CN115015839B - 一种浅海水下目标被动定位系统 - Google Patents

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CN115015839B CN202210952798.4A CN202210952798A CN115015839B CN 115015839 B CN115015839 B CN 115015839B CN 202210952798 A CN202210952798 A CN 202210952798A CN 115015839 B CN115015839 B CN 115015839B
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Abstract

本申请属于海洋声学定位及导航技术领域，提供一种浅海水下目标被动定位系统，包括多个位于海面且不共线的海面浮标以及与海面浮标进行双向无线通信的船载控制单元，海面浮标基于所获取的水下目标的辐射噪声估计水下目标的运动参数
Figure 952685DEST_PATH_IMAGE001
，并向船载控制单元发送水下目标的定位信息，其中，
Figure 126178DEST_PATH_IMAGE002
为水下目标到达海面浮标最近点的时间，
Figure 543384DEST_PATH_IMAGE003
为水下目标与海面浮标的最近距离，
Figure 42498DEST_PATH_IMAGE004
为水下目标的速度；船载控制单元根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度。本申请的浅海水下目标被动定位系统能够充分利用水下目标辐射噪声的时频干涉条纹信息对水下目标进行定位，具有较高的稳定性及准确性。

Description

一种浅海水下目标被动定位系统
技术领域
本发明属于海洋声学定位及导航技术领域，具体地，提供一种浅海水下目标被动定位系统。
背景技术
海洋声学定位与导航技术是水下目标跟踪的核心技术，是海洋科学技术的重要组成部分。随着国家对海洋开发和海防建设的高度重视和巨大投入，海洋声学定位与导航技术迎来了新的挑战和发展机遇。
在浅海波导条件下，被动目标定位技术是指不主动发射信号，利用水听器接收目标辐射的噪声，得到目标位置的技术，目前常用的被动目标定位方法主要有三子阵法、目标运动分析法(TMA算法)和匹配场处理方法等。
三子阵法主要是利用水下目标运动时产生的辐射噪声到达各阵元的时延差，通过几何关系确定目标的距离和方位，但是这要求各个阵元之间要有比较大的间距、各阵元时间要绝对同步(在水中，0.001s的时延误差，可造成0.43°的方位误差，时延误差越大，估计误差越大)；TMA算法通过连续观测一个运动目标的方位信息，通过方位的变化估计目标的距离与航迹，但是这要求观测平台在估计目标位置期间至少做一次折线航行、目标定位时间需数十分钟以上，且三子阵法和TMA算法均未考虑波导的影响，因此使得这两种算法的在多途效应较为明显的浅海，性能会受到很大的影响。匹配场处理方法从本质上讲是一种匹配滤波器，是利用仿真计算出的拷贝场与实验测量的声场进行匹配，来估计声源位置，但是这种方法受海洋环境参数测量精度以及水体时变的影响较大，计算量也非常大。
上述现有技术中的各种浅海水下目标被动定位方法，对接收系统性能要求较高，如要求阵型绝对不变、位置固定不动、各个水听器的时间要绝对同步等，而且对于浅海环境来说，由于波导环境的复杂性，很多方法预测会出现较大误差。因此，需要一种在浅海波导条件下能够高效、精确地进行水下目标的被动定位的系统。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种能够有效地利用浅海波导效应的浅海水下目标被动定位系统，基于运动目标的辐射噪声在浅海波导中形成的噪声干涉条纹实现对运动目标的准确监测。
本申请提供一种浅海水下目标被动定位系统，包括多个位于海面且不共线的海面浮标以及与海面浮标进行双向无线通信的船载控制单元，其中，
海面浮标基于所获取的水下目标的辐射噪声估计水下目标的运动参数
Figure 669592DEST_PATH_IMAGE001
，并向船载控制单元发送水下目标的定位信息，其中，
Figure 510509DEST_PATH_IMAGE002
为水下目标到达海面浮标最近点的时间，
Figure 489222DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 73787DEST_PATH_IMAGE004
为水下目标与海面浮标的最近距离，
Figure 54513DEST_PATH_IMAGE005
为水下目标的速度；
船载控制单元根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度。
进一步地，所述海面浮标包括：水听器，用于获取所述辐射噪声；第一控制计算模块，基于所述辐射噪声的时间-频率域干涉条纹的结构特征获取所述
