一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及目標(biāo)跟蹤定位方法，具體設(shè)及一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方 法，屬于水下目標(biāo)跟蹤定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類對(duì)海洋探索開發(fā)的推進(jìn)，人類開展的水下活動(dòng)日益頻繁，在水下布放的 科學(xué)研究、資源開發(fā)、工程建設(shè)、國(guó)防軍事等各領(lǐng)域的設(shè)備裝備也越來越多。如何對(duì)該些水 下目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，尤其是區(qū)域內(nèi)多目標(biāo)的跟蹤定位成為水下定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)。由 于純被動(dòng)的水下探測(cè)定位存在較大困難，且有較大的工程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)階段主要還是采用 合作聲信號(hào)的測(cè)量方式進(jìn)行水下定位。目前在區(qū)域內(nèi)水下多目標(biāo)跟蹤定位領(lǐng)域，主要是通 過合作聲信號(hào)的頻率不同來區(qū)分各個(gè)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)水下目標(biāo)的跟蹤定位?？紤]到 水聲信號(hào)的傳播特性及工程實(shí)踐需求，測(cè)量用水聲信號(hào)多分布于10曲z-l(K)曲Z頻帶范圍 內(nèi)，該頻帶范圍與海洋聲學(xué)成像、回聲探測(cè)、水下導(dǎo)航、捕魚、水聲通信、礦藏探測(cè)、軍用聲納 等領(lǐng)域使用的頻帶范圍都有很大部分重疊，因而水下頻帶資源顯得嚴(yán)重不足，并面臨著區(qū) 域內(nèi)各種水下設(shè)備相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是需要在區(qū)域內(nèi)對(duì)多個(gè)水下目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位時(shí) 尤其如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，該方法工作示意圖 如圖1所示，工作流程圖如圖2所示，該方法通過水聲浮標(biāo)測(cè)量陣和測(cè)量母船合作來完成對(duì) 水下各目標(biāo)的跟蹤定位，其中水聲浮標(biāo)陣實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)合作聲信號(hào)的接收、相關(guān)時(shí)延值的計(jì) 算及浮標(biāo)位置的測(cè)量，并將時(shí)延值結(jié)果及浮標(biāo)位置回傳至測(cè)量母船，測(cè)量母船通過架設(shè)的 天線接收浮標(biāo)的回傳數(shù)據(jù)，再經(jīng)由主控計(jì)算機(jī)及船載綜合處理機(jī)組成的基站完成對(duì)目標(biāo)位 置的解算及顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)各水下目標(biāo)的跟蹤定位。
[0004] 本方法具體實(shí)現(xiàn)過程如下；
[0005] (1)在海區(qū)布放如圖1所示的海面浮標(biāo)測(cè)量陣，具體陣形及浮標(biāo)個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè) 量范圍需求及浮標(biāo)有效聲學(xué)作用距離指標(biāo)而定，布放原則是保證目標(biāo)在任何時(shí)刻至少處于 四個(gè)浮標(biāo)的有效聲學(xué)作用距離內(nèi)。
[0006] (2)水下目標(biāo)按如圖3所示方式發(fā)射合作聲信號(hào)：目標(biāo)1發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)同步信號(hào)，目標(biāo) 2發(fā)送延時(shí)同步信號(hào)（與目標(biāo)1相比延時(shí)T)，且各目標(biāo)合作聲信號(hào)的頻率相同。
[0007] (3)當(dāng)水下目標(biāo)進(jìn)入浮標(biāo)陣有效聲學(xué)作用距離時(shí)，相應(yīng)的浮標(biāo)將接收到目標(biāo)發(fā)射 的合作聲信號(hào)，并按同步周期進(jìn)行相關(guān)估計(jì)，得出相應(yīng)的時(shí)延值，最后將時(shí)延值回傳至船載 基站，由基站完成對(duì)目標(biāo)位置的解算及顯示。理論上若W第i(i= 1，2)個(gè)目標(biāo)的同步時(shí)間 為準(zhǔn)，則通過相關(guān)估計(jì)出的信號(hào)時(shí)延中只有目標(biāo)i是準(zhǔn)確的，因而在進(jìn)行球面交匯解算時(shí) 只有目標(biāo)i可W解算出連續(xù)準(zhǔn)確的位置軌跡，W此類推，將可解算出兩水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌 跡。下面W第i個(gè)目標(biāo)為例，詳細(xì)介紹具體的解算過程：
[0008] (1)目標(biāo)時(shí)延周期匹配
