CN111273298B - 基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位与跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位与跟踪方法，属于海洋技术领域，所述方法利用波浪滑翔器搭载小型声学探测水听器阵形成单个探测节点，每个节点配备卫星通信模块、姿态仪与罗经。单个节点通过卫星宽带通信的方式与集控中心连接，多个节点实现远程实时组网并将单点采集信号回传集控中心，集控中心融合多个节点信号初步估计水下声学目标位置。当有效节点数不足以估计目标位置时，集控中心规划有效节点附近的其他波浪滑翔器运行轨迹，使其覆盖目标区域，从而增加目标检测的有效节点数。利用初步估计的水下声学目标位置作为目标位置的观察值，结合目标运动方程估计目标当前位置作为最终输出，从而实现水下声学目标的精确定位与跟踪。

Description

基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位与跟踪方法

技术领域

本发明属于海洋技术领域，具体为一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位与跟踪方法。

背景技术

水下声学目标定位与跟踪一直受到广泛的关注。传统水下声学目标定位通常采用大孔径接收阵实现，随着各种自主平台，包括水下自主机器人、水下滑翔机、波浪滑翔器等的发展使得分布式检测、定位与跟踪更加可行。水下自主机器人具备高精度水下导航与轨迹控制能力，但是受到水声通信的限制实现大范围多节点组网难度较大；水下滑翔机具备低噪声、长时序工作的特点，但是由于航迹控制精度差、水声通信限制，同样不适合大范围组网。自身位置的精确获取结合实时通信能力可以使得分布式检测成为可能；利用分布式节点搭载声学探测水听器阵，利用节点之间精确的同步采样可以实现大孔径的阵列的效果，从而提高水下声学目标检测几率，进而可实现水下声学目标的精确定位与跟踪。

波浪滑翔器是一种新型跨界面平台，结合了水面船体和水下牵引机的优势，可搭载卫星通信模块实现全球实时通信，基于太阳能电池优势可实现可长时序、全天候在线工作的优势。利用多套波浪滑翔器跨界面、可实时控制的优势，基于卫星通信实现多套滑翔机组网并搭载声学探测设备，通过实时规划多套滑翔机运行轨迹实现水下声学目标实时定位与跟踪。

发明内容

本发明基于卫星通信组网的波浪滑翔器搭载小型声学探测水听器阵，提出一种利用波浪滑翔器机动能力实现水下声学目标定位的策略，在次基础上结合目标运动方程利用序惯贝叶斯跟踪方法实现目标实时跟踪的方法。

本发明利用波浪滑翔器搭载小型声学探测水听器阵形成单个探测节点，每个节点配备卫星通信模块、姿态仪与罗经。单个节点通过卫星宽带通信的方式与集控中心连接，多个节点实现远程实时组网并将单点采集信号回传集控中心，集控中心融合多个节点信号初步估计水下声学目标位置。当有效节点数不足以估计目标位置时，集控中心规划有效节点附近的其他波浪滑翔器运行轨迹，使其覆盖目标区域，从而增加目标检测的有效节点数。利用初步估计的水下声学目标位置作为目标位置的观察值，结合目标运动方程估计目标当前位置作为最终输出，从而实现水下声学目标的精确定位与跟踪。

本发明通过如下技术方法实现：

一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，所述方法利用波浪滑翔器组网技术的水下定位系统来实现，所述的水下定位系统包括集控中心和K个网络节点，其中K≥1，一个网络节点包括搭载声学探测水听器阵的波浪滑翔器、GPS、卫星通信模块、姿态仪、罗经；声学探测水听器阵连接在波浪滑翔器的下方，GPS、姿态仪与罗经集成在声学探测水听器阵上；卫星通信模块为单个节点提供PPS秒脉冲、同步时钟以及双向通信能力，姿态仪与罗经确定声学探测水听器阵自身姿态与方向；单个网络节点具备水下声学目标信号检测与信号到达方位估计能力，K个节点将各自检测到的水下目标信号特征频谱与方位信息以及相应的时间戳信息、当前节点声学探测水听器阵位置信息一并通过卫星通信模块发送到集控中心；集控中心将K个节点信息融合，根据数据融合结果对各节点轨迹运行轨迹进行规划，各节点初始位置按照网格化平均分布，如图1所示，节点轨迹规划具体方法如下：