Figure 331910DEST_PATH_IMAGE001
的估计值
Figure 30876DEST_PATH_IMAGE006
；第一GPS定位模块，通过与其连接的第一天线获取海面浮标的实时GPS位置；第一通信模块，通过与其连接的第一天线接收船载控制单元的控制指令，并向船载控制单元发送定位信息，所述定位信息包括所述
Figure 419132DEST_PATH_IMAGE006
以及海面浮标在
Figure 519943DEST_PATH_IMAGE007
时刻的GPS位置
Figure 905925DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步地，所述第一控制计算模块通过以下步骤获取所述
Figure 653039DEST_PATH_IMAGE006
：
S1：确定
Figure 579407DEST_PATH_IMAGE001
的搜索空间；
S2：在搜索空间中随机设置
Figure 534725DEST_PATH_IMAGE001
的初始搜索位置
Figure 153925DEST_PATH_IMAGE009
以及粒子数的初始值
Figure 827483DEST_PATH_IMAGE010
；
S3：将
Figure 760804DEST_PATH_IMAGE011
确定为当前搜索位置
Figure 695262DEST_PATH_IMAGE012
，将
Figure 360729DEST_PATH_IMAGE013
确定为当前粒子数
Figure 911796DEST_PATH_IMAGE014
；
S4：从当前搜索位置
Figure 568516DEST_PATH_IMAGE012
向周围随机地播撒
Figure 764006DEST_PATH_IMAGE015
个粒子，获取每个粒子位置
Figure 725008DEST_PATH_IMAGE016
；
S5：计算当前搜索位置
Figure 107579DEST_PATH_IMAGE017
的代价函数
Figure 179440DEST_PATH_IMAGE018
以及每个粒子位置
Figure 229436DEST_PATH_IMAGE019
的代价函数
Figure 361340DEST_PATH_IMAGE020
；
S6：如果存在
Figure 995322DEST_PATH_IMAGE021
,则将
Figure 808557DEST_PATH_IMAGE022
对应的搜索位置
Figure 837693DEST_PATH_IMAGE023
重置为当前搜索位置
Figure 750285DEST_PATH_IMAGE024
，并重新确定
Figure 497661DEST_PATH_IMAGE025
，然后重复执行步骤S4至S6，否则将当前搜索位置
Figure 52270DEST_PATH_IMAGE024
作为运动参数的估计值
Figure 935913DEST_PATH_IMAGE026
。
优选地，步骤S6中通过下式重新确定
Figure 612882DEST_PATH_IMAGE027
：
Figure 457341DEST_PATH_IMAGE028
，
其中，
Figure 674696DEST_PATH_IMAGE029
为权重因子，
Figure 55255DEST_PATH_IMAGE030
为向上取整运算符，下标
Figure 434284DEST_PATH_IMAGE031
为前一次迭代搜索，
Figure 766039DEST_PATH_IMAGE032
由下式确定：
Figure 521505DEST_PATH_IMAGE033
。
进一步地，所述代价函数通过以下步骤确定：
A1：对于搜索空间中的任意一个搜索位置
Figure 583002DEST_PATH_IMAGE034
，使用下式
Figure 273878DEST_PATH_IMAGE035
对所述辐射噪声的离散时频谱
Figure 217563DEST_PATH_IMAGE036
进行变换，得到变换后的离散时频谱
Figure 386507DEST_PATH_IMAGE037
Figure 364828DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 554500DEST_PATH_IMAGE039
为波导不变量；
A2：求取如下式的
Figure 359383DEST_PATH_IMAGE037
的分形曲线
Figure 456652DEST_PATH_IMAGE040
Figure 164845DEST_PATH_IMAGE041
；
A3：求取如下式的
Figure 322157DEST_PATH_IMAGE042
对应的代价函数
Figure 115801DEST_PATH_IMAGE043
Figure 751181DEST_PATH_IMAGE044
，
其中，
Figure 641777DEST_PATH_IMAGE045
