CN111999701B - 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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CN111999701B CN202010848229.6A CN202010848229A CN111999701B CN 111999701 B CN111999701 B CN 111999701B CN 202010848229 A CN202010848229 A CN 202010848229A CN 111999701 B CN111999701 B CN 111999701B
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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
Figure GDA0002918805230000011
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
Figure GDA0002918805230000012
S5：比较位置估计值
Figure GDA0002918805230000014
和位置估计值
Figure GDA0002918805230000013
根据
Figure GDA0002918805230000015
和
Figure GDA0002918805230000016
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 GDA00029188052300000210
和
Figure GDA0002918805230000021
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 GDA00029188052300000211
和
Figure GDA0002918805230000022
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 GDA0002918805230000023
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 GDA0002918805230000024
式中，
Figure GDA0002918805230000025
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 GDA0002918805230000026
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
Figure GDA00029188052300000212
的求解过程为：
假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure GDA0002918805230000027
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure GDA0002918805230000028
并构造如下定位方程：
Figure GDA0002918805230000029
式中x为待求解的位置；
最大似然估计方法表示为：
Figure GDA0002918805230000031
求得位置估计值
Figure GDA0002918805230000032
进一步的，所述步骤S4中位置估计值
Figure GDA0002918805230000039
的求解过程为：
从第四组取出的TDOA测量值为
Figure GDA0002918805230000033
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure GDA0002918805230000034
并构造以下定位方程：
Figure GDA0002918805230000035
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解
Figure GDA0002918805230000036
具体表示为。
Figure GDA0002918805230000037
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
Figure GDA00029188052300000310
和
Figure GDA00029188052300000311
的差的范数小于设定值，则将位置估计值
Figure GDA00029188052300000312
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
Figure GDA00029188052300000313
和
Figure GDA00029188052300000314
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，
Figure GDA00029188052300000315
和
Figure GDA00029188052300000316
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
Figure GDA00029188052300000317
和
Figure GDA00029188052300000318
的差的范数比较表达式如下：
Figure GDA0002918805230000038
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 GDA0002918805230000045
和
Figure GDA0002918805230000041
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 GDA0002918805230000046
和
Figure GDA0002918805230000042
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 GDA0002918805230000043
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 GDA0002918805230000044
式中，
Figure GDA0002918805230000051
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 GDA0002918805230000052
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
Figure GDA0002918805230000053
本实施例中假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure GDA0002918805230000054
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure GDA0002918805230000055
并构造如下定位方程：
Figure GDA0002918805230000056
式中x为待求解的位置；
最大似然估计方法表示为：
Figure GDA0002918805230000057
求得位置估计值
Figure GDA0002918805230000058
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
Figure GDA0002918805230000059
本实施例中从第四组取出的TDOA测量值为
Figure GDA00029188052300000510
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure GDA00029188052300000511
并构造以下定位方程：
Figure GDA00029188052300000512
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解
Figure GDA00029188052300000513
具体表示为。
Figure GDA00029188052300000514
S5：比较位置估计值
Figure GDA0002918805230000063
和位置估计值
Figure GDA0002918805230000061
根据
Figure GDA0002918805230000064
和
Figure GDA0002918805230000065
的差的范数大小，确定最终的输出位置估计值：
本实施例中
Figure GDA0002918805230000066
和
Figure GDA0002918805230000067
的差的范数比较表达式如下：
Figure GDA0002918805230000062
式中ε是设定值，ε是一个很小的数，它一般小于1。
如果
Figure GDA0002918805230000068
和
Figure GDA0002918805230000069
的差的范数小于设定值ε，则将位置估计值
Figure GDA00029188052300000610
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
Figure GDA00029188052300000611
和
Figure GDA00029188052300000612
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，
Figure GDA00029188052300000613
和
Figure GDA00029188052300000614
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
Figure FDA0002918805220000011
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
Figure FDA0002918805220000012
S5：比较位置估计值
Figure FDA0002918805220000013
和位置估计值
Figure FDA0002918805220000014
根据
Figure FDA0002918805220000015
和
Figure FDA0002918805220000016
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 FDA0002918805220000017
和
Figure FDA0002918805220000018
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 FDA0002918805220000019
和
Figure FDA00029188052200000110
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 FDA00029188052200000111
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 FDA00029188052200000112
式中，
Figure FDA00029188052200000113
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 FDA0002918805220000021
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
Figure FDA0002918805220000022
的求解过程为：
假设从前三组取出的TDOA测量值为
Figure FDA0002918805220000023
其中j1，j2，j3，k1，k2，k3＝1，2；
令
Figure FDA0002918805220000024
并构造如下定位方程：
Figure FDA0002918805220000025
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
Figure FDA0002918805220000026
具体表示为。
Figure FDA0002918805220000027
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
Figure FDA0002918805220000028
的求解过程为：
从第四组取出的TDOA测量值为
Figure FDA0002918805220000029
其中j4，k4＝1，2；
令
Figure FDA00029188052200000210
并构造以下定位方程：
Figure FDA00029188052200000211
式中y为待求解的位置；
利用最大似然估计方法求解
Figure FDA00029188052200000212
具体表示为。
Figure FDA00029188052200000213
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
Figure FDA0002918805220000031
和
Figure FDA0002918805220000032
的差的范数小于设定值，则将位置估计值
Figure FDA0002918805220000033
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
Figure FDA0002918805220000034
和
Figure FDA0002918805220000035
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，
Figure FDA0002918805220000036
和
Figure FDA0002918805220000037
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
Figure FDA0002918805220000038
和
Figure FDA0002918805220000039
的差的范数比较表达式如下：
Figure FDA00029188052200000310
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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