CN114791588A - 一种水声脉冲定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水声脉冲定位方法及系统，通过联合UUV和水下平台的测量信息进行定位，包括：采集UUV的第一位置坐标和水下平台的第二位置坐标；根据水下平台接收的主动脉冲信号，确定主动脉冲信号的指向角；采集UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取脉冲直达波信号和脉冲散射波信号的声程差；基于第一位置坐标、第二位置坐标，根据指向角和声程差，对脉冲发射位置进行定位，本发明充分利用水下平台和UUV的协同通信能力，联合了UUV和水下平台的测量信息，实现了对水声脉冲的迅速定位。

Description

一种水声脉冲定位方法及系统
技术领域
本发明涉及水声定位技术领域，具体而言，涉及一种水声脉冲定位方法。
背景技术
水声脉冲是极为重要的一类水声信号，在海洋测绘、海洋地质考察、鱼群探测等领域应用广泛。在军事领域中，水声脉冲常用于目标探测、定位、通信、导航、识别等，为了应对敌方侦察脉冲对水下平台的探测威胁，脉冲被动定位显得格外重要。当前，对于水声脉冲被动定位，常见的定位方法有长基线(LBL)、短基线(SBL)、超短基线(USBL)、匹配场处理(MFP)、三元阵被动定位技术等，其中长基线、短基线、超短基线定位技术一般是根据信标发射脉冲进行合作定位，且多以应答式工作为主，不适应于未知脉冲的定位。匹配场定位技术可以对未知脉冲定位，但是受海洋环境影响较大，在水声环境先验知识不足的情况下，会出现定位失配；三元阵被动定位技术受水声环境影响小，但是对阵元安装精度要求高，且在远距离和大方位条件下测距效果差。除以上常见的脉冲定位方法外，目标运动分析(TMA)也可被用来对脉冲定位，该方法需要连续测量脉冲的方位或者频率等参数，对发射脉冲的目标运动状态分析，但需要一定时间的数据积累和足够准确的脉冲方位才能给出收敛结果，相比之下效率较低。
UUV在未来水下信息战中扮演着重要作用，可完成水下探测、侦察、对抗等任务，UUV可通过水声通信方式将收集的水下信息发送至水下平台。当水下平台和UUV协同执行任务时，常遭受敌方主动声纳发射的水声脉冲探测，若仅依赖水下平台自身的水声传感器，利用现有方法很难实现对水声脉冲的迅速定位，因此，急需一种水声脉冲定位方法及系统，来解决当水下平台和UUV协同时存在的技术问题。
发明内容
针对水下平台对主动水声脉冲定位难的问题，本发明的目的是提供一种水声脉冲定位方法及系统，当水下平台受到主动脉冲探测时，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位。
为了实现上述技术目的，本申请提供了一种水声脉冲定位方法，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括以下步骤：
采集UUV的第一位置坐标和水下平台的第二位置坐标；
根据水下平台接收的主动脉冲信号，确定主动脉冲信号的指向角；
采集UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取脉冲直达波信号和脉冲散射波信号的声程差，其中，脉冲散射波信号用于表示经过水下平台散射后的脉冲信号；
基于第一位置坐标、第二位置坐标，根据指向角和声程差，对脉冲发射位置进行定位。
优选地，在采集第一位置坐标和第二位置坐标的过程中，根据第一位置坐标和第二位置坐标，以UUV和水下平台的连线方向为X轴，以连线的中点为坐标原点，建立直角坐标系。
优选地，在确定指向角的过程中，基于直角坐标系，获取主动脉冲信号的波束形成得到主动脉冲，与X轴的夹角作为指向角。
优选地，在获取第二到达时间的过程中，采集主动脉冲信号达到水下平台的第三到达时间，以及脉冲散射波信号到达UUV的第四达到时间；
根据第三到达时间和第四达到时间，生成第二到达时间。
优选地，在获取声程差的过程中，声程差的表达式为：
Δr＝C(t2-t1)
其中，Δr表示声程差，t1表示第一到达时间，t2表示第二到达时间，C表示声速。
优选地，在对脉冲发射位置进行定位的过程中，根据第一位置坐标、第二位置坐标、指向角、声程差，生成水下平台到脉冲发射位置的直线距离；
根据直线距离、第一位置坐标、指向角，生成脉冲发射位置的第三位置坐标。
优选地，在生成直线距离的过程中，直线距离的表达式为：
Figure BDA0003639763000000031
其中，r表示直线距离，θ表示指向角，d表示UUV与水下平台的连线距离，(x1，y1)表示第一位置坐标，(x2，y2)表示第二位置坐标。
优选地，在生成第三位置坐标的过程中，第三位置坐标的表达式为：
Figure BDA0003639763000000032
本发明公开了一种水声脉冲定位系统，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括：
数据采集模块，用于采集UUV的第一位置坐标和水下平台的第二位置坐标；
指向角生成模块，用于根据水下平台接收的主动脉冲信号，确定主动脉冲信号的指向角；