为分形曲线
Figure 845356DEST_PATH_IMAGE046
的长度。
具体地，所述船载控制单元包括：第二通信模块，通过与其连接的第二天线向多个海面浮标发送控制指令，并接收多个海面浮标发送的定位信息；第二控制计算模块，根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度。
进一步地，所述第二控制计算模块通过以下步骤确定水下目标的位置和速度：
第一步：从多个海面浮标发送的定位信息中任选3个不共线的海面浮标发送的定位信息，记为
Figure 985351DEST_PATH_IMAGE047
；
第二步，通过解算以下方程组确定水下目标的速度、位置信息：
Figure 332412DEST_PATH_IMAGE048
。
可选地，所述海面浮标还包括密封外壳、浮体、第一存储模块和第一电源模块；密封外壳包括可拆卸地密封连接的壳体与壳盖，用于防水地容置第一计算控制模块、第一GPS定位模块、第一通信模块、第一存储模块以及第一电源模块；浮体套设于密封外壳的外部，为海面浮标提供浮力；水听器位于密封外壳下方的海水中并通过数据线缆与第一计算控制模块防水地连接；第一天线通过支架架设于密封外壳上方，并通过数据线缆与第一通信模块和第一GPS定位模块防水地连接；第一存储模块用于存储所述辐射噪声与定位信息；第一电源模块用于为海面浮标提供电力支持。
可选地，所述船载控制单元还包括第二GPS定位模块、第二存储模块、第二电源模块、网络通讯模块和PC客户端；第二GPS定位模块通过与其连接的第二天线获取船载控制单元的实时GPS位置；PC客户端通过网络通讯模块与第二控制计算模块连接，用于交互地控制第二控制计算模块进行目标定位；第二存储模块用于存储多个海面浮标发送的定位信息以及第二控制计算模块解算得到的水下目标的速度、位置信息；第二电源模块用于为船载控制单元提供电力支持。
附图说明
图1为根据本申请实施例的系统布设示意图；
图2为水下目标相对于海面浮标的运动状态的示意图；
图3为根据本申请实施例的海面浮标的外观示意图；
图4为根据本申请实施例的海面浮标的内部系统结构示意图；
图5为根据本申请的一个具体实施例的水下目标的辐射噪声信号的离散时频谱；
图6为使用正确参数对图5的离散时频谱进行变换的结果；
图7为使用错误参数对图5的离散时频谱进行变换的结果；
图8为对图6、图7的变换结果进行时间累加所得到的曲线；
图9为根据本申请实施例的船载控制单元的系统结构示意图；
图10为根据本申请实施例的确定水下目标速度、位置信息的原理图；
图11a至图11c为根据本申请实施例1的三个不共线的海面浮标所获取的辐射噪声的离散时频谱；
图12为根据本申请实施例1的通过步骤S1至S6迭代估计运动参数的结果；
图13为图12的迭代估计运动参数过程中粒子数的变化情况；
图14为采用遍历搜索网格方式进行运动参数估计的结果；
图15为根据本申请实施例1的水下目标定位结果。
图中标号
1：海面浮标，11：壳体，12：壳盖，13：浮体，14：第一天线，15：水听器，2：测量船，3：水下目标。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。
此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。
单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请提供一种浅海水下目标被动定位系统，包括多个位于海面且不共线的海面浮标以及与每个海面浮标进行双向无线通信的船载控制单元。其中，海面浮标基于所获取的水下目标的辐射噪声估计水下目标的运动参数
Figure 874252DEST_PATH_IMAGE001
，并向船载控制单元发送水下目标的定位信息，其中，
Figure 576628DEST_PATH_IMAGE002
为水下目标到达海面浮标最近点的时间，
Figure 79285DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 56468DEST_PATH_IMAGE004
为水下目标与海面浮标的最近距离，
Figure 593760DEST_PATH_IMAGE005
为水下目标的速度；船载控制单元根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度。
图1为本申请的一些实施例中系统布设的示意图，如图1所示，多个海面浮标1不共线地布设于海面，船载控制单元固定设置于测量船2上，在一些实施例中，船载控制单元和每个海面浮标1之间可以通过LORA通信协议进行无线组网，实现信息的双向传输。
图2为水下目标相对于海面浮标的运动状态的示意图，如图2所示，水下目标3在一段时间内以速度
Figure 263776DEST_PATH_IMAGE049
进行运动并经过海面浮标1，其在某一时刻将到达距离海面浮标1最近点，该点与海面浮标1的距离即为
Figure 253728DEST_PATH_IMAGE050
