CN115032590A - 基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，通过移动平台携带单个水听器，对处在水底的声信标进行定位，包括以下步骤：采集水听器接收到的相邻的两个脉冲信号的传播时间差；基于传播时间差，通过获取移动平台的航速、航向，以及在水听器接收到每个脉冲信号时移动平台的第一位置坐标，构建非线性定位解算模型，其中，非线性定位解算模型用于通过迭代解算，获取声信标的第二位置坐标；本发明实现了对声信标进行快速定位的技术效果，并且解算精度高，为声信标定位提供了新的技术思路。

Description

基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法
技术领域
本发明涉及失事声信标定位技术，具体而言，涉及基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法。
背景技术
水下声信标广泛用于水下导航定位、失事搜救、军事或其他特殊用途，是飞机和船舶“黑匣子”等设备的重要部件之一。在海上突发灾难时，“黑匣子”入水后信标会自动发射脉冲声信号，持续跟踪该脉冲信号并确定其位置是快速打捞“黑匣子”的关键。国际上通用的SAE-AS8045A标准的水声信标的发射脉冲频率为37.5kHz，声源级一般为160dB，作用距离一般在2-3km范围内，但是即便在该距离范围内，要快速打捞起“黑匣子”，若没有相对准确的失事信标位置，也无异于大海捞针。当前，在水下目标定位领域应用较广泛的是超短基线定位技术，但常见的超短基线定位技术至少需要三个水听器，且大多以应答式工作为主，不适应于失事信标的定位。目前，对于失事信标的定位，应用较广泛的是基于阵列指向性的纯方位式交汇技术，即先通过水听器阵列或者矢量传感器测得脉冲方位，然后根据多方位交汇定位，但受水下传感器声学孔径和水中姿态的影响，该方式测得的脉冲方位误差比较大，由此进行位置解算耗时较长，实际应用效率和可靠性不高。因此，基于阵列指向性的纯方位式交汇技术很难提升水声信标的定位效率和定位精度。
发明内容
为提升对声信标定位的精度和效率，本发明提供基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，搭载单水听器的移动平台在不同位置接收声信标发射的水声脉冲信号，测得脉冲到达时间t1,t2,…,ti，通过相邻接收脉冲时间差变化和平台位置信息解算声信标位置。
为了实现上述技术目的，本申请提供了基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，通过移动平台携带单个水听器，处在水底的声信标进行定位，包括以下步骤：
采集水听器接收到的相邻的两个脉冲信号的传播时间差；
基于传播时间差，通过获取移动平台的航速、航向，以及在听水器接收到每个脉冲信号时移动平台的第一位置坐标，构建非线性定位解算模型，其中，非线性定位解算模型用于通过迭代解算，获取声信标的第二位置坐标。
优选地，在获取第一坐标的过程中，第一坐标的表达式为：
pi＝[xwi，ywi]T
Figure BDA0003639729180000021
其中，Pi表示水听器接收到第i个脉冲时的位置坐标，V表示航速，C表示航向，
Figure BDA0003639729180000022
表示第i个脉冲的到达时间ti与第i-1个脉冲的到达时间ti-1传播时间差，。
优选地，在获取第二位置坐标的过程中，通过设置迭代初值、迭代步长因子、迭代次数，对非线性定位解算模型进行解算，获取第三位置坐标。
优选地，在对非线性定位解算模型进行解算的过程中，根据迭代初值，通过非线性定位解算模型，获取第一迭代步长量及其对应的第一误差值；
根据第一迭代步长量对非线性定位解算模型进行解算，获取第二误差值；
根据第一误差值和第二误差值的关系，通过调整迭代步长因子，使得第二误差值小于第一误差值后，获取第二误差值对应的第二迭代步长量；
根据第二迭代步长量，对非线性定位解算模型进行解算，生成第二位置坐标。
优选地，在调整迭代步长因子的过程中，当第二误差值小于等于第一误差值时，迭代步长因子缩小十倍；当第二误差值大于第一误差值时，迭代步长因子扩大十倍。
优选地，在获取第二迭代步长量的过程中，当迭代步长因子大于等于106时，根据迭代步长因子对应的误差值作为第二误差值，生成第二位置坐标。
