一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，由捷聯慣性導航系統SINS、AUV底部的單水聽器(接收器)以及海底單水聽器(帶聲源)組成。采用基于海底水聽器發出的超聲波的周期而移動的時間窗模型，在時間窗內部通過對AUV處于不同位置時接收到的聲源信號做廣義互相關得到時延差，再通過計算時間窗內部AUV多點模型得到AUV最新位置坐標。本發明通過時間窗內部AUV多點模型計算，AUV航行距離無需過遠，從而有效減小了慣導系統隨著時間不斷累積而造成的定位誤差。本發明中AUV無需上浮出水面進行位置更新，無需數據通信且AUV被動接受超聲波信號，不易暴露位置，提高了AUV的隱蔽性和安全性。
【專利說明】
一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法
技術領域
[0001] 本發明屬于捷聯慣性導航技術領域，尤其涉及為一種基于周期移動時間窗的被動 水聲定位方法。
【背景技術】
[0002] AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器)現在在執行各種水下 任務中發揮著重要的作用，其中包括海洋探測、水下排雷和收集海洋及河流的水深測量數 據等。為了保證AUV能夠在水下順利完成任務，并且得到比較精確的水下測量數據，就必須 要求其在水下具有長期的自主的高精度定位導航能力，并且具有較高的隱蔽性。
[0003] 現在大部分AUV上使用DVL與SINS進行組合導航，并通過艦位推算的方法來估計位 置，但這樣會引起慣導系統定位誤差隨著時間不斷累積，而不能滿足長期的自主的高精度 定位要求。AUV在淺海執行任務時采用的"潛航-水面校正-潛航"的導航模式進行定位導航， 即當AUV在水下航行時依靠 SINS/DVL進行定位導航，當AUV在水下潛行一定時間后為了校正 累積誤差，AUV必須上浮水面，使用SINS/GPS組合導航系統進行校正。采用這種方案，雖然能 達到校正累積誤差的目的，但是必須要求AUV不斷往返于水下作業地點與水面之間。這樣做 不僅影響工作效率，而且更容易暴露AUV的位置。特別是當AUV在深海或者冰下作業時，這種 方案更加不切實際。因此，研究一種在水下長期的自主的進行可靠輔助定位的方法十分重 要。

【發明內容】

[0004] 發明目的：本發明針對以往的DVL與SINS進行組合導航方法存在的定位誤差會隨 著時間不斷累積、"潛航-水面校正_潛航"的導航模式容易暴露AUV的位置等在AUV水下自主 式導航方面存在的問題，提供一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，利用海底水 聽器來確定載體的位置，計算出的位置坐標。特別適用于長期的自主的水下高精度定位導 航，并且具有較高的隱蔽性。
[0005] 技術方案:一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，包括以下步驟：
[0006] (1)對固定在海底的單個水聽器作為聲源進行定位，計算其慣性坐標系下的位置 坐標P(x，y，z);
[0007] (2)海底的水聽器時刻保持工作狀態，且不斷發出周期為t的超聲波脈沖信號，當 AUV底部固定的水聽器作為接收器接收到10個周期的脈沖信號后，即經過時間10t，AUV已經 向前行進了一段距離，當AUV底部固定的水聽器接收到第11個脈沖信號時，確定并記錄AUV 當前位置?1(1 = 〇，1，2,3-），此時以脈沖信號的出現作為周期信號的起始位置，接收器接 收海底水聽器發出的一個周期的聲信號Xl(i = 〇，l，2,3~）；
[0008] (3)AUV在水聽器所在附近水域航行時，選取記錄下來的4個AUV的連續位置形成時 間窗，表示出4個位置Pi (i = 0，1，2，3)絕對地理坐標系下的坐標為：
[0010] ⑷由P3處接收到的聲信號分別與P2U0處接收到的聲信號做互相關得到時延 差 丁32、丁31、丁30:
[0011] A t3i = T3i-(30-10i)t，（i = 0，l，2);
[0012] 而AUV在Pi(i = 0，l，2,3)處時與海底水聽器P(x，y，z)的距離為：
[0014] 所以根據所估計的時延差，水下聲速設為恒定值，記為c，得到以下的方程組：
[0015] L3-Lo= A t3〇c
[0016] L3-Li= A t3ic；
[0017] L3_L2 = A t32C
[0018] (5)由步驟(3)中的坐標代入的距離公式后再代入方程組后，由方程組中的3個方 程得到所需的P3的坐標(幻，73, 23)，即4群此時最新的坐標位置。