，水下目标3到达该最近点的时刻即为
Figure 34603DEST_PATH_IMAGE051
。在实际的运动参数估计中，一般令
Figure 924936DEST_PATH_IMAGE052
，从而将
Figure 765853DEST_PATH_IMAGE053
作为待估计的运动参数。由于水下目标3运动时将产生辐射噪声，其辐射噪声被海面浮标1获取后，基于上述辐射噪声进行参数估计，即可获得对
Figure 508681DEST_PATH_IMAGE054
的估计值
Figure 93246DEST_PATH_IMAGE055
。
图3为本申请的一些实施例中海面浮标1的外观示意图，如图3所示，海面浮标1的外部通过密封外壳进行密封，密封外壳包括壳体11和壳盖12，壳体与壳盖可拆卸地密封连接，将海面浮标1的各个需要进行防水处理的部分容置于其中。浮体13套设于密封外壳上以使整个海面浮标1漂浮于海面，第一天线14通过支架支撑于海面以上，水听器15位于水面以下，用于获取水下目标3在运动时产生的辐射噪声。上述海面浮标的密封外壳、浮体13、第一天线14及水听器15等部分的结构与功能已为本领域技术人员所知晓，本领域技术人员可以在不脱离本申请技术构思的前提下，根据具体布设海域情况灵活地调整上述各部分的结构及安装方式。
图4为根据本申请实施例的海面浮标1的内部系统结构示意图(图中虚线框内部分)，如图4所示，在本申请的一些实施例中，海面浮标1的密封外壳内部包括：第一控制计算模块、第一GPS定位模块、第一通信模块、第一存储模块和第一电源模块。
具体地，在本申请的实施例中，第一控制计算模块与水听器15防水地连接并接收水听器15获取的水下目标3的辐射噪声，基于所述辐射噪声的时间-频率域干涉条纹的结构特征获取所述
Figure 339551DEST_PATH_IMAGE054
的估计值
Figure 85790DEST_PATH_IMAGE055
。第一GPS定位模块与第一天线14防水地连接，通过第一天线14获取海面浮标1的实时GPS位置。第一通信模块与第一天线14防水地连接，通过第一天线14接收船载控制单元的控制指令，并向船载控制单元发送定位信息，其中，定位信息包括所述
Figure 50335DEST_PATH_IMAGE055
以及海面浮标在
Figure 438591DEST_PATH_IMAGE056
时刻的GPS位置
Figure 867298DEST_PATH_IMAGE008
。第一存储模块用于存储上述辐射噪声以及定位信息。第一电源模块为上述各个模块提供电力支持。
在一些具体的实施例中，本领域技术人员可以采用单片机、DSP、FPGA等技术手段对上述各个模块进行集成，并根据定位海域情况、作业周期等实际需要灵活地进行功能模块的选型及外围电路的设计，上述具体技术手段的选择并不脱离本申请的技术思路。
在本申请的一些具体的实施例中，第一控制计算模块通过以下步骤获取所述
Figure 426849DEST_PATH_IMAGE006
：
S1：确定
Figure 268903DEST_PATH_IMAGE001
的搜索空间；
S2：在搜索空间中随机设置
Figure 70637DEST_PATH_IMAGE001
的初始搜索位置
Figure 353851DEST_PATH_IMAGE009
以及粒子数的初始值
Figure 973051DEST_PATH_IMAGE010
；
S3：将
Figure 912188DEST_PATH_IMAGE011
确定为当前搜索位置
Figure 579930DEST_PATH_IMAGE012
，将
Figure 45546DEST_PATH_IMAGE013
确定为当前粒子数
Figure 711014DEST_PATH_IMAGE014
；
S4：从当前搜索位置
Figure 934185DEST_PATH_IMAGE012
向周围随机地播撒
Figure 733514DEST_PATH_IMAGE015
个粒子，获取每个粒子位置
Figure 991320DEST_PATH_IMAGE016
；
S5：计算当前搜索位置
Figure 60645DEST_PATH_IMAGE017
的代价函数
Figure 99008DEST_PATH_IMAGE018
以及每个粒子位置
Figure 374131DEST_PATH_IMAGE019
的代价函数
Figure 424127DEST_PATH_IMAGE020
；
S6：如果存在
Figure 556031DEST_PATH_IMAGE021
,则将
Figure 753794DEST_PATH_IMAGE022
对应的搜索位置
Figure 770292DEST_PATH_IMAGE023
重置为当前搜索位置
Figure 2690DEST_PATH_IMAGE024
，并重新确定
Figure 39916DEST_PATH_IMAGE025
，然后重复执行步骤S4至S6，否则将当前搜索位置
Figure 928237DEST_PATH_IMAGE024