1.集控中心根据各节点回传信息首先计算各节点信号能量E_k；

2.对各节点的信号进行相关性检测，根据相关性计算有效节点数k；将相关的多个节点中能量最大节点定为当前时刻“中心点”，将所有节点能量以“中心点”为最大值进行归一化，获得归一化相关节点能量

将相应节点的归一化能量大小定义为当前节点的权重w_k；

3.判断有效节点数是否大于等于4；如果有效节点数大于等于4，则保持目前编队与运行轨迹；

4.有效节点数小于4，计算有效节点“重心”；考虑到各节点深度信息接近，只考虑水平位置，建立二维直角坐标系；各节点初始位置按照网格化均匀分布，两个方向的间距均为L，节点编号从1～K,第k个节点的坐标位置为k(x_k,y_k)；当前时刻重心计算如下

5.根据前序重心位置提取重心移动轨迹，重心移动轨迹反应了目标运动趋势，如果当前未能获得重心运行轨迹，则保持目前编队继续运行；

6.能够判断出重心移动轨迹后，集控中心对所有节点进行轨迹控制、调整；

以中心节点为中心，半径1.5L范围内的节点以重心移动方向为主方向，同时向中心点靠拢；这一部分节点运行轨迹调整的上限为各节点之间的安全距离，这一距离由波浪滑翔器的控制精度与水下拖曳声学探测水听器阵的长度共同决定，节点之间运行轨迹的最小距离为二者之和；中心点半径1.5L以外的节点按照重心移动方向运行，保持距离，以应对目标机动造成的跟踪失效；

7.运行过程中同时进一步计算各节点能量，判断有效节点数是否增加并且大于等于4；如果满足条件，则保持目前的编队，以重心移动方向统一运动；如果不满足条件，继续按照步骤4、5、6计算、调整，指导满足条件为止，结束节点路径规划，保持编队阵型，更新L，进入下一步；

8.持续接收目标信号并回传，集控中心根据多个有效节点获得的目标信号到达角度信息，利用三角定位或双曲线定位方法估计目标当前位置，作为当前位置P₀。

每个节点的声学探测水听器阵自身相对位置的精确估计采用基于脉冲信号到达时间差与脉冲信号到达角度的方法实现；声学探测水听器阵与波浪滑翔器水面船体之间采样有线方式连接，水面船体下方安装声学发射换能器，按一定周期发射已知宽带信号，宽带信号有助于时延估计；发射换能器在同步脉冲信号控制下发射信号，发射换能器发射信号的同时该脉冲信号通过连接声学探测水听器阵与水面船体的有线电缆被发送到声学探测水听器阵端，声学探测水听器阵端收到该同步脉冲信号后同步启动各声学探测水听器的信号采集。声学探测水听器阵端的信号采集系统计算发射换能器所发射信号到达声学探测水听器阵的时间与脉冲信号的时间差Δt_k，根据测量获得的表层声速以及拖曳深度处的平均声速