[0019] 由于隨海底水聽器發出的脈沖信號周期的移動，以AUV的四個連續位置、形成多個 時間窗，對之后的時間窗進行相同計算，可對AUV的位置進行實時跟蹤并定位，使用該方法 后可以得到更精確的當前位置坐標。
[0020] 所述步驟(3)時間窗的表示方法為：
[0021] 1)設定原始AUV的慣性坐標系下的位置坐標為?〇(隊7()，2())，在經過時間1(^之后， 得到當前的位置坐標Pi(xi，yi，zi)，在經過時間20t之后，得到當前的位置坐標P2U2，y2，Z2)， 在經過時間30t之后，得到最新的位置坐標P3(X3，y3，Z3)，此時的四個點形成一個時間窗；
[0022] 2)當海底水聽器發出的脈沖信號經過10個周期即10t時，AUV得到當前的慣性坐標 系下的位置坐標為?4(14,74,24)，此時將?()(1()，7()，2())從時間窗中刪除，并將當前的?4與？1、 p 2、p3組成新的時間窗。以此類推，在AUV航行的過程中，時間窗保持lot的周期向后移動；
[0023] 3)其中第一個時間窗中，通過母船上的頂U和羅經傳感器對AUV當前的航向、速度 等信息進行測量并積分運算后得到的lot、20t、30t時間內AUV在絕對地理坐標系中X、y、Z軸 向的航行距離分別為 A xi、A X2、A X3、A yi、A y2、A y3、A zi、A Z2、A Z3,從而用最新位置P3 (13,73,23)為未知參數，將?心=0，1，2)表示為 ：
[0024] (xo，yo，Z()) = ((X3_ A xi)，(y3_ A ，(Z3_ A zi))
[0025] (xi，yi，zi) = ((X3_ A X2)，（y3_ A y2)，（Z3_ A Z2));
[0026] (X2，y2，Z2) = ((X3- A X3)，(y3- A y3)，(Z3- A Z3))
[0027] 4)后續的時間窗同第一個時間窗的處理方法相同，用最新位置的坐標作為未知參 數表示出前三個記錄的位置的坐標。
[0028]所述步驟(4)中互相關得到時延差的方法為：
[0029] 5)假設水聽器在?:接收到的信號為：
[0030] xi(t) = aix(t-Ti)+ru(t)；
[0031] 6)水聽器在Pj接收到的信號為：
[0032] xj(t) =ajx(t-Tj)+nj(t)；
[0033] 其中ai、aj為聲信號在水中傳播的衰減系數，m(t)、nj(t)為互不相關的噪聲信號， Ti、Tj為傳播時間；
[0034] 7)由步驟(5)的公式對AUV底部的水聽器在不同位置接收到的聲源信號做廣義互 相關計算，Xi(t)與Xj(t)的互相關函數為：
[0036] 8)其中nm，表示到達時間差，T表示觀測時間。根據相關函數的性質，只要找 出尺,的峰值，其對應的Tij由兩部分組成，一是AUV底部固定的水聽器在Pi處與Pj處由于 與海底水聽器距離不同導致聲信號傳播時間不同而造成的時間差A ，二是AUV從匕到Pi 位置所經時間kt (k為經過的周期數）。
[0037]有益效果:本發明通過在水底設置單個水聽器(帶聲源），以及在AUV底部設置單個 水聽器(接收器），利用海底水聽器持續發送聲信號來對載體的位置進行實時更新，計算出 的位置坐標是相對于地球坐標系下的坐標，再通過坐標轉換，轉換成大地坐標系下的經煒 度數據。本發明與現有技術相比的優點在于：
[0038] (1)本發明利用海底水聽器持續發送聲信號來對AUV的位置進行確定，AUV被動接 收聲信號，具有了較高的隱蔽性，不容易暴露AUV的位置。
[0039] (2)本發明采用基于周期移動的時間窗定位方法，以AUV的四個連續位置形成時間 窗，并且時間窗根據海底水聽器發出的脈沖信號的周期而移動，可對AUV的位置進行實時跟 蹤并定位，使用該方法后可以有效減少慣導系統隨著時間不斷累積的定位誤差，可以得到 更精確的當前位置坐標。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發明的流程圖；
[0041] 圖2為本發明的時間窗模型示意框圖；
[0042]圖3為本發明聲源信號做廣義互相關得到時延差流程圖。
【具體實施方式】
[0043]下面將結合附圖，對本發明的實施案例進行詳細的描述；
[0044] 如圖1，本發明的具體實施步驟如下：
[0045] 1)首先AUV通過計算機獲取到水下水聽器作為帶聲源在慣性坐標系下的位置坐標 P(x,y,z)；