作为运动参数的估计值
Figure 545164DEST_PATH_IMAGE026
。
上述步骤S1至S6中，首先构造出运动参数
Figure 428806DEST_PATH_IMAGE054
的搜索空间并随机设置初始的搜索位置(其中搜索空间的取值范围可以根据辐射噪声的时频特性确定，例如根据辐射噪声的声强随时间变化的信息可以大致确定
Figure 267625DEST_PATH_IMAGE057
的取值上下限，并以此确定搜索空间的取值范围)，然后向搜索位置的周围播撒粒子，并通过比较代价函数确定下一个搜索位置，迭代进行上述播撒粒子并比较代价函数的过程，直到确定代价函数最大的搜索位置，将其作为运动参数的估计值
Figure 236718DEST_PATH_IMAGE055
。
显然，在上述估计运动参数的过程中，代价函数的选择对于搜索效率及搜索准确性具有决定性的影响，理想的代价函数对于参数的变化应较为敏感，以利于快速地确定搜索方向并收敛至最佳参数估计位置，同时与正确的参数对应的代价函数应显著地区别于其他参数，从而保证参数估计的准确性，为此，在构造代价函数时应充分考虑水下目标在浅海波导条件下运动时其辐射噪声的时频谱结构特征。图5示出了一个具体的水下目标的辐射噪声的时频谱，通过图5可以看出，由于浅海波导效应导致的声线多途干涉，辐射噪声的时频谱呈现明显的干涉条纹图像。在本申请的实施例中，构造代价函数的过程中充分考虑了将上述时频谱干涉结构在不同运动参数取值下进行变换后所具有的显著差异，从而保证了代价函数对于运动参数的敏感性。
具体地，在本申请的实施例中，代价函数通过以下步骤确定：
A1：对于搜索空间中的任意一个搜索位置
Figure 657335DEST_PATH_IMAGE034
，使用下式
Figure 536429DEST_PATH_IMAGE035
对所述辐射噪声的离散时频谱
Figure 384300DEST_PATH_IMAGE036
进行变换，得到变换后的离散时频谱
Figure 106268DEST_PATH_IMAGE037
Figure 737101DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 798598DEST_PATH_IMAGE039
为波导不变量；
A2：求取如下式的
Figure 879686DEST_PATH_IMAGE037
的分形曲线
Figure 433158DEST_PATH_IMAGE040
Figure 195578DEST_PATH_IMAGE041
；
A3：求取如下式的
Figure 173898DEST_PATH_IMAGE042
对应的代价函数
Figure 363571DEST_PATH_IMAGE043
Figure 168454DEST_PATH_IMAGE044
，
其中，
Figure 531302DEST_PATH_IMAGE045
为分形曲线
Figure 301812DEST_PATH_IMAGE046
的长度。
具体地，步骤A1基于波导不变量
Figure 600069DEST_PATH_IMAGE058
对具有干涉结构的时频谱
Figure 252767DEST_PATH_IMAGE059
进行变换，根据波导不变量
Figure 356990DEST_PATH_IMAGE060
的特性，如果
Figure 185268DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 716744DEST_PATH_IMAGE062
的取值为正确的运动参数，则变换后得到的
Figure 856738DEST_PATH_IMAGE063
的频谱具有时间不变性，即其干涉条纹从曲线被拉直为直线；与之相反，如果
Figure 436755DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 181857DEST_PATH_IMAGE062
未设置为正确的运动参数，则变换后
Figure 946551DEST_PATH_IMAGE063
的干涉条纹仍为曲线形态。图6、图7分别为使用正确的运动参数和错误的运动参数对图5的时频谱进行变换的结果。
显然，图6和图7所示出的不同的干涉条纹形态有助于构造能够区分出正确及错误的运动参数的代价函数，为了增强代价函数对于运动参数的敏感性，在步骤A2中将
Figure 950672DEST_PATH_IMAGE063
在各个时刻
Figure 396697DEST_PATH_IMAGE064
的值进行累加，通过图6和图7可知，当
Figure 324202DEST_PATH_IMAGE063
的频谱具有时间不变性时(即干涉条纹为直线)，其累加结果将保持与任一单一时刻相同的起伏变化，而其他曲线形态的干涉条纹在进行时间累加时，不同时刻的起伏将互相抵消，使得其起伏不明显。图8示出了对图6和图7的干涉条纹分别进行时间累加所得到的分形曲线