第k个波浪滑翔器节点的声学探测水听器阵与发射换能器之间的距离

此处根据表层声速与声学探测水听器阵的拖曳深度处的声速差异判断是否需要进行声速修正，利用射线追踪等方法修正距离

的计算，从而提高估计精度。当声速差较小时可以采用表层声速代替平均声速进行计算；

脉冲信号到达角度θ_ksa的估计根据不同的声学探测水听器阵型采用不同的方法，包括通用的时延估计方法与空间波束形成。

第k个节点的波浪滑翔器水面船体的空间绝对位置z_k通过GPS或北斗获得，将该节点拖曳的声学探测水听器阵自身相对位置

叠加到水面船体的空间绝对位置z_k后获得当前声学探测水听器阵的空间绝对位置

依此方法分别计算当前时刻K个节点相应声学探测水听器阵的空间绝对位置

单个波浪滑翔器节点拖曳的声学探测水听器阵检测目标信号，并利用时延估计方法与空间波束形成方法实现水下声学目标空间方位角估计，该方位角为目标与声学探测水听器阵的相对角度。估计出水下声学目标空间方位角后与声学探测水听器阵集成的罗经信息进行融合，获得水下声学目标的最终空间方位角；将当前时刻获得的目标信号到达时刻、声学探测水听器阵的空间绝对位置、目标信号特征频谱、水下声学目标的最终空间方位角信息通过卫星通信发送回集控中心，集控中心判断多个节点信号的相关性，根据相关性判断有效节点数；当有效节点数小于4时，按前述图1策略规划其他节点轨迹，同时进一步保持判断有效节点；当有效节点数≥4以后，结束节点路径规划，保持编队阵型，这一过程中持续接收目标信号并回传，集控中心根据多个有效节点获得的目标信号到达角度信息，利用三角定位或双曲线定位方法估计目标当前位置P₀。

进一步，所述单个网络节点，声学探测水听器阵通过波浪滑翔器水下牵引机拖曳，中间采用由浮子和铅坠组成的“M”型缓冲拖曳缆，拖曳缆至少采用2～3节浮子与铅坠，以降低波浪滑翔器前进过程中的不连续运动导致声学探测水听器阵抖动引入的流噪声以及其他机械噪声；GPS集成于波浪滑翔器水面船体上；姿态仪与罗经集成于声学探测水听器阵之上；声学探测水听器阵与水下牵引机之间的距离根据水下牵引机本体噪声级进行调整，确保水下牵引机舵机、翼板旋转的机械噪声不被声学探测水听器阵接收到。随着波浪滑翔器技术改进，本体噪声的降低，这一拖曳距离可以相应调整。

进一步，所述的步骤6中同时向中心点靠拢的方法为：将各节点与中心点连线，指向中心点获得一个运行矢量；取该矢量与重心运动矢量的平均作为该区域内节点运动的方向，如图4所示。

进一步，声学探测水听器阵可采用8元或多元、多条平行布放的线阵、“复合双椭球螺旋线阵”、圆球阵或圆柱阵等体积阵，只要声学探测水听器阵具备空间三维角度估计能力即可。

进一步，声学探测水听器阵需保持一定深度以降低海面噪声影响，同时要根据实际环境声速梯度调整，避开温跃层影响。

本发明还提供一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标的追踪方法，所述方法如下：

以目标当前位置P₀作为当前时刻追踪方法的输入量，即当前时刻目标位置的观察值y_n；

根据待观察水下目标运动特性建立目标的运动方程，x_n＝f(x_n-1,v_n)，其中x_n-1为目标前一时刻的目标位置估计，x_n为当前时刻的目标位置估计值，f为目标运动方程，是随时间/空间变化的线性/非线性函数，表征目标运行轨迹变化的规律，v_n为动力学噪声；

同时，建立当前位置估计值与当前位置测量值y_n之间的测量方程，y_n＝h(x_n,w_n)，其中h为测量方程，是随时间/空间变化的线性/非线性函数，表征目标当前位置估计值与当前位置测量值之间的关系，x_n为当前时刻的目标位置估计值，w_n是测量噪声；以上两个方程共同构成目标位置估计的状态-空间模型，如下所示：

状态-空间模型采用序惯贝叶斯滤波进行计算，包括卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器和质点滤波器，通过序惯贝叶斯滤波器最终获得当前时刻的目标位置的最终估计值x_n，从而实现对水下目标的定位与跟踪。

