CN114578361B

CN114578361B - 水下无人平台集群水声定位导航方法

Info

Publication number: CN114578361B
Application number: CN202210185483.1A
Authority: CN
Inventors: 刘超
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2042-02-28
Also published as: CN114578361A

Abstract

本发明公开了一种基于声波吸收损失和多普勒频偏的水下无人平台集群水声定位导航方法，包括以下步骤：(1)计算出t₀和t₁时刻跟随者与领航者间距离r₀和r₁；(2)计算出t₁时刻跟随者与领航者的径向速度Δv；(3)根据跟随者与领航者间距离r₀和r₁计算t₁时刻跟随者相对于领航者舷角方位计算；(4)根据t₁时刻跟随者与领航者的径向速度Δv判断左右舷。本发明针对传统水声定位导航方法存在的设备复杂、信号处理复杂、阵列安装精度要求高、校准难度大等问题，提出一种新的声学定位导航办法，可采用简便设备，实现水面、水下运动平台间的定位和导航。

Description

水下无人平台集群水声定位导航方法

技术领域

本发明属于水声导航技术领域，具体涉及基于声波吸收损失和多普勒频偏的水下无人平台集群水声定位导航方法。

背景技术

1、传统技术的基本情况

水下声学定位导航通常采用多普勒计程(测速)仪设备或基线定位设备。

多普勒计程(测速)仪定位导航原理是，水面或水下运动平台上安装声基阵及相应的处理设备，通过向水中发射声波并接收海水或海底回波，通过信号处理得到回波信号的多普勒频移信息，从而解算出运动平台相对海水或海底的速度信息，实现对运动平台的相对位置测定。

基线定位原理是，被定位平台的声源发射信号，接收基阵中的各个基元接收信号，通过测定各个基元与声源间的距离，利用几何原理，解算出声源与接收基阵的相对位置。基阵中基元间的距离称为基线，根据基线的长度不同，水声基线定位主要分为长基线、短基线和超短基线定位三种。为了精确测量被定位平台上的声源与接收基阵上基元间距离，需要声源发射时刻与基元接收时刻进行同步。若被定位平台与接收基阵间有电信号联系，可采用电信号进行同步。若两者间无电信号联系，可在接收基阵处安装声源进行发射，被定位平台上安装应答器，采用应答方式测量声波往返时间，从而测量出被定位平台与基元间距离。声源和接收基阵安装在母平台上，应答器安装在被定位平台上，即可实现母平台对被定位平台的相对位置测量。若母平台的绝对地理位置已知，即可解算出被定位平台的绝对地理位置。

2、传统技术存在的缺点

上述两种水声定位导航方法，均存在设备复杂(声基阵需要多通道)、信号处理复杂(需要进行多阵元多波束处理)、阵列安装精度要求高、校准难度大等缺点。在水下无人平台集群中，若每个无人平台均安装高精度的多普勒计程(测速)仪或基线定位装置，则设备复杂度和成本均将大幅提升。此外，这两类定位导航设备还存在安装空间及能源需求大等缺点，但水下无人平台载荷量、设备空间和能源供给均很有限，难以满足需求传统定位导航设备需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题包括：如何利用单向单波束声脉冲信号的发射和接收处理，实现母平台和被定位平台间距离、相对速度的测量，解算出被定位平台相对母平台的位置关系，从而确定被定位平台的航行参数如何调整。

本发明的基于声波吸收损失和多普勒频偏的水下无人平台集群水声定位导航方法，包括如下步骤：

步骤1，在初始时刻t₀时，计算领航者S和跟随者R的距离r₀；领航者S和跟随者R分别航行至t₁时刻时，计算t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₁；

步骤2，计算t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv；

步骤3，根据跟随者R与领航者S间距离r₀和r₁，计算t₁时刻跟随者R相对于领航者S舷角方位；

步骤4，根据t1时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv判断左右舷。

进一步的，步骤1具体包括如下过程：

领航者S设置有发射换能器，作为发射端，分别发射出两种不同频率的脉冲声波信号，频率分别用f₁和f₂表示，跟随者R设置有水听器，作为接收端，分别接收到两种频率的脉冲声波信号，根据两种频率声波在海水介质中的吸收系数α₁和α₂值的不同，计算出领航者S和跟随者R的距离r：