优选地，在生成第二位置坐标的过程中，当第二误差值随测量时间的增大逐渐趋于平稳时，根据第二误差值对应的第二迭代步长量，生成的第二位置坐标为声信标的位置坐标。
优选地，用于实现定位方法的定位系统，包括：
数据采集模块，用于采集传播时间差、航速、航向、第一位置坐标；
位置解算模块，用于构建非线性定位解算模型，通过迭代解算，获取声信标的第二位置坐标。
优选地，定位系统用于设置在移动平台上。
优选地，定位系统还可以应用于智能装置中，智能装置分别与移动平台和听水器进行数据交互，通过收集移动平台和听水器采集的声信标的信标脉冲信号，对声信标进行定位。
本发明公开了以下技术效果：
本发明实现了对声信标进行快速定位的技术效果，并且解算精度高，为声信标定位技术提供了新的技术思路。
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为本发明所述的实施示意图；
图2为本发明所述的解算原理流程图；
图3为本发明所述的测量位置和信标位置
图4为本发明所述的信标位置X坐标解算值随测量时间的变化结果；
图5为本发明所述的信标位置Y坐标解算值随测量时间的变化结果；
图6为本发明所述的信标位置X坐标解算误差随测量时间的变化结果；
图7为本发明所述的信标位置Y坐标解算误差随测量时间的变化结果。
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1-7所示，本发明提供了基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，通过移动平台携带单个水听器，处在水底的声信标进行定位，包括以下步骤：
采集水听器接收到的相邻的两个脉冲信号的传播时间差；
基于传播时间差，通过获取移动平台的航速、航向，以及在听水器接收到每个脉冲信号时移动平台的第一位置坐标，构建非线性定位解算模型，其中，非线性定位解算模型用于通过迭代解算，获取声信标的第二位置坐标。
进一步优选地，在获取第一坐标的过程中，第一坐标的表达式为：
pi＝[xwi，ywi]T
Figure BDA0003639729180000051
其中，Pi表示水听器接收到第i个脉冲时的位置坐标，V表示航速，C表示航向，
Figure BDA0003639729180000052
表示第i个脉冲的到达时间ti与第i-1个脉冲的到达时间ti-1传播时间差，。
进一步优选地，在获取第二位置坐标的过程中，通过设置迭代初值、迭代步长因子、迭代次数，对非线性定位解算模型进行解算，获取第三位置坐标。
进一步优选地，在对非线性定位解算模型进行解算的过程中，根据迭代初值，通过非线性定位解算模型，获取第一迭代步长量及其对应的第一误差值；
根据第一迭代步长量对非线性定位解算模型进行解算，获取第二误差值；
根据第一误差值和第二误差值的关系，通过调整迭代步长因子，使得第二误差值小于第一误差值后，获取第二误差值对应的第二迭代步长量；
根据第二迭代步长量，对非线性定位解算模型进行解算，生成第二位置坐标。
进一步优选地，在调整迭代步长因子的过程中，当第二误差值小于等于第一误差值时，迭代步长因子缩小十倍；当第二误差值大于第一误差值时，迭代步长因子扩大十倍。
进一步优选地，在获取第二迭代步长量的过程中，当迭代步长因子大于等于106时，根据迭代步长因子对应的误差值作为第二误差值，生成第二位置坐标。
进一步优选地，在生成第二位置坐标的过程中，当第二误差值随测量时间的增大逐渐趋于平稳时，根据第二误差值对应的第二迭代步长量，生成的第二位置坐标为声信标的位置坐标。
进一步优选地，用于实现定位方法的定位系统，包括：
数据采集模块，用于采集传播时间差、航速、航向、第一位置坐标；
位置解算模块，用于构建非线性定位解算模型，通过迭代解算，获取声信标的第二位置坐标。
进一步优选地，定位系统用于设置在移动平台上。
进一步优选地，定位系统还可以应用于智能装置中，智能装置分别与移动平台和听水器进行数据交互，通过收集移动平台和听水器采集的声信标的信标脉冲信号，对声信标进行定位。
实施例1：本发明在移动式测量过程中，根据当前接收时刻以前所有相邻脉冲间的接收时间差序列，通过改进的牛顿法解非线性方程解算信标位置，具体过程为：如图1所示的信标定位实施示意图中，移动平台携带有单个水听器，起始位置位于直角坐标系坐标原点O，以航速V、航向C自位置A1依次运动到位置A2，A3，…，Ai(坐标以pi＝[xwi,ywi]T表示)，水听器依次接收到第1，2，…，i个脉冲，实施步骤如下：