本发明与现有技术相比的有益效果：

现有技术基于多声学波浪滑翔机实现水下目标定位，重点集中在通过多个波浪滑翔器实现对水下脉冲声单次定位算法，利用了包括能量检测与双曲线定位等成熟方法。与现有方法相比，本发明提出了一种波浪滑翔器节点轨迹规划策略。当波浪滑翔器拖曳的声学探测水听器阵获取到水下声学目标有效信号的节点数量不足时，需要对水面的波浪滑翔器节点进行轨迹规划，通过本发明提出的规划策略可以有效增加目标的可观测性。此外，水下目标运动轨迹通常可以通过一定的运动方程来描述，本发明将序惯贝叶斯滤波方法应用到基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标跟踪中，将当前时刻直接计算的结果作为观察值，结合目标运动方程利用通过序惯贝叶斯滤波更新目标位置，提高了目标位置的精确度与连续性，降低了目标位置连续观测过程中的跳点现象。

附图说明

图1节点路径规划策略；

图2系统总体结构示意图；

图3实施流程图；

图4单节点波浪滑翔机拖曳声学探测水听器接收阵示意图；

图5水平声学探测水听器阵方位角估计示意图；

图6节点规划二维直角坐标系；

图7半径1.5L范围内节点矢量控制方向。

具体实施方式

下面假设目标运动可以通过线性方程描述，由12套波浪滑翔器节点组成的观测网络进行水下声学目标定位与跟踪，每个波浪滑翔器节点拖曳一套8元声学探测水听器阵，所需系统构成如图2所示。采取扩展卡尔曼滤波器作为序惯贝叶斯跟踪的一种方法对本发明的方法进一步解释，但是本发明的保护范围不受实例任何形式上的限制，整个实施流程见图3，其中节点航迹规划按照图1进行。

一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位与跟踪方法，所述方法包括水下声学目标定位与跟踪方法。所述定位方法初始输出基于传统三角定位或双曲线定位方法实现，每个节点配备GPS、北斗通信模块或铱星通信模块等卫星通信模块、姿态仪与罗经，卫星通信模块为单个节点提供PPS秒脉冲、同步时钟以及双向通信能力，姿态仪与罗经确定声学探测水听器阵自身姿态与方向。单个节点具备水下声学目标信号检测与信号到达方位估计能力，K个节点将各自检测到的水下目标信号特征频谱与方位信息以及相应的时间戳信息、当前节点声学探测水听器阵位置信息一并通过卫星通信模块发送到集控中心。

所述单个波浪滑翔机节点如图4所示，声学探测水听器阵通过波浪滑翔器水下牵引机拖曳，中间采用由浮子和铅坠等组成的“M”型缓冲拖曳缆，拖曳缆至少采用2～3节浮子与铅坠，以降低波浪滑翔器前进过程中的不连续运动导致声学探测水听器阵抖动引入的流噪声以及其他机械噪声。声学探测水听器阵可采用多元面阵、多条平行布放的线阵、“复合双椭球螺旋线阵”、圆球阵或圆柱阵等体积阵，只要声学探测水听器阵具备空间三维角度估计能力即可，姿态仪与罗经集成于声学探测水听器阵之上。声学探测水听器阵需保持一定深度以降低海面噪声影响，同时要根据实际环境声速梯度调整，避开温跃层影响。声学探测水听器阵与水下牵引机之间的距离根据水下牵引机本体噪声级进行调整，确保水下牵引机舵机、翼板旋转的机械噪声不被声学探测水听器阵接收到。根据目前海上试验验证结果，拖曳距离大于50米可以确保声学探测水听器阵接收不到波浪滑翔器所产生的机械噪声。随着波浪滑翔器技术改进，本体噪声的降低，这一拖曳距离可以相应调整。

声学探测水听器阵自身位置的精确估计采用基于信号到达时间差与信号到达角度的方法实现。声学探测水听器阵与波浪滑翔器水面船体之间采样有线方式连接，水面船体下方安装声学发射换能器，按一定周期发射已知信号，例如：线性调频信号或M序列等人造信号。发射换能器在同步脉冲信号控制下发射信号，发射换能器发射信号的同时该脉冲信号通过连接声学探测水听器阵与水面船体的有线电缆被发送到声学探测水听器阵端，声学探测水听器阵端收到该同步脉冲信号后同步启动各声学探测水听器的信号采集。声学探测水听器阵端的信号采集系统计算发射换能器所发射信号到达声学探测水听器阵的时间与脉冲信号的时间差Δt_k，根据测量获得的表层声速以及拖曳深度处的平均声速