其中：

RL₁：频率为f₁的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

RL₂：频率为f₂的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

α₁：频率为f₁的声波海水吸收系数，单位：dB/km；

α₂：频率为f₂的声波海水吸收系数，单位：dB/km。

根据公式(1)计算出t₀和t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₀和r₁。

进一步的，步骤2具体包括以下步骤：

由已知的领航者S发射脉冲信号的频率f₀、水中声速以及跟随者R的径向速度v_R已知，测得接收端水听器接收脉冲信号频率f，就可以计算得出领航者S相对跟随者R间的径向速度v_S及以跟随者R为参考点的两者间径向速度Δv：

其中：

f：接收水听器接收脉冲信号频率，单位：Hz；

f₀：发射换能器发射脉冲信号频率，单位：Hz；

v_R：接收端径向速度，靠近发射端时为“+”、远离发射端时为“-”，单位：m/s；

v_S：发射端径向速度，靠近接收端时为“-”、远离接收端时为“+”，单位：m/s；

c：水中声速，单位：m/s。

根据公式(2)计算出t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv。

进一步的，步骤3具体包括以下步骤：

根据测得的t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₁和t₀时刻两者间距离r₀，进行计算t₁时刻跟随者R相对于领航者S舷角π-β中β的大小：

其中：

d：d＝v₀(t₁-t₀)领航者S航行的距离，单位m；

v₀：跟随者R、领航者S从t₀时刻航行到t₁时刻的速度，单位m/s；

θ₀：跟随者R航向与t₀时刻的领航者S两者位置连线夹角，单位rad。

进一步的，步骤4包括以下步骤：

根据测得的t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₁和t₀时刻两者间距离r₀的大小关系，以及t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv判断左右舷：

(4.1)当r₁>r₀，由公式(3)计算出β，然后分别计算出左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂：

其中：

其中，R′S表示t₁时刻的跟随者R到t₀时刻的领航者S的位置连线距离；

通过计算得到的左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂与公式(2)测得的真实径向速度进行比较可以分辨左右舷。

(4.2)当r₁<r₀，由公式(3)计算出β，然后分别计算出左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂：

其中：

(4.3)当r₁＝r₀，由公式(3)计算出β，然后分别计算出左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂：

其中：

通过计算得到的左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂与公式(2)测得的真实径向速度进行比较，分辨左右舷。

有益效果：相对于传统技术，本发明利用不同频率声波在水中传播时的吸收损失大小不同，通过在水下运动平台上安装简易的单通道发射换能器和接收水听器，并发射、接收两种频率的声波信号，测量出两种频率声波信号的传播损失差异，从而计算出领航平台(发射端)和跟随平台(接收端)间的距离。同时，通过测量跟随平台接收到的声波频率相较于发射时的频率偏移，计算出领航平台(发射端)和跟随平台(接收端)间的径向速度，从而可计算出跟随平台确定自身与领航平台间的相对位置，实现定位功能，并为自身航行参数(航速、航向)的调整提供参数支撑，从而实现导航功能。

附图说明

图1是领航者(发射端)和跟随者(接收端)队形部署示意图；

图2是基于介质吸收系数α差异性的收发端距离测量示意图；

图3是基于多普勒频偏的收发端径向速度测量示意图；

图4是基于α-D原理的“领航-跟随模式”定位导航流程图；

图5是领航者S(发射端)和跟随者R1(接收端)运动态势示意图；

图6是领航者处于S′S″S″′圆弧上时跟随者舷角方位示意图；

图7是r₁>r₀时，跟随者位于领航者左右舷分析示意图；

图8是领航者处于S′S″S″′圆弧上时，跟随者调整航速和航向示意图；

图9是领航者处于S′S″″S″′圆弧上时跟随者舷角方位示意图；

图10是r₁<r₀时，跟随者位于领航者左右舷分析示意图；

图11是领航者处于S′S″″S″′圆弧上时，跟随者调整航速和航向示意图；

图12是领航者处于S′、S″′位置时跟随者舷角方位示意图；

图13是领航者处于S′、S″′位置时，跟随者位于领航者左右舷分析示意图；

图14是领航者处于S′、S″′位置时，跟随者调整航速大和航向示意图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，在水下无人平台编队集群中，母平台S作为领航平台，安装发射换能器和高精度导航装备；被定位平台R1-R8作为跟随平台，安装接收水听器。在编队集群运动过程中，母平台S作为集群领航者，根据任务规划要求，依靠自身搭载的高精度导航设备，可以调整和控制自身航速、航向等运动参数。被定位平台R1-R8作为跟随者，通过测量不同频率声波吸收损失和多普勒频偏，确定自身与领航平台的距离和相对速度关系，并推导出两者间相对态势，从而跟随领航平台调整自身航速、航向，以保证编队集群队形。