1)计算相邻脉冲时间差序列：水听器接收到的第i个信标脉冲与第i-1个脉冲间的传播时间差序列为
Figure BDA0003639729180000071
其中，传播时间差
Figure BDA0003639729180000072
为水听器接收到第i个水声脉冲与前1个脉冲的传输时间差。
Figure BDA0003639729180000073
由第i个脉冲的到达时间ti与第i-1个脉冲的到达时间ti-1得到，具体计算公式为：i＝1时，
Figure BDA0003639729180000074
i≥2时，
Figure BDA0003639729180000075
2)推算水听器位置：水听器接收到第i个脉冲时的位置Ai的坐标pi＝[xwi,ywi]T，由移动平台航速V(单位：米/秒)、航向C(单位：度)得到，具体计算公式为：
Figure BDA0003639729180000076
3)迭代解算：根据1)计算得到的
Figure BDA0003639729180000077
结合2)计算得到位置A1～Ai的位置坐标p1～pi，将迭代初值z0带入定位解算方程，由改进的牛顿法求得移动平台在位置Ai时的解z′和误差值e。具体步骤进一步包括：
3.1)建立非线性定位解算方程：定位方程为F(z)＝cf，其中，
Figure BDA0003639729180000078
表示水听器接收到的相邻两个水声脉冲时间间隔变化，其中，T为信标发射脉冲周期，为已知量；c为声波在海水中的传播速度。前述方程中，失事声信标位置坐标以矩阵表示为z＝[x y]；X＝[xw1,xw2,…,xwi]T，表示为前i个水听器位置的横向分量序列；Y＝[yw1,yw2,…,ywi]T，表示为前i个水听器位置的纵向分量序列。
3.2)改进的牛顿法解非线性方程：将迭代初值z0带入定位解算方程F(z)＝cf，由改进的牛顿法求得解z′和误差e的详细步骤如下：
步骤1)设定解算初值：初值
Figure BDA0003639729180000081
迭代步长因子λ，迭代次数N；
步骤2)计算偏微分矩阵初值：
Figure BDA0003639729180000082
步骤3)计算雅克比矩阵：J＝G0 TG0；
步骤4)计算对角阵加权：Jr＝(1+λ)diagJ；
步骤5)求误差：
Figure BDA0003639729180000083
步骤6)计算迭代步长量：
Figure BDA0003639729180000084
并计算误差值e＝sTs；
步骤7)计算迭代解算值：z′＝z0+dz，并将其带入解算方程得到s′＝F(z′)，进而得到误差新值e′＝(s′)Ts′；
步骤8)调整步长因子λ：如果e′≤e，λ值减小10倍；如果e′＞e，λ值增大10倍，重新进行步骤4～步骤8，直至新误差e′小于旧误差e或λ≥106，得到最新的迭代解算值z′；
步骤9)迭代更新：下一次迭代开始，使用最新的z′更新上一次的解算值z0，重新进行步骤3～步骤9，直至||dz||2≤10-5||z′||2或者迭代次数大于N，迭代停止，此时，z′即为第i次测量的信标位置解算值；。
4)更新类推：当移动平台运动到位置Ai+1时，水听器接收到第i+1个水声脉冲，更新迭代解算初值z0为z′，用i+1替换i，重复进行1)～3)。
5)收敛判定：根据误差值e的变化判断解算结果收敛情况，当误差值e随测量时间的增大逐渐趋于平稳时，则解算结果收敛，解算值z′就是最终的信标位置。
图3为采用本发明进行信标定位的测量位置和信标位置。其中，设定失事声信标位置坐标为(3.0,1.5)km，发射单频脉冲信号频率为37.5kHz，周期为1s，水中声速为1500m/s，移动平台自坐标原点以航向C＝33.4°、航速V＝2m/s进行走航式测量，考虑流速、声传播等因素的影响，因平台航向和航速误差造成的平台位置误差服从正态分布χ～N(0,10)，接收脉冲时间误差服从正态分布χ～N(0,0.06)，改进的牛顿法解非线性方程的迭代步长为λ＝0.01，最大迭代次数N＝100。图4～图7为信标位置解算结果，其中，从图4～图5的结果可以看出，解算坐标结果与信标坐标真值接近，从图4～图5的结果可以看出，在1400秒时解算结果收敛，信标X坐标解算相对误差为0.87％，信标Y坐标解算相对误差为0.12％，解算精度较高。当移动平台速度提高时，收敛时间减小，定位效率将进一步得到提高。