计算第k个波浪滑翔器节点声学探测水听器阵与发射换能器之间的距离

此处可以根据表层声速与声学探测水听器阵的拖曳深度处的声速差异判断是否需要进行声速修正，可以利用射线追踪等方法修正距离r的计算，从而提高估计精度。当声速差较小时可以采用表层声速代替平均声速进行计算。

信号到达角度估计根据不同的声学探测水听器阵型采用不同的方法，包括通用的时延估计方法与空间波束形成等。此处给出图4所示8元声学探测水听器布置成“十字交叉阵”作为单个节点的声学探测水听器阵的角度计算方法，信号俯仰角与方位角可以分别通过两个方向的四个声学探测水听器获得。此处以方位角估计为例，俯仰角估计方法相同。考虑到波浪滑翔器拖曳能力限制以及阵姿态保持能力，声学探测水听器接收阵采用小孔径接收阵，十字布置的声学探测水听器阵元间距d≤1m。考虑声学发射换能器与声学探测水听器阵的距离以及发射信号频率、阵元间距三者的关系，声源距离按照远场计算。将声源与水平的四个声学探测水听器阵元简化到一个几何平面，几何关系如图5所示。四个声学探测水听器分别编号为1～4，其中1号与2号之间的距离与3号与4号之间的距离均为d₁，1号与4号之间的距离为d。d₁应小于或等于水面船体发射换能器发射信号中心频率信号的半波长，d应大于或等于8*d₁。信号到达方位角初步估计采用1号与4号声学探测水听器的信号，计算信号到达时延

然后估计信号到达角度

其中

为第k个节点的声学探测水听器阵水平方向1号与4号阵元之间信号到达的时延，c_a为声学探测水听器阵深度处的声速，d为1号与4号阵元间距。获得角度初步估计值以后，分别将1号与2号声学探测水听器组成的2元小阵与3号和4号声学探测水听器组成的2元小阵做波束形成，波束相控角指向

再将1、2号波束形成结果和3、4号波束形成结果做时延估计τ_kd，此时两个信号之间的阵元间距变为d-d₁，再次计算获得信号到达角度为

通过两次迭代计算可有效提高信号到达角度估计精度。

第k个节点的波浪滑翔器水面船体的空间绝对位置z_k可以通过GPS或北斗获得，该节点拖曳的声学探测水听器阵自身相对位置关系

叠加到水面船体的空间绝对位置z_k后获得当前声学探测水听器阵的空间绝对位置

依此方法分别计算当前时刻K个节点相应声学探测水听器阵的空间绝对位置

所有节点实时检测水下声学目标信号。按固定时间周期向集控中心发送信息，包括：节点编号、目标信号到达时刻、声学探测水听器阵空间绝对位置、目标信号特征频谱、水下声学目标的最终空间方位角；

集控中心将K个节点信息融合，规划各节点运行轨迹，规划流程如图1所示。各节点初始状态按照平面网格状均匀编队运行；集控中心根据接收到的各个节点数据进行路径规划，规划出所有K个波浪滑翔器节点后续的航迹，节点轨迹规划具体方法如下：

1、集控中心规划出所有K个波浪滑翔器节点的航迹，各节点保持好距离按照平面网格状均匀编队，节点之间初始间距L＝1000米，按预定轨迹在观测范围运行；

2、集控中心对当前n时刻K个波浪滑翔器节点回传的信号进行相关性处理分析，对各节点的信号进行相关性检测，根据相关性计算有效节点数k。将相关的多个节点中能量最大节点定为当前时刻“中心点”，将所有节点能量以“中心点”为最大值进行归一化，获得归一化相关节点能量