Figure 197480DEST_PATH_IMAGE065
。
基于上述分析可以得到，当
Figure 921854DEST_PATH_IMAGE066
的取值为正确的运动参数时，所得到的曲线具有最大的起伏变化，反之所得到的曲线的起伏将变得不明显。对于具有不同起伏程度的曲线，分形维数能够较为敏感地区分其起伏的剧烈程度，从而有助于更精确地判断运动参数正确与否。基于以上考虑，在步骤A3中，基于
Figure 233886DEST_PATH_IMAGE065
的分形维数构造代价函数，显然，当
Figure 953581DEST_PATH_IMAGE066
估计正确时，代价函数取最大值。
在本申请的一些实施例中，每次迭代搜索过程的步骤S6所重新设置的当前粒子数
Figure 935443DEST_PATH_IMAGE067
可以为定值，如200个或其他合适的数量；然而随着迭代搜索的进行，运动参数的估计值将逐渐向真实的运动参数的位置逼近，且代价函数的变化速度也将逐渐降低，随着迭代次数的增加，可以通过逐渐减少随机播撒的粒子数以降低搜索的计算量，因此，在本申请的另一些优选的实施例中，每次迭代过程所重新设置的
Figure 475009DEST_PATH_IMAGE068
也可以根据搜索位置逐渐逼近真实运动参数的位置而变化，具体地，步骤S6中通过下式重新确定
Figure 59574DEST_PATH_IMAGE068
：
Figure 571458DEST_PATH_IMAGE028
，
其中，
Figure 583276DEST_PATH_IMAGE029
为权重因子，
Figure 875717DEST_PATH_IMAGE030
为向上取整运算符，下标
Figure 637875DEST_PATH_IMAGE031
为前一次迭代搜索，
Figure 332161DEST_PATH_IMAGE032
由下式确定：
Figure 514881DEST_PATH_IMAGE069
。
通过上式可以看出，
Figure 966722DEST_PATH_IMAGE070
的取值分别与每一次迭代估计的运动参数位置处的代价函数与其他粒子位置处的代价函数的总体偏离程度相关(特别地，对于第一次迭代，由于不存在
Figure 96352DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 707462DEST_PATH_IMAGE072
可以基于经验值进行设置)，随着运动参数的搜索位置逐渐向真实运动参数处逼近，其偏离程度将逐渐减弱，进而使得
Figure 936449DEST_PATH_IMAGE068
的取值逐渐减少，从而有效地降低搜索计算量。
以上对第一计算控制模块进行参数估计的具体实施方式进行了详细介绍。通过上述步骤获取运动参数
Figure 937903DEST_PATH_IMAGE073
的估计值
Figure 933541DEST_PATH_IMAGE074
后，第一通信模块将上述
Figure 336840DEST_PATH_IMAGE074
以及海面浮标在
Figure 736729DEST_PATH_IMAGE075
时刻的GPS位置H作为定位信息发送给船载控制单元。船载控制单元在接收到多个定位信息后，即可进行水下目标的位置与速度的解算。
图9示出了本申请的一些实施例中，船载控制单元的系统结构，如图9所示，船载控制单元包括第二天线、第二GPS定位模块、第二通信模块、第二存储模块、第二控制计算模块、第二电源模块、网络通讯模块和PC客户端。其中，第二GPS定位模块通过与其连接的第二天线获取船载控制单元的实时GPS位置；第二通信模块通过与其连接的第二天线向多个海面浮标发送控制指令，并接收多个海面浮标发送的定位信息；第二控制计算模块根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度；PC客户端通过网络通讯模块与第二控制计算模块连接，用于交互地控制第二控制计算模块进行目标定位，第二存储模块用于存储多个海面浮标发送的定位信息以及第二控制计算模块解算得到的水下目标的速度、位置信息；第二电源模块为上述各个模块提供电力支持。
在本申请的实施例中，第二控制计算模块通过以下步骤确定水下目标的位置和速度：
第一步：从多个海面浮标发送的定位信息中任选3个不共线的海面浮标发送的定位信息，记为
Figure 287796DEST_PATH_IMAGE047
；
第二步，通过解算以下方程组确定水下目标的速度、位置信息：
Figure 24808DEST_PATH_IMAGE048
。
图10示出了确定水下目标速度、位置信息的原理图。具体地，对于位置
Figure 456182DEST_PATH_IMAGE076
和位置
Figure 417185DEST_PATH_IMAGE077
，构造如图所述的直角三角形
Figure 393231DEST_PATH_IMAGE078
，三角形的两条直角边可以分别表示为：
Figure 606038DEST_PATH_IMAGE079