[0046] 2)然后設定當前六群的慣性坐標系下的位置坐標為?(^()，7()，2())，此后41^向前，并 時刻保持接收水聽器發出的超聲波，在接收到10個周期的超聲波后，（即航行經過時間 10t)，AUV到達位置Pi，AUV通過母船上的IMU(Inertial measurement unit)和羅經等傳感 器對AUV當前的航向、速度等信息進行測量并積分運算后，記錄當前在慣性坐標系中x、y、z 軸向的航行距離分別為A xi、A yi、A zi，并記錄下一個周期的超聲波信號，記錄結束后，AUV 繼續向前航行，在經過時間201之后，AUV到達位置P2，記錄當前在慣性坐標系中x、y、z軸向 的航行距離分別為A X2、A y2、A Z2,并記錄下一個周期的超聲波信號，在經過時間30t之后， AUV到達位置P3,記錄當前在慣性坐標系中x、y、z軸向的航行距離分別為A X3、A y3、A Z3,并 記錄下一個周期的超聲波信號；
[0047] 3)當計算機記錄了四個位置之后，計算機通過記錄的信息，用最新位置P3的慣性 坐標系下的坐標(X3，y3，Z3)為未知參數，可將Pi (i = 0，1，2)的坐標表示為：
[0048] (xo,yo,zo) = ((x3~ A xi), (y3~ A yi), (z3~ A zi))
[0049] (xi ,yi,zi) = ((X3_ A X2), (y3_ A y2), (Z3_ A Z2))
[0050] (X2,y2,Z2) = ((X3_ A X3), (y3_ A y3), (Z3_ A Z3))
[00511 1)計算機對P3處接收到的聲信號分別與P^P^Po處接收到的聲信號做互相關，
[0052] 如圖3,過程如下：
[0053] 假設水聽器在?:接收到的信號為(i = 0，1，2，3):
[0054] xi(t) = aix(t-Ti)+ru(t)；
[0055] 其中ai為聲信號在水中傳播的衰減系數，m(t)為互不相關的噪聲信號，Ti為
[0056] 傳播時間；
[0057] 由步驟(2)中AUV底部的水聽器在不同位置接收到的聲源信號做廣義互相 [0058]關計算^1(〇(1 = 0，1，2)與的幻(〇互相關函數為：
[0060] 其中t = T3-Ti，表示到達時間差，T表示觀測時間。計算機通過一定的算法找出 的峰值，其對應的t i3由兩部分組成，一是AUV底部固定的水聽器作為接收器在Pi處與P3處由 于與海底水聽器距離不同導致聲信號傳播時間不同而造成的時間差A tl3，二是AUV從PjlJ P3位置所經時間kt(k為經過的周期數）；
[0061] 所以由P3處接收到聲信號的所需時間與P^P^Po處接收到聲信號的所需時間的時 間差為：
[0062] A t3i = T3i-(30-10i)t,(i = 0,l,2)；
[0063] 2)由AUV在Pi(i = 0，l，2,3)處時與海底水聽器P(x，y，z)的距離為：
[0065] 所以根據計算機得到的時間差，水下聲速設為恒定值，記為c，可以得到以下的方 程組：
[0066] L3_Lo = A t30C
[0067] L3~Li= A t3ic ；
[0068] L3~L2= A t32C
[0069] 3)計算機將步驟(3)中的坐標代入的距離公式后再代入方程組后，由方程組中的3 個方程可以得到所需的P3的坐標(13,73,23)，8卩41^此時最新的坐標位置，再通過坐標轉換 成大地坐標系下的經煒度數據，此時第一個時間窗計算完成；
[0070] 4)AUV繼續向前航行，海底水聽器發出的脈沖信號又經過10個周期即10t時，AUV到 達位置P4,記錄當前在慣性坐標系中x、y、z軸向的航行距離分別為A X2、A y2、A Z2,并記錄 下一個周期的超聲波信號，此時將Po(xQ，y()，Z())從時間窗中刪除，并將當前的P4與組 成新的時間窗。以此類推，在AUV航行的過程中，時間窗一直保持10t的周期向后移動；
[0071] 5)此后的時間窗同第一個時間窗的處理方法相同，可用最新位置的坐標作為未知 參數表示出前三個記錄的位置的坐標，從而得到最新位置的坐標的準確值；
[0072]本發明針對現有技術中的兩種情況提出了有效的解決方式：由捷聯慣性導航系統 SINS、AUV底部的單水聽器(接收器）以及海底單水聽器(帶聲源)組成。采用基于海底水聽器 發出的超聲波的周期而移動的時間窗模型，在時間窗內部通過對AUV處于不同位置時接收 到的聲源信號做廣義互相關得到時延差，再通過計算時間窗內部AUV多點模型得到AUV最新 位置坐標。由于時間窗基于超聲波周期不斷向前移動，能夠達到較好的定位精度并且增加 系統的冗余性。本發明通過時間窗內部AUV多點模型計算，AUV航行距離無需過遠，從而有效 減小了慣導系統隨著時間不斷累積而造成的定位誤差。本發明中AUV無需上浮出水面進行 位置更新，無需數據通信且AUV被動接受超聲波信號，不易暴露位置，提高了 AUV的隱蔽性和 安全性。