将相应节点的归一化能量大小定义为当前节点的权重w_k；

3、判断有效节点数是否大于等于4。如果有效节点数大于等于4，则保持目前编队与运行轨迹；

4、有效节点数小于4，计算有效节点“重心”。如图6中，系统各节点俯视图投影到二维直角坐标系中，各节点初始位置按照网格化均匀分布，两个方向的间距均为1000米，节点编号从1～12,第k个节点的坐标位置为k(x_k,y_k)。假设如图6中，节点5坐标位置为(0,0)，归一化能量为0.4；4号节点坐标位置为(0,-1000)，当前检测到的信号能量最大，归一化后为1，定为当前时刻的“中心点”，其余节点相关能量均为0。当前时刻重心计算如下

5、根据前序重心位置提取重心移动轨迹，重心移动轨迹反应了目标运动趋势，如果当前未能获得重心运行轨迹，则保持目前编队继续运行；

6、保持运行轨迹，根据多个时刻数据判断出重心移动轨迹，集控中心对所有节点进行轨迹控制、调整。以中心节点为中心，半径1.5L范围内的节点以重心移动方向为主方向，同时向中心点靠拢，包括节点2、3、8、9。以节点8为例，如图7所示，将各节点与中心点连线，指向中心点获得一个运行矢量；取该矢量与重心运动矢量的平均作为该区域内节点运动的方向。这一部分节点运行轨迹调整的上限为各节点之间的安全距离，此处设置最小距离为100米。中心点半径1.5L以外的节点，包括节点1、6、7、10、11、12按照重心移动方向运行，保持距离，以应对目标机动造成的跟踪失效。

7、运行过程中同时进一步计算各节点能量，判断有效节点数是否增加并且大于等于4。如果满足条件，则保持目前的编队，以重心移动方向统一运动。如果不满足条件，继续按照前序步骤计算、调整，指导满足条件为止，结束节点路径规划，保持编队阵型，更新L，进入下一步。

8、集控中心根据当前n时刻收到的有效节点数据，利用三角定位或双曲线定位方法估计水下声学目标初步位置P_n；

通过采取扩展卡尔曼滤波器作为序惯贝叶斯跟踪的一种方法对本发明的方法进一步解释，具体如下：

1)以目标当前位置P₀作为当前时刻追踪方法的输入量，即当前时刻目标位置的观察值y_n。根据先验知识建立水下声学目标的运动方程，

其中

为目标前一时刻即n-1时的目标位置估计值，

为当前时刻的目标位置估计值，v_n为动力学噪声。假设目标运行轨迹可以用线性方程表述，过程噪声服从零均值高斯分布白噪声。根据观察值向量y_n与目标位置估计值

之间的关系建立测量方程

w_n假设为服从零均值高斯分布白噪声；

2)计算雅克比矩阵

3)根据前一时刻目标位置的跟踪结果

以及运动方程预测当前时刻目标位置：

4)计算估计误差协方差矩阵：

其中Q_n为过程噪声的协方差矩阵；

5)计算Kalman增益：

6)当前时刻目标位置与估计误差更新：

7)输出当前水下声学目标位置跟踪结果：

8)下一时刻即n+1时刻如果数据有效，则重复步骤1)获取观察值向量y_n+1；如果数据无效，则重复步骤1，直到数据有效。再根据当前结果

重复步骤3)直到步骤7)获得n+1时刻目标位置跟踪结果

依次类推。

Claims (7)

1.一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，其特征在于所述方法利用波浪滑翔器组网技术的水下定位系统来实现，所述的水下定位系统包括集控中心和K个网络节点，其中K≥1，一个网络节点包括搭载声学探测水听器阵的波浪滑翔器、GPS、卫星通信模块、姿态仪、罗经；声学探测水听器阵连接在波浪滑翔器的下方，GPS、姿态仪与罗经集成在声学探测水听器阵上；卫星通信模块为单个节点提供PPS秒脉冲、同步时钟以及双向通信能力，姿态仪与罗经确定声学探测水听器阵自身姿态与方向；单个网络节点具备水下声学目标信号检测与信号到达方位估计能力，K个节点将各自检测到的水下目标信号特征频谱与方位信息以及相应的时间戳信息、当前节点声学探测水听器阵位置信息一并通过卫星通信模块发送到集控中心；集控中心将K个节点信息融合，根据数据融合结果对各节点轨迹运行轨迹进行规划，各节点初始位置按照网格化平均分布，节点轨迹规划具体方法如下：

