基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统技术方案

基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，涉及水下定位技术领域，为解决现有技术中浮标方式和水面船的长基线定位难以长时间保持较好的阵型，从而降低了定位精度，且成本较高的问题，本发明专利技术利用声学波浪滑翔机提供了一种基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统。本发明专利技术既可以通过卫星实时得到基站的位置信息，又可以通过控位保持较好的阵型，实现高精度的定位，而且波浪滑翔机可以通过太阳能帆板获得各节点长期工作所需的能源，成本相对较低。

Underwater impulsive acoustic positioning system based on multi acoustic wave glider

【技术实现步骤摘要】
基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统
本专利技术涉及水下定位
，具体为一种基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统。
技术介绍
现有水下脉冲声定位系统中精度最高的是长基线定位系统，工作方式包括布放在海底的潜标方式、水面浮标方式和水面船方式等。对于基于潜标方式的长基线定位，应答器和信标锚定在海底，各站点位置事先测定，同步接收到信号后在数据处理中心估计节点间信号时延差进行定位解算。优点在于基站位置固定，阵型可以保持在定位精度高的最优状态，存在的问题是布放困难，校准耗时，在深海情况下尤为如此。对于浮标方式和水面船的长基线定位，基站的位置均可以通过卫星实时准确测量，各基站同步接收待定位目标辐射的声信号，进而估计信号传播到各基站间的时延差，进行定位解算。不足在于浮标位置随海流和波浪变化，难以长时间保持较好的阵型，降低了定位精度；而对于水面船而言虽然可以控制长基线基站的阵型，但是多艘水面船同时工作，成本较高，尤其是远海条件下船舶的吨位要求大。因此水面基站控位能力与定位系统成本相互制约，影响了长基线定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术中浮标方式和水面船的长基线定位难以长时间保持较好的阵型，从而降低了定位精度，且成本较高的问题，提供一种基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统。本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，包括：岸站处理中心和AWG节点，所述岸站处理中心用于对AWG节点传输来的数据进行存储与目标位置解算，并将处理结果进行显示，所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行处理，在信号检测、测向后通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给岸站处理中心，所述信号检测采用能量检测，信号检测的详细步骤为：首先假设AWG任一水听器接收信号为S(t)，进行时间长度为T，重叠的积分，得到将E(n)与设定的噪声门限C比较，如果E(n)>C，则认为该时间段内有脉冲信号，否则无脉冲信号。进一步的，所述岸站处理中心包括岸站数据通信模块、岸站GPS定位及授时模块、岸站数据存储模块、岸站数据解算模块和显控平台，所述岸站数据通信模块用于在AWG节点与岸站处理中心之间传输AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间数据；所述岸站GPS定位及授时模块用于接收GPS信号，并获取AWG节点的位置信息及位置信息对应的时间信息；所述岸站数据存储模块用于存储AWG节点传输的数据及经过解算后的数据；所述显控平台用于显示数据经过处理解算后得到的相关信息；所述AWG节点包括节点数据通信模块，节点GPS定位授时模块，节点控制模块，节点数据处理模块，电源模块，自主定位模块和水听器阵模块；所述节点数据通信模块用于岸站处理中心与AWG节点之间传输AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间等数据；所述节点GPS定位授时模块用于获得AWG各节点的实时GPS位置信息与时间；所述节点控制模块包括船体控制单元和数据控制单元，所述船体控制单元用于控制AWG的航行，所述数据控制单元用于控制数据的传输；所述节点数据处理模块用于对AWG节点接收到的数据进行信号检测，野值剔除处理；所述电源模块用于为AWG节点各模块供电；所述自主定位模块用于对检测到的目标信号进行处理，然后进行定位解算得到所需目标位置信息；所述水听器阵模块用于接收水中的声信号。进一步的，所述野值剔除处理包括单节点数据野点剔除和多节点数据野点剔除。进一步的，所述单节点数据野点剔除采用估计方位与合围区域吻合与否进行剔除，其具体步骤为首先对目标信号进行分子带方位估计，将方位估计结果进行直方图统计，得到目标信号的空间谱、估计目标方位及对应该方位下的幅频特征，然后根据AWG阵型得到多个AWG合围区域内目标相对于各AWG的方位范围，当估计目标的方位不在互谱范围内时，认为是野点，加以剔除。进一步的，所述单节点数据野点剔除的具体步骤为：首先脉冲信号相对于第i台AWG的方位为θ(t)i中，如果存在某时间的方位与其相邻时间点的方位均差距大，且不符合整体方位随时间的变化趋势，则该点视为野点，该时刻检测到的信号不是目标脉冲信号，剔除此时刻检测到的信号。进一步的，所述多节点数据野点剔除的具体步骤为：首先求出各节点对应目标信号特征频谱之间的相关系数，当相关系数值小于0.3时，认为检测到的是野点。进一步的，所述自主定位模块采用双曲线交汇定位，其具体步骤为：首先将m个AWG分别编号，根据AWG上装载的GPS及水听器基阵上装载的深度计得到AWG所连接的水听器的位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)…(xm,ym,zm),m台AWG的其中一路声压水听器接收到的信号分别为S11(t)、S21(t)…Sm1(t)，根据互相关公式将2至m号AWG接收信号分别与1号AWG的接收信号作互相关，得到AWG节点间的接收信号的时延差τ1j，j＝2，3…m，j代表与1号AWG接收信号作相关的节点号，τ1j为1号AWG接收信号与j号AWG接收信号之间的时延差,建立双曲定位模型其中，r1j＝cτ1j(4)c为声速，r1j为1号AWG节点到目标声源的距离与j号AWG节点到目标声源的距离差值,将上式在位置(x1,y1,z1)处展开，可得：式中，ε1和εm-1是高阶小量，可以忽略；τ′12和τ′1m是根据几何关系得到的理论上声源到各基站的时延差，由得到，其中声源位置(x，y，z)为每次经过迭代后的值，为已知量，声源位置(x，y，z)的初值设定为基阵1的坐标(x1，y1，z1)，将声源位置初值带入理论时延差计算公式，得到该声源位置下的理论时延差τ′12和τ′1m，将实际测得的时延差τ12和τ1m与理论时延差做差，差值Δτ12和Δτ1m带入误差方程，得到声源位置误差Δx，Δy和Δz，将误差加在声源位置(x，y，z)上，得到新的声源位置，继续进行误差计算，不断修正声源位置，直到求得的位置误差小于Cx米，此时的声源位置为最终得到的目标声源位置坐标。进一步的，所述电源模块采用太阳能电池板。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用声学波浪滑翔机提供了一种基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统。本专利技术既可以通过卫星实时得到基站的位置信息，又可以通过控位保持较好的阵型，实现高精度的定位，而且波浪滑翔机可以通过太阳能帆板获得各节点长期工作所需的能源，成本相对较低。附图说明图1为多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统几何配置图2为本专利技术的系统组成。图3为单节点配置图。图4为定位算法流程图。图5为四元十字阵阵型。图6为四元十字阵方位估计流程图。图7为圆阵阵型。图8为圆阵方位估计流程图。图9为矢量水听器振速矢量几何关系。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，其特征在于包括：岸站处理中心和AWG节点，/n所述岸站处理中心用于对AWG节点传输来的数据进行存储与目标位置解算，并将处理结果进行显示，/n所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行处理，在信号检测、测向后通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给岸站处理中心，/n所述信号检测采用能量检测，信号检测的详细步骤为：首先假设AWG任一水听器接收信号为S(t)，进行时间长度为T，重叠