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.基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于，通过移动平台携带单个水听器，对处在水底的声信标进行定位，包括以下步骤：
采集所述水听器接收到的相邻的两个脉冲信号的传播时间差；
基于所述传播时间差，通过获取所述移动平台的航速、航向，以及在所述听水器接收到每个所述脉冲信号时所述移动平台的第一位置坐标，构建非线性定位解算模型，其中，所述非线性定位解算模型用于通过迭代解算，获取所述声信标的第二位置坐标。
2.根据权利要求1所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在获取所述第一坐标的过程中，所述第一坐标的表达式为：
pi＝[xwi，ywi]T
Figure FDA0003639729170000011
其中，Pi表示水听器接收到第i个脉冲时的位置坐标，V表示航速，C表示航向，
Figure FDA0003639729170000012
表示第i个脉冲的到达时间ti与第i-1个脉冲的到达时间ti-1传播时间差。
3.根据权利要求2所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在获取第二位置坐标的过程中，通过设置迭代初值、迭代步长因子、迭代次数，对所述非线性定位解算模型进行解算，获取第三位置坐标。
4.根据权利要求3所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在对所述非线性定位解算模型进行解算的过程中，根据所述迭代初值，通过所述非线性定位解算模型，获取第一迭代步长量及其对应的第一误差值；
根据所述第一迭代步长量对所述非线性定位解算模型进行解算，获取第二误差值；
根据所述第一误差值和所述第二误差值的关系，通过调整所述迭代步长因子，使得所述第二误差值小于所述第一误差值后，获取所述第二误差值对应的第二迭代步长量；
根据所述第二迭代步长量，对所述非线性定位解算模型进行解算，生成所述第二位置坐标。
5.根据权利要求4所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在调整所述迭代步长因子的过程中，当所述第二误差值小于等于所述第一误差值时，所述迭代步长因子缩小十倍；当所述第二误差值大于所述第一误差值时，所述迭代步长因子扩大十倍。
6.根据权利要求5所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在获取第二迭代步长量的过程中，当所述迭代步长因子大于等于106时，根据所述迭代步长因子对应的误差值作为所述第二误差值，生成所述第二位置坐标。
7.根据权利要求6所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
在生成第二位置坐标的过程中，当所述第二误差值随测量时间的增大逐渐趋于平稳时，根据所述第二误差值对应的所述第二迭代步长量，生成的所述第二位置坐标为所述声信标的位置坐标。
8.根据权利要求7所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
用于实现所述定位方法的定位系统，包括：
数据采集模块，用于采集所述传播时间差、所述航速、所述航向、所述第一位置坐标；
位置解算模块，用于构建所述非线性定位解算模型，通过迭代解算，获取所述声信标的第二位置坐标。
9.根据权利要求8所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
所述定位系统用于设置在所述移动平台上。
10.根据权利要求8所述基于时间信息通过单个水听器对水底声信标的定位方法，其特征在于：
所述定位系统应用于智能装置中，所述智能装置分别与所述移动平台和所述听水器进行数据交互，通过收集所述移动平台和所述听水器采集的所述声信标的信标脉冲信号，对所述声信标进行定位。
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