1)集控中心根据各节点回传信息首先计算各节点信号能量E_k；

2)对各节点的信号进行相关性检测，根据相关性计算有效节点数k；将相关的多个节点中能量最大节点定为当前时刻“中心点”，将所有节点能量以“中心点”为最大值进行归一化，获得归一化相关节点能量

将相应节点的归一化能量大小定义为当前节点的权重w_k；

3)判断有效节点数是否大于等于4；如果有效节点数大于等于4，则保持目前编队与运行轨迹；

4)有效节点数小于4，计算有效节点“重心”；考虑到各节点深度信息接近，只考虑水平位置，建立二维直角坐标系；各节点初始位置按照网格化均匀分布，两个方向的间距均为L，节点编号从1～K,第k个节点的坐标位置为k(x_k,y_k)；当前时刻重心计算如下

5)根据前序重心位置提取重心移动轨迹，重心移动轨迹反应了目标运动趋势，如果当前未能获得重心运行轨迹，则保持目前编队继续运行；

6)能够判断出重心移动轨迹后，集控中心对所有节点进行轨迹控制、调整；以中心节点为中心，半径1.5L范围内的节点以重心移动方向为主方向，同时向中心点靠拢；这一部分节点运行轨迹调整的上限为各节点之间的安全距离，这一距离由波浪滑翔器的控制精度与水下拖曳声学探测水听器阵的长度共同决定，节点之间运行轨迹的最小距离为二者之和；中心点半径1.5L以外的节点按照重心移动方向运行，保持距离，以应对目标机动造成的跟踪失效，L与步骤4)中的L意思相同；

7)运行过程中同时进一步计算各节点能量，判断有效节点数是否增加并且大于等于4；如果满足条件，则保持目前的编队，以重心移动方向统一运动；如果不满足条件，继续按照步骤4)、5)、6)计算、调整，指导满足条件为止，结束节点路径规划，保持编队阵型，更新L，进入下一步，L与步骤4)中的L意思相同；

8)持续接收目标信号并回传，集控中心根据多个有效节点获得的目标信号到达角度信息，利用三角定位或双曲线定位方法估计目标当前位置，作为当前位置P₀。

2.根据权利要求1所述的一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，所述单个网络节点，声学探测水听器阵通过波浪滑翔器水下牵引机拖曳，中间采用由浮子和铅坠组成的“M”型缓冲拖曳缆，拖曳缆至少采用2～3节浮子与铅坠，以降低波浪滑翔器前进过程中的不连续运动导致声学探测水听器阵抖动引入的流噪声以及其他机械噪声；GPS集成于波浪滑翔器水面船体上；姿态仪与罗经集成于声学探测水听器阵之上；声学探测水听器阵与水下牵引机之间的距离根据水下牵引机本体噪声级进行调整，确保水下牵引机舵机、翼板旋转的机械噪声不被声学探测水听器阵接收到。

3.根据权利要求1所述的一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，所述的步骤6)中同时向中心点靠拢的方法为：将各节点与中心点连线，指向中心点获得一个运行矢量；取该矢量与重心运动矢量的平均作为区域内节点运动的方向。

4.根据权利要求1所述的一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，声学探测水听器阵可采用8元或多元、多条平行布放的线阵、“复合双椭球螺旋线阵”、圆球阵或圆柱阵，只要声学探测水听器阵具备空间三维角度估计能力即可。

5.根据权利要求1所述的一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，声学探测水听器阵需保持一定深度以降低海面噪声影响，同时要根据实际环境声速梯度调整，避开温跃层影响。