[0009] 假設(shè)水下目標(biāo)個(gè)數(shù)為兩個(gè)，兩個(gè)目標(biāo)按本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方式發(fā)射相同的合作聲信 號(hào)，圖4為W第i個(gè)目標(biāo)的同步周期為準(zhǔn)計(jì)算出的時(shí)延估計(jì)值示意圖，其中Fi(i= 1，2,3， 4)表示浮標(biāo)i，F(xiàn)iTj(j= 1，2,3，......）表示第i個(gè)浮標(biāo)的第j個(gè)同步周期，F(xiàn)iTjtk化= 1，2)表示第i個(gè)浮標(biāo)的第j個(gè)同步周期內(nèi)解算出的第k個(gè)時(shí)延。由于現(xiàn)實(shí)中浮標(biāo)的有效 水聲作用距離Sf(或者是目標(biāo)與最遠(yuǎn)浮標(biāo)之間的距離）可能大于一個(gè)同步周期內(nèi)聲速的 傳播距離CXTs(其中C表示聲速，Ts表示同步周期），甚至是CXTs的m倍，目標(biāo)某一時(shí) 刻發(fā)射的合作聲信號(hào)需要幾個(gè)同步周期后才能被距離目標(biāo)較遠(yuǎn)的浮標(biāo)接收到，即同一同步 周期內(nèi)四個(gè)浮標(biāo)接收到的信號(hào)不一定是目標(biāo)同一時(shí)刻發(fā)射的合作聲信號(hào)，計(jì)算出的相應(yīng)時(shí) 延值也不匹配，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的正確解算，因而需要對(duì)各個(gè)浮標(biāo)計(jì)算出的時(shí)延值 進(jìn)行周期匹配。若WF1為基準(zhǔn)浮標(biāo)，浮標(biāo)的有效水聲作用距離Sf滿足（mXcXTs<Sf < (m+1)XcXTs)，則距離目標(biāo)最遠(yuǎn)的浮標(biāo)可能最多需要在m個(gè)周期后才能接收到信號(hào)，因 而當(dāng)基準(zhǔn)浮標(biāo)F1取定一組時(shí)延值時(shí)（如FlT3tl、FlT3t2)，則浮標(biāo)F1的準(zhǔn)確時(shí)延值可能為 FlT3tl+TxXTs、FlT3t^TxXTs(Tx= 0，1，2,…，m)，且F1 每取定一組準(zhǔn)確時(shí)延值，F(xiàn)2、F3、 F4都分別有m組可能值與其相對(duì)應(yīng)，即將會(huì)有（m+1)4組可能性的時(shí)延組合。為方便說明， 表1結(jié)合圖4給出m= 1時(shí)的時(shí)延組合表，m為其它值時(shí)與此類似。
[0010] (2)目標(biāo)位置組合解算
[0011] 距離測(cè)量定位系統(tǒng)是通過測(cè)量合作聲信號(hào)的傳播時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位的。每 一組時(shí)間測(cè)量確定聲源所在的一個(gè)球面，即；
[0012] (Xi-Xs)2+(yi-ys)2+(Zi_Zs)2=C2(ti_ts)2i= 1, 2,…，N(1)
[001引其中（X。y。Zi)和ti分別是第i個(gè)基元的空間位置和第i個(gè)陣元接收到信號(hào)時(shí)刻 相對(duì)于接收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間，（x,，y,，z,)和t,分別為聲源（目標(biāo)）空間坐標(biāo)和信號(hào)發(fā)射時(shí)刻 相對(duì)于接收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間，C為聲波在水中的傳播速度。
[0014]對(duì)于同步式定位系統(tǒng)，聲源、發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)時(shí)鐘同步，即心=0。該時(shí)（1)式 的模型變成如下形式：
[00巧](Xi-Xs)2+(yi-ys)2+(Zi_Zs)2=Ci= 1, 2,…，N似 [001引其中只有（x,，y,，z,)為未知量，其余均為已知量。顯然，似式的模型是個(gè)"球面 交匯模型"。眾所周知，兩個(gè)球面相交成一圓，=個(gè)球面相交于兩點(diǎn)，一般來講，四個(gè)球面相 交即可確定出空間的一個(gè)唯一點(diǎn)，該就是同步式水聲定位系統(tǒng)的基本原理。
[0017] 根據(jù)上述"球面交匯模型"，當(dāng)N= 4時(shí)，模型表達(dá)式（3-2)可W表示成如下形式：
[0018]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于，包括海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣以 及測(cè)量母船，通過以下步驟完成定位： (1) 布放海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣： 在海區(qū)布放海面浮標(biāo)測(cè)量陣，海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)發(fā)射的雙同步合作聲信 號(hào)的接收、相關(guān)時(shí)延值的計(jì)算及浮標(biāo)位置的測(cè)量，并將時(shí)延值結(jié)果及浮標(biāo)位置回傳至測(cè)量 母船； (2) 水下目標(biāo)發(fā)出雙同步合作聲信號(hào)：目標(biāo)1發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)同步信號(hào)，目標(biāo)2發(fā)送延時(shí)同步 信號(hào)，與目標(biāo)1相比延時(shí)τ ; (3) 測(cè)量母船通過架設(shè)的天線接收海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣的回傳數(shù)據(jù)，經(jīng)由主控計(jì)算機(jī) 及船載綜合處理機(jī)組成的基站完成對(duì)目標(biāo)時(shí)延周期匹配、目標(biāo)位置組合解算、球面方程組 解值回代及目標(biāo)位置深度區(qū)間選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的解算及顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)各水下目 標(biāo)的跟蹤定位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于：所述 的目標(biāo)1和目標(biāo)2發(fā)射的合作聲信號(hào)的頻率相同，信號(hào)一樣，發(fā)射同步周期不同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于：所述 