CN111999701A - 基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统 - Google Patents

基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统，包括：水下两个目标分别传递信号到设置好的参考传感器和其余四个传感器，求解出所有时间差；将所有时间差参数乘以水下声速得到TDOA测量值，将TDOA测量值分成四组；随机从前三组分别取出一个TDOA测量值，求解出位置估计值x；从第四组随机取出一个TDOA测量值，并和前面取出的三个TDOA测量值构造定位方程，求解出位置估计值y；比较位置估计值x和位置估计值y，根据x和y的差的范数大小，确定最终的输出位置估计值。本发明能够在无法区分两个目标的声波的情况下，完成对两个目标的位置的精确估计，解决了水下双目标的情况下，难以对目标实现定位的问题。

Description

基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统
技术领域
本发明属于水下声源定位领域，具体涉及一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统。
背景技术
近年来，水下声源定位技术成为一个活跃的研究主题，被广泛应用于声纳系统、水下无线传感器网络和水下无人潜航器等诸多领域。声源定位技术可以分为到达时间、到达时间差、接收信号强度和到达角度等。
到达时间差定位技术可以在未知目标发送声波的起始时刻的情况下，利用4个以上传感器完成定位，因此成为水下声源定位的关键技术。到达时间差定位技术也可以和其他定位技术联合使用，如到达时间差与到达角度和到达时间差与到达频率差等。
但是现有的到达时间差定位技术在水下同时具有两个目标的情况时，由于单个传感器无法区分出这两种目标信号，导致难以对双目标实现定位。
所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的水下双目标定位困难的问题，提供一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法及其系统。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，包括如下步骤：
S1：水下两个目标分别传递信号到设置好的参考传感器和其余四个传感器，根据接收到的信号，通过互相关函数求解出所有时间差；
S2：将所有时间差参数乘以水下声速得到TDOA测量值，并根据除参考传感器外传感器的个数，将TDOA测量值分成四组；
S3：随机从前三组分别取出一个TDOA测量值，用取出的三个测量值构造定位方程并用最大似然估计方法求解出位置估计值x；
S4：从第四组随机取出一个TDOA测量值，并和前面取出的三个TDOA测量值构造定位方程，用最大似然估计方法求解出位置估计值y；
S5：比较位置估计值x和位置估计值y，根据x和y的差的范数大小，确定最终的输出位置估计值。
进一步的，所述步骤S1中求解出的时间差一共有十六种，具体如下：
将水下两个目标分别设定为水下目标1和水下目标2，水下目标1和水下目标2传播至参考传感器的时间分别设定为
Figure BDA0002643806480000021
和
Figure BDA0002643806480000022
其中上标表示目标编号1或2，下标表示传感器编号，参考传感器看作传感器0；水下目标1和水下目标2传播至其他四个传感器的时间分别为
Figure BDA0002643806480000023
和
Figure BDA0002643806480000024
其中i表示传感器编号，且i＝1，2，3，4；
十六种时间差组合如下。
Figure BDA0002643806480000025
进一步的，所述步骤S2具体为：
设定水下声波传播的速度为c，水下目标1和水下目标2的位置坐标为u1和u2，传感器i的位置坐标为si，参考传感器的位置坐标为s0，将方程(1)乘以声速，得到十六个TDOA测量值，具体如下：
Figure BDA0002643806480000026
式中，
Figure BDA0002643806480000027
其中i＝1，2，3，4，j，k＝1，2；
考虑目标和传感器位置坐标，传感器i和参考传感器获取的一组TDOA测量值如下：
Figure BDA0002643806480000028
除了参考传感器外，参与定位的传感器数目为四个，十六个TDOA测量值被划分为四组，每组的编号为i的取值。
进一步的，所述步骤S3中位置估计值x的求解过程为：
假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure BDA0002643806480000029
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure BDA00026438064800000210
并构造如下定位方程：
Figure BDA0002643806480000031
式中x为待求解的位置；
最大似然估计方法表示为：
Figure BDA0002643806480000032
求得位置估计值x。
进一步的，所述步骤S4中位置估计值y的求解过程为：
从第四组取出的TDOA测量值为
Figure BDA0002643806480000033
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure BDA0002643806480000034
并构造以下定位方程：
Figure BDA0002643806480000035
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解y，具体表示为。
Figure BDA0002643806480000036
进一步的，所述步骤S5中最终的输出位置估计值的确定具体如下：