1、领航者S和跟随者R间距测量

声波在水中传播时，能量会发生损失，称之为传播损失。传播损失由几何扩展损失和介质吸收损失构成。

海水中介质吸收系数α值与声波频率有关，不同频率声波，在相同条件下的吸收损失不同。利用水中声波这一物理特性，在不知道发射和接收时刻(收发无需时间同步)情况下，可以进行声波传播距离的测量，从而确定发射端和接收端间距离。

如图2所示，领航平台S作为发射端，安装的发射换能器分别发射两种不同频率的脉冲声波信号。跟随平台R作为接收端，安装的接收端水听器分别接收两种频率的脉冲声信号，并计算分析其幅值(源级)差异，并根据两种频率声波在海水介质中的吸收系数α₁、α₂值的不同，计算出发射端S与接收端R间的距离。

式中，

RL₁：频率为f₁的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

RL₂：频率为f₂的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

SL₁：频率为f₁的脉冲信号发射源级，单位：dB；

SL₂：频率为f₂的脉冲信号发射源级，单位：dB；

TL₁：频率为f₁的脉冲信号在发射端和接收端间的传播损失，单位：dB；

TL₂：频率为f₂的脉冲信号在发射端和接收端间的传播损失，单位：dB。

由公式(1)可得：

RL₁-RL₂＝(SL₁-SL₂)+(TL₂-TL₁) (2)

在发射端控制两种频率脉冲信号的发射声源级，使SL₁＝SL₂，则公式(2)可化简为:

RL₁-RL₂＝TL₂-TL₁ (3)

两种频率的脉冲信号传播损失计算公式如下：

其中：

K：几何扩展类型的系数；

r：发射端和接收端距离，单位：m；

α₁：频率为f₁的声波海水吸收系数，单位：dB/km；

α₂：频率为f₂的声波海水吸收系数，单位：dB/km。

由于两种频率的脉冲信号几乎在相同条件下进行发射、传播和接收，因此，两者间传播损失差异主要表现在海水吸收系数不同导致的吸收损失差异，而由于几何扩展引起的损失(公式(4)中的10Klog(r)项)可认为等同。

综合公式(3)(4)以及上述分析可得：

由于海水中不同频率声波的吸收系数α值是已知的(或事先可测量得到的)，因此，只需在接收端测量出频率分别为f₁、f₂的脉冲信号源级(RL₁、RL₂)，即可根据公式(5)计算出发射端和接收端间的距离r。

2、领航者S和跟随者R间径向速度测量

如图3所示，领航者S作为发射端，安装发射换能器，发射脉冲信号，频率为f₀。跟随者R作为接收端，安装接收水听器，接收脉冲信号。声波在水中传播时，若发射端S和接收端R之间有相对位移，则声波的频率会发生改变，称为多普勒频偏。通过测量多普勒频偏的大小，可以推算出两者间径向速度大小。

接收端R靠近发射端S时，其速度v_R定义为“+”，接收端R远离发射端S时，其速度v_R定义为“-”；发射端S靠近接收端R时，其速度v_S定义为“-”，发射端S远离接收端R时，其速度v_S定义为“+”。接收端水听器接收到的脉冲信号频率f由下式决定：

其中：

f：接收水听器接收脉冲信号频率，单位：Hz；

f₀：发射换能器发射脉冲信号频率，单位：Hz；

c：水中声速，单位：m/s。

由公式(6)可知，由于发射脉冲信号的频率f₀已知、水中声速c已知、接收端R的径向速度v_R已知，只要测得接收端水听器接收脉冲信号频率f，就可以根据公式(7)计算得出发射端S相对接收端R间的径向速度v_S及以接收端为参考点的两者间径向速度Δv：

在水下无人平台编队集群中，基于不同频率声波在水介质中传播吸收损失系数α值不同、运动平台间存在径向位移导致多普勒频偏原理(简称α-D原理)进行“领航-跟随模式”定位导航的流程如图4所示。

在水下无人平台编队集群中，母平台S作为领航者，安装发射换能器和高精度导航装备；被定位平台R作为跟随者，安装接收水听器。在编队集群运动过程中，母平台作为集群领航者，根据任务规划要求，依靠自身搭载的高精度导航设备，调整和控制自身航速、航向等运动参数，并通过f₁、f₂两种频率的脉冲信号的组合，向跟随者传递自身速度大小变化情况。