6.根据权利要求1所述的一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法，所述步骤8)当前位置P₀的确定方法如下：每个节点的声学探测水听器阵自身相对位置的精确估计采用基于脉冲信号到达时间差与脉冲信号到达角度的方法实现；水面船体下方安装声学发射换能器，按一定周期发射已知宽带信号；发射换能器在同步脉冲信号控制下发射信号，发射换能器发射信号的同时该脉冲信号通过连接声学探测水听器阵与水面船体的有线电缆被发送到声学探测水听器阵端，声学探测水听器阵端收到该同步脉冲信号后同步启动各声学探测水听器的信号采集；声学探测水听器阵端的信号采集系统计算发射换能器所发射信号到达声学探测水听器阵的时间与脉冲信号的时间差Δt_k，根据测量获得的表层声速以及拖曳深度处的平均声速

第k个波浪滑翔器节点的声学探测水听器阵与发射换能器之间的距离

此处根据表层声速与声学探测水听器阵的拖曳深度处的声速差异判断是否需要进行声速修正，利用射线追踪方法修正距离

的计算，从而提高估计精度；当声速差较小时采用表层声速代替平均声速进行计算；

脉冲信号到达角度θ_ksa的估计根据不同的声学探测水听器阵型采用不同的方法，包括通用的时延估计方法与空间波束形成；

第k个节点的波浪滑翔器水面船体的空间绝对位置z_k通过GPS或北斗获得，将该节点拖曳的声学探测水听器阵自身相对位置

叠加到水面船体的空间绝对位置z_k后获得当前声学探测水听器阵的空间绝对位置

依此方法分别计算当前时刻K个节点相应声学探测水听器阵的空间绝对位置

单个波浪滑翔器节点拖曳的声学探测水听器阵检测目标信号，并利用时延估计方法与空间波束形成方法实现水下声学目标空间方位角估计，该水下声学目标空间方位角为目标与声学探测水听器阵的相对角度；估计出水下声学目标空间方位角后与声学探测水听器阵集成的罗经信息进行融合，获得水下声学目标的最终空间方位角；将当前时刻获得的目标信号到达时刻、声学探测水听器阵空间绝对位置、目标信号特征频谱、水下声学目标的最终空间方位角信息通过卫星通信发送回集控中心，集控中心判断多个节点信号的相关性，根据相关性判断有效节点数；当有效节点数小于4时，按所述步骤4)、步骤5)、步骤6)的策略规划其他节点轨迹，同时进一步保持判断有效节点；当有效节点数≥4以后，结束节点路径规划，保持编队阵型，这一过程中持续接收目标信号并回传，集控中心根据多个有效节点获得的目标信号到达角度信息，利用三角定位或双曲线定位方法估计目标当前位置P₀。

7.利用权利要求1－6任何一项所述一种基于波浪滑翔器组网技术的水下声学目标定位方法后对目标的追踪方法，所述方法如下：

以所述的目标当前位置P₀作为当前时刻追踪方法的输入量，即当前时刻目标位置的观察值y_n；

根据待观察水下目标运动特性建立目标的运动方程，x_n＝f(x_n-1,v_n)，其中x_n-1为目标前一时刻的目标位置估计，x_n为当前时刻的目标位置估计值，f为目标运动方程，是随时间/空间变化的线性/非线性函数，表征目标运行轨迹变化的规律，v_n为动力学噪声；

同时，建立当前位置估计值与当前位置测量值y_n之间的测量方程，y_n＝h(x_n,w_n)，其中h为测量方程，是随时间/空间变化的线性/非线性函数，表征目标当前位置估计值与当前位置测量值之间的关系，x_n为当前时刻的目标位置估计值，w_n是测量噪声；以上两个方程共同构成目标位置估计的状态-空间模型，如下所示：

状态-空间模型采用序惯贝叶斯滤波进行计算，包括卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器和质点滤波器，通过序惯贝叶斯滤波器最终获得当前时刻的目标位置的最终估计值x_n，从而实现对水下目标的定位与跟踪。

Images