声程差计算模块，用于通过采集UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取脉冲直达波信号和脉冲散射波信号的声程差，其中，脉冲散射波信号用于表示经过水下平台散射后的脉冲信号；
定位模块，用于基于第一位置坐标、第二位置坐标，根据指向角和声程差，对脉冲发射位置进行定位。
优选地，水声脉冲定位系统用于设置在水下平台中，或与水下平台和UUV均具有数据交互功能的智能设备中。
本发明公开了以下技术效果：
本发明充分利用水下平台和UUV的协同通信能力，联合UUV和水下平台测量信息，实现对敌水声脉冲的迅速定位，有利于水下平台及时掌握目标威胁等级，并做出应对或规避行动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的实施示意图；
图2是本发明所述的定位几何示意图；
图3是本发明所述的定位结果仿真结果图；
图4是本发明所述的计算距离仿真结果图；
图5是本发明所述的距离相对误差仿真结果图；
图6是本发明所述的流程示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供了一种水声脉冲定位方法，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括以下步骤：
采集UUV的第一位置坐标和水下平台的第二位置坐标；
根据水下平台接收的主动脉冲信号，确定主动脉冲信号的指向角；
采集UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取脉冲直达波信号和脉冲散射波信号的声程差，其中，脉冲散射波信号用于表示经过水下平台散射后的脉冲信号；
基于第一位置坐标、第二位置坐标，根据指向角和声程差，对脉冲发射位置进行定位。
进一步优选地，本发明在采集第一位置坐标和第二位置坐标的过程中，根据第一位置坐标和第二位置坐标，以UUV和水下平台的连线方向为X轴，以连线的中点为坐标原点，建立直角坐标系。
进一步优选地，本发明在确定指向角的过程中，基于直角坐标系，获取主动脉冲信号的波束形成得到主动脉冲，与X轴的夹角作为指向角。
进一步优选地，本发明在获取第二到达时间的过程中，主动脉冲信号经过水下平台反射后，形成了脉冲散射波信号，本发明采集了主动脉冲信号达到水下平台的第三到达时间，以及脉冲散射波信号到达UUV的第四达到时间，根据第三到达时间和第四达到时间，生成第二到达时间。
优选地，在获取声程差的过程中，声程差的表达式为：
Δr＝C(t2-t1)
其中，Δr表示声程差，t1表示第一到达时间，t2表示第二到达时间，C表示声速。
进一步优选地，本发明在对脉冲发射位置进行定位的过程中，根据第一位置坐标、第二位置坐标、指向角、声程差，生成水下平台到脉冲发射位置的直线距离；
根据直线距离、第一位置坐标、指向角，生成脉冲发射位置的第三位置坐标。
进一步优选地，本发明在生成直线距离的过程中，本发明提到的直线距离的表达式为：
Figure BDA0003639763000000071
其中，r表示直线距离，θ表示指向角，d表示UUV与水下平台的连线距离，(x1，y1)表示第一位置坐标，(x2，y2)表示第二位置坐标。
进一步优选地，本发明提到的在生成第三位置坐标的过程中，第三位置坐标的表达式为：
Figure BDA0003639763000000072
本发明公开了一种水声脉冲定位系统，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括：
数据采集模块，用于采集UUV的第一位置坐标和水下平台的第二位置坐标；
指向角生成模块，用于根据水下平台接收的主动脉冲信号，确定主动脉冲信号的指向角；
声程差计算模块，用于通过采集UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取脉冲直达波信号和脉冲散射波信号的声程差，其中，脉冲散射波信号用于表示经过水下平台散射后的脉冲信号；
定位模块，用于基于第一位置坐标、第二位置坐标，根据指向角和声程差，对脉冲发射位置进行定位。
进一步地优选地，本发明还公开了水声脉冲定位系统的应用，用于设置在水下平台中，或与水下平台和UUV均具有数据交互功能的智能设备中。
实施例1：如图1所示，水下平台和UUV协同执行任务，水面平台全向发射主动脉冲搜索目标，水下平台和UUV均遭受主动脉冲探测，利用UUV接收到的脉冲直达波信号、经水下平台反射的散射波信号和水下平台接收到的主动脉冲信号，结合UUV和水下平台位置求出脉冲位置，实现二维定位。具体实施步骤如下：
1)坐标确定：UUV和水下平台均可根据自身导航设备确定自身信息，以UUV和水下平台连线方向为X轴建立直角坐标系，二者中点为坐标原点O，如图2所示，其中，T代表水下平台位置，坐标为(x1,y1)，R代表UUV位置，坐标为(x2,y2)，A代表水面平台位置，坐标为(x,y)。
2)信号测向：根据水下平台接收到的主动脉冲信号，由波束形成得到主动脉冲的指向角为θ。
3)声程差计算：UUV被动声纳接收到的脉冲直达波信号到达时间为t1，主动脉冲由A点发出后经水下平台反射，再由T点传至R点的散射波信号到达时间为t2，由先后到达UUV的直达波信号和散射波信号，直接计算得到二者声程差为Δr＝C(t2-t1)，其中C为声速。