其中正负号取值由水下目标的运动轨迹与海面浮标的位置
Figure 515088DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 850255DEST_PATH_IMAGE077
之间的关系确定，如果
Figure 985701DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 64515DEST_PATH_IMAGE077
位于同侧取“—”，分别位于两侧取“+”，根据勾股定理有：
Figure 828072DEST_PATH_IMAGE080
在不确定水下目标的运动轨迹与三个接收器位置关系的情况下可以解出两个值，结合另外两组方程解可以唯一确定水下目标的运动速度，进而确定水下目标相对于海面浮标的位置：
Figure 271823DEST_PATH_IMAGE081
实施例1
本实施例提供一种浅海水下目标被动定位系统，包括多个位于海面且不共线的海面浮标以及与每个海面浮标进行双向无线通信的船载控制单元，上述海面浮标及船载控制单元的具体实施方式已通过前述内容及附图进行了详细介绍。
在本实施例中还使用该浅海水下目标被动定位系统进行水下目标定位的仿真实验，其中仿真实验参数设置如下：浅海声场为Pekeris波导，水体声速为1500m/s，水深40m，海底为半液态海底，海底声速1620m/s,密度
Figure 956882DEST_PATH_IMAGE082
，海底衰减系数0.2dB/λ；声源以V=5m/s的速度匀速通过接收器，声源深度为2m，最近距离
Figure 370546DEST_PATH_IMAGE083
，到达最近点时间
Figure 893669DEST_PATH_IMAGE084
，海面浮标所携带的水听器的深度为7m；声场由kraken程序计算生成。
图11a至图11c分别示出了三个不共线的海面浮标获取的辐射噪声的离散时频谱，图12示出了基于其中一个海面浮标的辐射噪声数据，使用步骤S1至S6进行运动参数估计的结果，其中：
Figure 570638DEST_PATH_IMAGE085
的取值范围为[430s，630s]，b的取值范围为[60s，200s]，初始粒子个数为200。从图中可以看出，经过6次迭代运算得到
Figure 805310DEST_PATH_IMAGE086
，与仿真输入参数相符。图13示出了各次迭代过程中粒子数的变化情况。
作为比较，图14示出了按照1s为间隔生成搜索空间网格，并遍历搜索空间网格计算代价函数模糊度图以进行运动参数估计的结果。
对上述两种搜索方式的计算量进行比较可知，使用本申请使用的粒子群算法进行运动参数估计，经过200+159+103+94+84+11= 651次运算即可得到参数估计结果，使用遍历搜索空间网格的方式进行运动参数估计，需要经过(630-430+1)×(200-60+1)=28341次运算才能得到参数估计结果。
上述三个不共线的海面浮标进行运动参数估计后，分别向船载控制单元发送定位信息，船载控制单元的第二计算控制模块对上述定位信息进行处理后即可解算得到水下目标的运动速度及位置。图15示出了本实施例的目标定位结果，从图中可以看出，使用本申请提供的浅海水下目标被动定位系统，能够对浅海波导环境下的水下目标进行精确的定位。
以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种浅海水下目标被动定位系统，包括多个位于海面且不共线的海面浮标以及与海面浮标进行双向无线通信的船载控制单元，其特征在于：
海面浮标基于所获取的水下目标的辐射噪声估计水下目标的运动参数(tCPA,b)，并向船载控制单元发送水下目标的定位信息，其中，tCPA为水下目标到达海面浮标最近点的时间，b＝rCPA/v，rCPA为水下目标与海面浮标的最近距离，v为水下目标的速度；
船载控制单元根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度；
所述海面浮标包括：
水听器，用于获取所述辐射噪声；
第一控制计算模块，基于所述辐射噪声的时间-频率域干涉条纹的结构特征获取所述(tCPA,b)的估计值(TCPA,B)；
第一GPS定位模块，通过与其连接的第一天线获取海面浮标的实时GPS位置；
第一通信模块，通过与其连接的第一天线接收船载控制单元的控制指令，并向船载控制单元发送定位信息，所述定位信息包括所述(TCPA,B)以及海面浮标在TCPA时刻的GPS位置H。
2.根据权利要求1所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于，所述第一控制计算模块通过以下步骤获取所述(TCPA,B)：
S1：确定(tCPA,b)的搜索空间；
S2：在搜索空间中随机设置(tCPA,b)的初始搜索位置(tstart,bstart)以及粒子数的初始值Pstart；
S3：将(tstart,bstart)确定为当前搜索位置(trecent,brecent)，将Pstart确定为当前粒子数Precent；