【主權項】
1. 一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 對固定在海底的單個水聽器作為聲源進行定位，計算其慣性坐標系下的位置坐標P (x,y,z)； (2) 海底的水聽器時刻保持工作狀態，且不斷發出周期為t的超聲波脈沖信號，當AUV底 部固定的水聽器作為接收器接收到10個周期的脈沖信號后，即經過時間l〇t，AUV已經向前 行進了一段距離，當AUV底部固定的水聽器接收到第11個脈沖信號時，確定并記錄AUV當前 位置 Pl(i=0，l，2,3-)，此時以脈沖信號的出現作為周期信號的起始位置，接收器接收海 底水聽器發出的一個周期的聲信號 Xl(i = 〇，l，2,3~）； (3) AUV在水聽器所在附近水域航行時，選取記錄下來的4個AUV的連續位置形成時間 窗，表示出4個位置Pi (i = 0，1，2，3)絕對地理坐標系下的坐標為：(4) 由P3處接收到的聲信號分別與P^P^Po處接收到的聲信號做互相關得到時延差132、 丁31、丁30: A t3i = T3i-(30-10i)t,(i = 0,l,2)； 而AUV在Pi(i = 0，l，2,3)處時與海底水聽器P(x，y，z)的距離為：所以根據所估計的時延差，水下聲速設為恒定值，記為c，得到以下的方程組： Z.; -Z.0 = /Stwc L;-L、= At''c .la' ~ ~ (5) 由步驟(3)中的坐標代入的距離公式后再代入方程組后，由方程組中的3個方程得 到所需的P3的坐標(X3，y3，Z3)，即AUV此時最新的坐標位置。2. 根據權利要求1所述的一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，其特征在于， 所述步驟(3)時間窗的表示方法為： 1) 設定原始AUV的慣性坐標系下的位置坐標為?〇(叫外，別），在經過時間1(^之后，得到 當前的位置坐標?1(11，71，21)，在經過時間201：之后，得到當前的位置坐標?2(12,72,22)，在經 過時間30t之后，得到最新的位置坐標?3(幻， 73,23)，此時的四個點形成一個時間窗； 2) 當海底水聽器發出的脈沖信號經過10個周期即lot時，AUV得到當前的慣性坐標系下 的位置坐標為?心4,74,24)，此時將?(^()， 7()，2())從時間窗中刪除，并將當前的?4與？1、？2、？3 組成新的時間窗。以此類推，在AUV航行的過程中，時間窗保持lot的周期向后移動； 3) 其中第一個時間窗中，通過母船上的IMU和羅經傳感器對AUV當前的航向、速度等信 息進行測量并積分運算后得到的l〇t、20t、30t時間內AUV在絕對地理坐標系中x、y、z軸向的 航行距離分別為 A xi、A X2、A X3、A yi、A y2、A y3、A zi、A Z2、A Z3,從而用最新位置P3(X3, y3，Z3)為未知參數，將Pi(i = 0，l，2)表示為： 4) 后續的時間窗同第一個時間窗的處理方法相同，用最新位置的坐標作為未知參數表 示出前三個記錄的位置的坐標。3.根據權利要求1所述的一種基于周期移動時間窗的被動水聲定位方法，其特征在于， 所述步驟(4)中互相關得到時延差的方法為： 5) 假設水聽器在^接收到的信號為： Xi⑴=aiX(t-Ti)+ni(t) ;6)水聽器在Pj接收到的信號為： Xj(t)=ajX(t-Tj)+nj(t)； 其中ai、aj為聲信號在水中傳播的衰減系數，]^(1:)、11」(1:)為互不相關的噪聲信號，^、4 為傳播時間； 7) 由步驟(5)的公式對AUV底部的水聽器在不同位置接收到的聲源信號做廣義互相關 計算，Xi(t)與Xj(t)的互相關函數為：8) 其中T = Tj-Tl，表示到達時間差，T表示觀測時間。根據相關函數的性質，只要找出 心.，（0的峰值，其對應的由兩部分組成，一是AUV底部固定的水聽器在Pi處與Pj處由于與 海底水聽器距離不同導致聲信號傳播時間不同而造成的時間差A t^，二是AUV從匕到 置所經時間kt (k為經過的周期數）。
【文檔編號】G01C21/16GK106054135SQ201610312943
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】張濤, 王自強, 朱永云, 胡賀慶, 楊書天
【申請人】東南大學