如果x和y的差的范数小于设定值，则将位置估计值y作为最终的输出位置估计值，输出两次算法停止，并从前四组删除之前选中的四个TDOA测量值，回到步骤S3；
如果x和y的差的范数不小于设定值，从第四组取出另外的一个TDOA测量值，重复步骤S4，直至第四组的四个TDOA测量值被取完；如果第四组的四个TDOA测量值被取完后，x和y的差的范数仍然不小于设定值，则将前三组选择的三个TDOA测量值中替换掉一个TDOA测量值，重复步骤S3。
进一步的，所述步骤S5中x和y的差的范数比较表达式如下：
Figure BDA0002643806480000037
式中ε是设定值，一般小于1。
另外，本发明还提供一种水下双目标定位系统，所述系统包括一个参考传感器、四个传感器、存储器和处理器；
所述一个参考传感器和四个传感器，用于接收双目标传递的信号；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行权利要求1～8中任一项所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法的步骤。
有益效果：本发明与现有技术相比，利用四个传感器和一个参考传感器，利用TDOA测量值分组、位置估计值比较等技术手段，能够在无法区分两个目标的声波的情况下，完成对两个目标的位置的精确估计，解决了水下双目标的情况下，难以对目标实现定位的问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为水下双目标声波传播曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，包括如下步骤：
S1：参照图2，水下两个目标分别传递信号到设置好的参考传感器和其余四个传感器，根据接收到的信号，通过互相关函数求解出十六种时间差：
本实施例中将水下两个目标分别设定为水下目标1和水下目标2，水下目标1和水下目标2传播至参考传感器的时间分别设定为
Figure BDA0002643806480000046
和
Figure BDA0002643806480000045
，其中上标表示目标编号1或2，下标表示传感器编号，参考传感器看作传感器0；水下目标1和水下目标2传播至其他四个传感器的时间分别为
Figure BDA0002643806480000041
和
Figure BDA0002643806480000042
其中i表示传感器编号，且i＝1，2，3，4；
十六种时间差组合如下：
Figure BDA0002643806480000043
S2：将获取的十六种时间差参数乘以水下声速得到TDOA测量值，并根据除参考传感器外传感器的个数，将TDOA测量值分成四组：
本实施例中设定水下声波传播的速度为，水下目标1和水下目标2的位置坐标为u1和u2，传感器i的位置坐标为si，参考传感器的位置坐标为s0，将方程(1)乘以声速，得到十六个TDOA测量值，具体如下：
Figure BDA0002643806480000051
式中，
Figure BDA0002643806480000052
其中i＝1，2，3，4，j，k＝1，2；
考虑目标和传感器位置坐标，传感器i和参考传感器获取的一组TDOA测量值如下：
Figure BDA0002643806480000053
除了参考传感器外，参与定位的传感器数目为四个，十六个TDOA测量值被划分为四组，每组的编号为i的取值。
S3：随机从前三组分别取出一个TDOA测量值，用取出的三个测量值构造定位方程并用最大似然估计方法求解出位置估计值x：
本实施例中假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure BDA0002643806480000054
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure BDA0002643806480000055
并构造如下定位方程：
Figure BDA0002643806480000056
式中x为待求解的位置；
最大似然估计方法表示为：
Figure BDA0002643806480000057
求得位置估计值x。
S4：从第四组随机取出一个TDOA测量值，并和前面取出的三个TDOA测量值构造定位方程，用最大似然估计方法求解出位置估计值y：
本实施例中从第四组取出的TDOA测量值为
Figure BDA0002643806480000058
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure BDA0002643806480000059
并构造以下定位方程：
Figure BDA0002643806480000061
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解y，具体表示为。
Figure BDA0002643806480000062
S5：比较位置估计值x和位置估计值y，根据x和y的差的范数大小，确定最终的输出位置估计值：
本实施例中x和y的差的范数比较表达式如下：
Figure BDA0002643806480000063
式中ε是设定值，ε是一个很小的数，它一般小于1。
如果x和y的差的范数小于设定值ε，则将位置估计值y作为最终的输出位置估计值，输出两次算法停止，并从前四组删除之前选中的四个TDOA测量值，回到步骤S3；
如果x和y的差的范数不小于设定值ε，从第四组取出另外的一个TDOA测量值，重复步骤S4，直至第四组的四个TDOA测量值被取完，也就说最多判断四次；如果第四组的四个TDOA测量值被取完后，x和y的差的范数仍然不小于设定值ε，则将前三组选择的三个TDOA测量值中替换掉一个TDOA测量值，重复步骤S3。
另外，本实施例还提供一种水下双目标定位系统，系统包括一个参考传感器、四个传感器、存储器和处理器；
其中，一个参考传感器和四个传感器，用于接收双目标传递的信号；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行上述水下双目标的定位方法的步骤。