【技术特征摘要】
1.基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，其特征在于包括：岸站处理中心和AWG节点，
所述岸站处理中心用于对AWG节点传输来的数据进行存储与目标位置解算，并将处理结果进行显示，
所述AWG节点用于接收水中的目标声信号并进行处理，在信号检测、测向后通过GPS获得AWG各节点的GPS位置信息与时间，并将数据传输给岸站处理中心，
所述信号检测采用能量检测，信号检测的详细步骤为：首先假设AWG任一水听器接收信号为S(t)，进行时间长度为T，重叠的积分，得到



将E(n)与设定的噪声门限C比较，如果E(n)＞C，则认为该时间段内有脉冲信号，否则无脉冲信号。


2.根据权利要求1所述的基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，其特征在于：所述岸站处理中心包括岸站数据通信模块、岸站GPS定位及授时模块、岸站数据存储模块、岸站数据解算模块和显控平台，
所述岸站数据通信模块用于在AWG节点与岸站处理中心之间传输AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间数据；
所述岸站GPS定位及授时模块用于接收GPS信号，并获取AWG节点的位置信息及位置信息对应的时间信息；
所述岸站数据存储模块用于存储AWG节点传输的数据及经过解算后的数据；
所述显控平台用于显示数据经过处理解算后得到的相关信息；
所述AWG节点包括节点数据通信模块，节点GPS定位授时模块，节点控制模块，节点数据处理模块，电源模块，自主定位模块和水听器阵模块；
所述节点数据通信模块用于岸站处理中心与AWG节点之间传输AWG节点接收的目标声信号，GPS信息及时间等数据；
所述节点GPS定位授时模块用于获得AWG各节点的实时GPS位置信息与时间；
所述节点控制模块包括船体控制单元和数据控制单元，所述船体控制单元用于控制AWG的航行，所述数据控制单元用于控制数据的传输；
所述节点数据处理模块用于对AWG节点接收到的数据进行信号检测，野值剔除处理；
所述电源模块用于为AWG节点各模块供电；
所述自主定位模块用于对检测到的目标信号进行处理，然后进行定位解算得到所需目标位置信息；
所述水听器阵模块用于接收水中的声信号。


3.根据权利要求2所述的基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，其特征在于：所述野值剔除处理包括单节点数据野点剔除和多节点数据野点剔除。


4.根据权利要求3所述的基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统，其特征在于：所述单节点数据野点剔除采用估计方位与合围区域吻合与否进行剔除，其具体步骤为首先对目标信号进行分子带方位估计，将方位估计结果进行直方图统计，得到目标信号的空间谱、估计目标方位及对应该方位下的幅频特征，然后根据AWG阵型得到多个AWG合围区...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，兰华林，吕云飞，梅继丹，师俊杰，滕婷婷，靳建嘉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23