被定位平台R作为跟随者，根据接收到的领航者发射的不同频率的脉冲组合信号，计算分析其自身与领航者间的距离、领航者在两次定位时间间隔内的位移，以及跟随者自身相对领航者的舷角方位。据此，跟随者不断调节自身的航速大小与航向，以与领航者保持约定队形，从而实现“领航-跟随模式”的水下无人平台编队集群定位导航。具体实现方法如下：

1、跟随者与领航者相对态势分析

如图5所示，以跟随者R₁为例，在初始时刻t₀时，领航者S和跟随者R₁的相对位置已知，间距为r₀。R₁、S分别以大小相同的速度v₀航行至t₁时刻，航行距离d＝v₀(t₁-t₀)。对于跟随者R₁来说，其自身的航速v₀大小和航向已知，因此，在t₁时刻其位置已知，设为R₁′。由于t₀时刻领航者S和跟随者R₁的相对位置已知、t₁时刻跟随者R₁的位置R₁′已知，则R₁-R₁′连线与R₁-S连线间夹角θ₀已知。

从跟随者角度观察领航者S，由于其航向未知、航速v_S已知，因此，t₁时刻领航者位于以S为圆心、航行距离d为半径的圆周(图4中红色虚线圆周)上。且可根据测得的t₁时刻领航者与跟随者间距离r₁和t₀时刻两者间距离r₀的大小关系，可以判定t₁时刻领航者处于以S为圆心、航行距离d为半径的圆周上的何处：

(a)当r₁＞r₀时：领航者处于S′S″S″′圆弧上；

(b)当r₁＜r₀时：领航者处于S′S″″S″′圆弧上；

(c)当r₁＝r₀时：领航者处于S′或S″′点位置。

2、跟随者相对于领航者距离和舷角方位计算

下面根据已知的跟随者R₁和领航者S间初始距离r₀、两者初始速度标量v₀至t₁时刻的航行距离d，以及R₁的航向与R₁-S连线间夹角θ₀，求t₁时刻跟随者R₁相对于领航者S的距离和舷角方位。

(1)t₁时刻跟随者与领航者间距离r₁测量

t₁时刻，跟随者R₁接收到领航者S发射的频率分别为f₁、f₂的双频声信号，经跟随者R₁上的接收水听器接收后，进行声-电信号转换、信号幅值提取、声源级计算，按公式(5)计算出此时跟随者R₁与领航者S间距离r₁。

(2)t₁时刻跟随者相对于领航者舷角方位计算

t₁时刻，跟随者R₁接收到领航者S发射的频率分别为f₁、f₂的双频声信号，经跟随者R₁上的接收水听器接收后，进行声-电信号转换、信号频率分析，按公式(7)计算出此时跟随者R₁与领航者S的径向速度Δv。

如图5所示，根据测得的t₁时刻跟随者R₁与领航者S间距离r₁和t₀时刻两者间距离r₀的大小关系，分别进行t₁时刻跟随者相对于领航者舷角方位分析、计算：

(a)当r₁＞r₀，领航者处于S′S″S″′圆弧上时：

如图6所示，当r₁＞r₀，领航者处于S′S″S″′圆弧上时，计算舷角π-β。首先，按以下公式计算β的大小：

由公式(8)可知：

由图6可知，t₁时刻领航者S的位置满足：领航者S与跟随者R₁间距离为r₁、R₁相对S的方位角大小满足公式(9)求出的β值两个条件，在S′S″S″′圆弧上有两处，分别为S₁″、S₂″，为进一步确定跟随者R₁处于领航者S的左舷还是右舷，需进一步测量分析。

如图7所示，从位于R₁′的跟随者角度观察，领航者处于S₁″、S₂″位置时，舷角大小不同，R₁′-S₁″、R₁′-S₂″分别连线求得的径向速度大小亦不同。因此，可根据求得的径向速度Δv₁、Δv₂与实际测得的径向速度Δv相比较，确定跟随者处于领航者左舷或右舷。

根据公式(10)(11)，求得领航者S在t₁时刻分别位于S₁″、S₂″时，与跟随者R₁的径向速Δv₁、Δv₂，再根据跟随者R₁接收并处理得到的声信号频率(含多普勒频偏)，根据公式(7)求得实际径向速度Δv，分别比较Δv与Δv₁、Δv₂大小关系，以此确定领航者S处于S₁″位置还是S₂″位置。