4)建立方程并求解：水下平台收到UUV发送的位置信息和声程差，建立以下方程组：
Figure BDA0003639763000000091
根据已知的指向角θ、UUV和水下平台的坐标、声程差Δr信息，求解上述方程组可得
Figure BDA0003639763000000092
则最终可得脉冲位置为：
Figure BDA0003639763000000093
图3为采用本发明进行脉冲定位的结果。其中，设定发射脉冲位置坐标为(3,4)km，水下平台和UUV的坐标分别为(-2,0)km和(-2,0)km，主动脉冲相对于水下平台的指向角为38.66°，距离为6.4km。若考虑测向误差和声程差误差，设水下平台测得的主动脉冲指向角误差服从高斯分布χ～N(0,1)，UUV测得的主动脉冲散射波和直达波路程差服从均值为0，方差为0.01的正态分布，蒙特卡洛独立仿真实验1000次。从图3-图5的定位仿真结果可知，采用本发明可以获得良好的脉冲定位效果。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (10)

1.一种水声脉冲定位方法，其特征在于，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括以下步骤：
采集所述UUV的第一位置坐标和所述水下平台的第二位置坐标；
根据所述水下平台接收的主动脉冲信号，确定所述主动脉冲信号的指向角；
采集所述UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取所述脉冲直达波信号和所述脉冲散射波信号的声程差，其中，所述脉冲散射波信号用于表示经过所述水下平台散射后的脉冲信号；
基于所述第一位置坐标、所述第二位置坐标，根据所述指向角和所述声程差，对脉冲发射位置进行定位。
2.根据权利要求1所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在采集第一位置坐标和第二位置坐标的过程中，根据所述第一位置坐标和所述第二位置坐标，以所述UUV和所述水下平台的连线方向为X轴，以连线的中点为坐标原点，建立直角坐标系。
3.根据权利要求2所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在确定所述指向角的过程中，基于所述直角坐标系，获取所述主动脉冲信号的波束形成得到主动脉冲，与所述X轴的夹角作为所述指向角。
4.根据权利要求3所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在获取所述第二到达时间的过程中，采集所述主动脉冲信号达到所述水下平台的第三到达时间，以及所述脉冲散射波信号到达所述UUV的第四达到时间；
根据所述第三到达时间和所述第四达到时间，生成所述第二到达时间。
5.根据权利要求4所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在获取所述声程差的过程中，所述声程差的表达式为：
Δr＝C(t2-t1)
其中，Δr表示声程差，t1表示第一到达时间，t2表示第二到达时间，C表示声速。
6.根据权利要求5所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在对脉冲发射位置进行定位的过程中，根据所述第一位置坐标、所述第二位置坐标、所述指向角、所述声程差，生成所述水下平台到所述脉冲发射位置的直线距离；
根据所述直线距离、所述第一位置坐标、所述指向角，生成所述脉冲发射位置的第三位置坐标。
7.根据权利要求6所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在生成直线距离的过程中，所述直线距离的表达式为：
Figure FDA0003639762990000021
其中，r表示直线距离，θ表示指向角，d表示UUV与水下平台的连线距离，(x1，y1)表示第一位置坐标，(x2，y2)表示第二位置坐标。
8.根据权利要求7所述一种水声脉冲定位方法，其特征在于：
在生成第三位置坐标的过程中，所述第三位置坐标的表达式为：
Figure FDA0003639762990000031
9.一种水声脉冲定位系统，其特征在于，联合UUV和水下平台的测量信息进行脉冲定位，包括：
数据采集模块，用于采集所述UUV的第一位置坐标和所述水下平台的第二位置坐标；
指向角生成模块，用于根据所述水下平台接收的主动脉冲信号，确定所述主动脉冲信号的指向角；
声程差计算模块，用于通过采集所述UUV接收到的脉冲直达波信号的第一到达时间和脉冲散射波信号的第二到达时间，获取所述脉冲直达波信号和所述脉冲散射波信号的声程差，其中，所述脉冲散射波信号用于表示经过所述水下平台散射后的脉冲信号；
定位模块，用于基于所述第一位置坐标、所述第二位置坐标，根据所述指向角和所述声程差，对脉冲发射位置进行定位。
10.根据权利要求9所述一种水声脉冲定位系统，其特征在于，包括：
所述水声脉冲定位系统用于设置在所述水下平台中，或与所述水下平台和所述UUV均具有数据交互功能的智能设备中。
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