S4：从当前搜索位置(trecent,brecent)向周围随机地播撒Precent个粒子，获取每个粒子位置(tk,bk)，k∈[1,Precent]；
S5：计算当前搜索位置(trecent,brecent)的代价函数
Figure FDA0003867041430000011
以及每个粒子位置(tk,bk)的代价函数
Figure FDA0003867041430000012
k∈[1,Precent]；
S6：如果存在
Figure FDA0003867041430000013
则将
Figure FDA0003867041430000014
对应的搜索位置(tk_max,bk_max)重置为当前搜索位置(trecent,brecent)，并重新确定Precent，然后重复执行步骤S4至S6，否则将当前搜索位置(trecent,brecent)作为运动参数的估计值(TCPA,B)。
3.根据权利要求2所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于，步骤S6中通过下式重新确定Precent：
Figure FDA0003867041430000015
其中，Q为权重因子，
Figure FDA0003867041430000016
为向上取整运算符，下标(recent-1)为前一次迭代搜索，Mrecent由下式确定：
Figure FDA0003867041430000021
4.根据权利要求2所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于，所述代价函数通过以下步骤确定：
A1：对于搜索空间中的任意一个搜索位置(tCPA,b)，使用下式
Figure FDA0003867041430000022
对所述辐射噪声的离散时频谱I(fi,tj),i∈[1,M],j∈[1,N]进行变换，得到变换后的离散时频谱IR(fi,tj,tCPA,b),
IR(fi,tj,tCPA,b)＝I(fi *,tj,tCP,b),i∈[1,M],j∈[1,N]
其中β为波导不变量；
A2：求取如下式的IR(fi,tj,tCPA,b)的分形曲线FIR(fi,tCPA,b)
Figure FDA0003867041430000023
A3：求取如下式的(tCPA,b)对应的代价函数D(tCPA,b)
Figure FDA0003867041430000024
其中，lengh[FIR(fi,tCPA,b)]为分形曲线FIR(fi,tCPA,b)的长度。
5.根据权利要求1所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于，所述船载控制单元包括：
第二通信模块，通过与其连接的第二天线向多个海面浮标发送控制指令，并接收多个海面浮标发送的定位信息；
第二控制计算模块，根据多个海面浮标发送的定位信息确定水下目标的位置和速度。
6.根据权利要求5所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于，所述第二控制计算模块通过以下步骤确定水下目标的位置和速度：
第一步：从多个海面浮标发送的定位信息中任选3个不共线的海面浮标发送的定位信息，记为
Figure FDA0003867041430000025
和
Figure FDA0003867041430000026
第二步，通过解算以下方程组确定水下目标的速度、位置信息：
Figure FDA0003867041430000027
7.根据权利要求1所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于：
所述海面浮标还包括密封外壳、浮体、第一存储模块和第一电源模块；
密封外壳包括可拆卸地密封连接的壳体与壳盖，用于防水地容置第一计算控制模块、第一GPS定位模块、第一通信模块、第一存储模块以及第一电源模块；
浮体套设于密封外壳的外部，为海面浮标提供浮力；
水听器位于密封外壳下方的海水中并通过数据线缆与第一计算控制模块防水地连接；
第一天线通过支架架设于密封外壳上方，并通过数据线缆与第一通信模块和第一GPS定位模块防水地连接；
第一存储模块用于存储所述辐射噪声与定位信息；
第一电源模块用于为海面浮标提供电力支持。
8.根据权利要求1所述的一种浅海水下目标被动定位系统，其特征在于：
所述船载控制单元还包括第二GPS定位模块、第二存储模块、第二电源模块、网络通讯模块和PC客户端；
第二GPS定位模块通过与其连接的第二天线获取船载控制单元的实时GPS位置；
PC客户端通过网络通讯模块与第二控制计算模块连接，用于交互地控制第二控制计算模块进行目标定位；
第二存储模块用于存储多个海面浮标发送的定位信息以及第二控制计算模块解算得到的水下目标的速度、位置信息；
第二电源模块用于为船载控制单元提供电力支持。
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