根据上述方法和图8所示，跟随者确定t₁时刻距领航者S的距离r₁、相对舷角方位，由此判定是否要改变自身航速大小和航向，调整自身与领航者相对态势，以保持编队集群队形。

(b)当r₁＜r₀，领航者处于S′S″″S″′圆弧上时：

如图9所示，当r₁＜r₀，领航者处于S′S″″S″′圆弧上时，首先按公式(9)计算β的大小。

如图10所示，从位于R₁′的跟随者角度观察，领航者处于S₁″″、S₂″″位置时，舷角大小不同，R₁′-S₁″″、R₁′-S₂″″分别连线求得的径向速度大小亦不同。因此，可根据求得的径向速度Δv₁、Δv₂与实际测得的径向速度Δv相比较，确定跟随者处于领航者左舷或右舷

根据公式(12)(13)，求得领航者S在t₁时刻分别位于S₁″″、S₂″″时，与跟随者R₁的径向速Δv₁、Δv₂，再根据跟随者R₁接收并处理得到的声信号频率(含多普勒频偏)，根据公式(7)求得实际径向速度Δv，分别比较Δv与Δv₁、Δv₂大小关系，以此确定领航者S处于S₁″″位置还是S₂″″位置。

根据上述方法和图11所示，跟随者确定t₁时刻距领航者S的距离r₁、相对舷角方位，由此判定是否要改变自身航速大小和航向，调整自身与领航者相对态势，以保持编队集群队形。

(c)当r₁＝r₀，领航者处于S′或S″′点位置时：

如图12所示，当r₁＝r₀，领航者处于S′或S″′点处。首先，按公式(9)计算β的大小(计算结果应是β＝θ₀，但公式(9)仍有普适性)。

如图13所示，从位于R₁′的跟随者角度观察，领航者处于S′或S″′位置时，舷角大小不同，R₁′-S′、R₁′-S″′分别连线求得的径向速度大小亦不同。因此，可根据求得的径向速度Δv₁、Δv₂与实际测得的径向速度Δv相比较，确定跟随者处于领航者左舷或右舷。

根据公式(14)(15)，求得领航者S在t₁时刻分别位于S″′、S′时，与跟随者R₁的径向速Δv₁、Δv₂，再根据跟随者R₁接收并处理得到的声信号频率(含多普勒频偏)，根据公式(7)求得实际径向速度Δv，分别比较Δv与Δv₁、Δv₂大小关系，以此确定领航者S处于S′位置还是S″′位置。

根据上述方法和图14所示，跟随者确定t₁时刻距领航者S的距离r₁、相对舷角方位，由此判定是否要改变自身航速大小和航向，调整自身与领航者相对态势，以保持编队集群队形。

实施例表明，本发明可以实现基于声波吸收损失和多普勒频偏的水下无人平台集群水声定位导航。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.基于声波吸收损失和多普勒频偏的水下无人平台集群水声定位导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在初始时刻t₀时，计算领航者S和跟随者R的距离r₀，领航者S和跟随者R分别航行至t₁时刻时，计算t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₁，具体包括如下过程：

其中：

RL₁：频率为f₁的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

RL₂：频率为f₂的脉冲信号在接收端的源级，单位：dB；

α₁：频率为f₁的声波海水吸收系数，单位：dB/km；

α₂：频率为f₂的声波海水吸收系数，单位：dB/km；

根据公式(1)计算出t₀和t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₀和r₁；

步骤2，计算出t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv，具体包括以下步骤：

其中：

f：接收水听器接收脉冲信号频率，单位：Hz；

f₀：发射换能器发射脉冲信号频率，单位：Hz；

c：水中声速，单位：m/s；

根据公式(2)计算出t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv；

步骤3，根据跟随者R与领航者S间距离r₀和r₁，计算t₁时刻跟随者R相对于领航者S舷角方位，具体包括以下步骤：

其中：

d：d＝v₀(t₁-t₀)领航者S航行的距离，单位m；

θ₀：跟随者R航向与t₀时刻的领航者S两者位置连线夹角，单位rad；

步骤4，根据t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv判断左右舷，具体包括以下步骤：根据测得的t₁时刻跟随者R与领航者S间距离r₁和t₀时刻两者间距离r₀的大小关系，以及t₁时刻跟随者R与领航者S的径向速度Δv判断左右舷：

其中：

通过计算得到的左右舷的径向速度Δv₁和Δv₂与公式(2)测得的真实径向速度进行比较可以分辨左右舷；

其中：

其中：