Claims (9)

1.一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：水下两个目标分别传递信号到设置好的参考传感器和其余四个传感器，根据接收到的信号，通过互相关函数求解出所有时间差；
S2：将所有时间差参数乘以水下声速得到TDOA测量值，并根据除参考传感器外传感器的个数，将TDOA测量值分成四组；
S3：随机从前三组分别取出一个TDOA测量值，用取出的三个测量值构造定位方程并用最大似然估计方法求解出位置估计值x；
S4：从第四组随机取出一个TDOA测量值，并和前面取出的三个TDOA测量值构造定位方程，用最大似然估计方法求解出位置估计值y；
S5：比较位置估计值x和位置估计值y，根据x和y的差的范数大小，确定最终的输出位置估计值。
2.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S1中求解出的时间差一共有十六种，具体如下：
将水下两个目标分别设定为水下目标1和水下目标2，水下目标1和水下目标2传播至参考传感器的时间分别设定为
Figure FDA0002643806470000013
和
Figure FDA0002643806470000014
其中上标表示目标编号1或2，下标表示传感器编号，参考传感器看作传感器0；水下目标1和水下目标2传播至其他四个传感器的时间分别为τi 1和τi 2，其中i表示传感器编号，且i＝1，2，3，4；
十六种时间差组合如下。
Figure FDA0002643806470000011
3.根据权利要求2所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：
设定水下声波传播的速度为c，水下目标1和水下目标2的位置坐标为u1和u2，传感器i的位置坐标为si，参考传感器的位置坐标为s0，将方程(1)乘以声速，得到十六个TDOA测量值，具体如下：
Figure FDA0002643806470000012
式中，
Figure FDA0002643806470000021
其中i＝1，2，3，4，j，k＝1，2；
考虑目标和传感器位置坐标，传感器i和参考传感器获取的一组TDOA测量值如下：
Figure FDA0002643806470000022
除了参考传感器外，参与定位的传感器数目为四个，十六个TDOA测量值被划分为四组，每组的编号为i的取值。
4.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S3中位置估计值x的求解过程为：
假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure FDA0002643806470000023
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure FDA0002643806470000024
并构造如下定位方程：
Figure FDA0002643806470000025
式中x为待求解的位置；
利用最大似然估计方法获取到位置估计值x，具体表示为。
Figure FDA0002643806470000026
5.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S4中位置估计值y的求解过程为：
从第四组取出的TDOA测量值为
Figure FDA0002643806470000027
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure FDA0002643806470000028
并构造以下定位方程：
Figure FDA0002643806470000029
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解y，具体表示为。
Figure FDA00026438064700000210
6.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S5中最终的输出位置估计值的确定具体如下：
如果x和y的差的范数小于设定值，则将位置估计值y作为最终的输出位置估计值，输出两次算法停止，并从前四组删除之前选中的四个TDOA测量值，回到步骤S3；
如果x和y的差的范数不小于设定值，从第四组取出另外的一个TDOA测量值，重复步骤S4，直至第四组的四个TDOA测量值被取完；如果第四组的四个TDOA测量值被取完后，x和y的差的范数仍然不小于设定值，则将前三组选择的三个TDOA测量值中替换掉一个TDOA测量值，重复步骤S3。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述步骤S5中x和y的差的范数比较表达式如下：
Figure FDA0002643806470000031
式中ε是设定值。
8.根据权利要求7所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法，其特征在于：所述ε的值小于1。
9.一种水下双目标定位系统，其特征在于：所述系统包括一个参考传感器、四个传感器、存储器和处理器；
所述一个参考传感器和四个传感器，用于接收双目标传递的信号；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行权利要求1～8中任一项所述的一种基于到达时间差的水下双目标的定位方法的步骤。
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