

步骤S2：根据步骤S1获得的粗调Δt i，发射广播询问脉冲信号，获得每个水下目标应答实时返回的时间组Δt i；

步骤S3：由船载基阵接收到每个水下目标的Ti和步骤S2实时获得的时间组Δt i，计算水下目标的粗传输时延值ti＝Ti-Δt i；

步骤S4：将粗传输时延值t i带入球面交汇或双曲面交汇公式获得每个水下目标的位置信息，进行点位绘制显示，并将获得的多个水下目标位置信息，按照S1步骤重新计算每个水下目标的细调Δt i；

步骤S5：再对每个水下目标重复步骤S2-S4，实现多个水下目标定位跟踪；

所述位置信息通过(x,y,z)描述，计算式为:

R＝c·Δt/2

x＝R sinθx

y＝R sinθy

其中：x、y为水下目标处于水声基阵坐标系下的位置坐标，

θx、θy分别为水下目标与基阵原点矢量投影夹角；

tx为远端基阵坐标系x方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值，ty为远端基阵坐标系y方向的阵元接收到的水下应答器水声信号时延值

R为水下目标与水声基阵之间的距离，c为声速，Δt为声信号应答往返时延值，

z实际为深度。

2.根据权利要求1所述的一种应答式水下多目标定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤S1中的Δt i＝Δd i/c，其中c为声速，i为目标数号，且该Δt_i为粗调Δt_i。

3.根据权利要求1所述的一种应答式水下多目标定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤S3中的粗传输时延值为ti＝Ti-Δti，其中i为目标数号。

4.根据权利要求1所述的一种应答式水下多目标定位跟踪方法，其特征在于：所述方法采用粗调Δt i和细调Δt i双级调制方式。

5.根据权利要求1或2所述的一种应答式水下多目标定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤S1、S4中应答信号粗调Δt i和细调Δt i由船载基阵内信号处理组件计算，并利用水声通信原理传送至水下目标，水下目标控制器接收到船载基阵命令后，实时调整自身的声脉冲信号时序。

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