的海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣的布放原則是保證目標(biāo)在任何時(shí)刻至少處于四個(gè)浮標(biāo)的有效聲學(xué) 作用距離內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于：所述 的步驟（3)的目標(biāo)時(shí)延周期匹配是以其中一個(gè)浮標(biāo)為基準(zhǔn)浮標(biāo)F1，浮標(biāo)的有效水聲作用距 離S f滿足條件mXcXTs < Sf <(m+l) XcXTs，其中c表示聲速，Ts表示同步周期，m為 個(gè)數(shù)，則距離目標(biāo)最遠(yuǎn)的浮標(biāo)需要在m個(gè)周期后接收到信號(hào)，基準(zhǔn)浮標(biāo)Fl取定一組時(shí)延值 時(shí)，其準(zhǔn)確時(shí)延值為？1了3七1+了1\了8、？1了3七2+了1\了8，了1=0，1，2，...，111，且？1每取定一組準(zhǔn) 確時(shí)延值，F(xiàn)2、F3、F4都分別有m組可能值與其相對(duì)應(yīng)，即將會(huì)有（m+1) 4組可能性的時(shí)延組 合，其中Fi :i=l，2,3,4表示浮標(biāo)i，F(xiàn)iTj :j=l，2,3，......表示第i個(gè)浮標(biāo)的第j個(gè)同步周 期，F(xiàn)iTjtk :k=l，2,表示第i個(gè)浮標(biāo)的第j個(gè)同步周期內(nèi)解算出的第k個(gè)時(shí)延。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于：所述 的步驟（3)的目標(biāo)位置組合解算是每種時(shí)延組合情況下，每個(gè)浮標(biāo)都將最多有2個(gè)時(shí)延值， 而時(shí)延值與目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系則無法確定，因而在進(jìn)行球面交匯解算時(shí)，需要通過組合的方 式對(duì)四個(gè)浮標(biāo)的時(shí)延值進(jìn)行匹配，即最多可得到2 4組球面方程組，按上文所述球面方程組 的求解方法最多可得到24組解。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于： 所述的步驟（3)的目標(biāo)位置組合解算過程為： 每一組時(shí)間測(cè)量確定目標(biāo)聲源所在的一個(gè)球面，即：
其中xi, yi, zi和ti分別是第i個(gè)基元的空間位置和第i個(gè)陣元接收到信號(hào)時(shí)刻相對(duì) 于接收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間，xs，ys，zs和ts分別為聲源目標(biāo)空間坐標(biāo)和信號(hào)發(fā)射時(shí)刻相對(duì)于接 收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間，c為聲波在水中的傳播速度； 對(duì)于同步式定位系統(tǒng)，聲源、發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)時(shí)鐘同步，即ts=0,這時(shí)式（1)的模型 變成如下形式：
其中只有xs，ys，ZS為未知量，其余均為已知量，式（2)的模型是個(gè)"球面交匯模型"，四 個(gè)球面相交即可確定出空間的一個(gè)唯一點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于： 所述的雙同步合作聲信號(hào)可以用一個(gè)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)水下雙目標(biāo)的跟蹤定位，當(dāng)多個(gè)頻率同時(shí) 使用時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)水下目標(biāo)的跟蹤定位。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙同步水下合作目標(biāo)跟蹤定位方法，包括海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣以及測(cè)量母船，通過以下步驟完成定位：布放海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣；水下目標(biāo)發(fā)出雙同步合作聲信號(hào)；測(cè)量母船通過架設(shè)的天線接收海面水聲浮標(biāo)測(cè)量陣的回傳數(shù)據(jù)，經(jīng)由主控計(jì)算機(jī)及船載綜合處理機(jī)組成的基站完成對(duì)目標(biāo)時(shí)延周期匹配、目標(biāo)位置組合解算、球面方程組解值回代及目標(biāo)位置深度區(qū)間選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的解算及顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)各水下目標(biāo)的跟蹤定位，本該方法可有效降低多目標(biāo)水下跟蹤定位所需的頻帶資源，減小定位系統(tǒng)與其他裝設(shè)備所用頻段相沖突或相干擾的情況，降低工程實(shí)踐的風(fēng)險(xiǎn)；節(jié)約設(shè)計(jì)成本；可有效降低計(jì)算量，有效降低硬件電路功耗，減小裝設(shè)備體積。
【IPC分類】G01S5-22
【公開號(hào)】CN104865554
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510224729
【發(fā)明人】李帥, 孫向前, 張永超, 徐國(guó)貴, 代偉, 朱元林, 彭水, 林開泉, 曹岳海
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月5日