一种方形超短基线定位方法技术

本发明专利技术涉及一种方形超短基线定位方法，对超短基线的接收信号进行正交下变频、低通滤波和降采样处理后；再进行包括预波束形成、DFT波束形成、相移波束形成、脉冲压缩、LS

【技术实现步骤摘要】
一种方形超短基线定位方法


[0001]本专利技术属于载人、无人潜水器位置测定领域，具体涉及一种方形超短基线定位方法。

技术介绍

[0002]超短基线定位给系统是一种常见的水下定位系统，它通过测量各通道间的相位差或时延差和目标到基阵的斜距来估算目标的位置。超短基线具有尺寸小、结构简单、易于安装、成本低等的特点，广泛应用于母船对载人潜水器、无人潜水器的位置测定。
[0003]传统的窄带超短基线，容易受频点衰落影响造成性能下降，定位精度低且稳定性差。采用宽带信号可提高定位性能，避免相位模糊。目前的宽带超短基线常采用十字阵或其他类似阵型的方式，采用两两阵元之间信号互相关求时延差，其测时延精度低，且在部分阵元失效时，性能急剧下降。
[0004]因此，亟需一种可提高定位精度的超短基线定位方法，来解决目前存在的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决目前的超短基线方法在部分阵元失效时性能急剧恶化，避免相位模糊，提高定位精度的问题。本专利技术旨在提供一种方形超短基线定位方法，用于达到本专利技术的目的。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种方形超短基线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)对超短基线的接收信号进行正交解调；步骤2)对步骤1)得到的正交解调后的数据进行DFT波束形成或用上一次计算得到的信标的位置进行预波束形成得到信标的初方位角；步骤3)用步骤2)得到的初方位角进行相移波束形成；步骤4)生成本地信号，用本地信号对步骤3)得到的相移波束形成结果进行脉冲压缩；步骤5)对步骤4)得到的脉冲压缩结果与事先设置的门限进行比较，并判断接收信号是否为超短基线定位系统的信号；步骤6)对步骤5)中找到的过门限的峰值附近的数据进行谱估计，获得接收信号与载体坐标系下x、y轴法线的夹角；步骤7)根据步骤5)中找到的过门限的峰值附近的数据计算得到信标的传播时延，根据传播时延及步骤6)得到的夹角计算信标在载体坐标系下的位置；步骤8)根据超短基线阵的姿态信息对步骤7)中得到的信标的位置进行坐标转换，根据声速剖面数据对转换后的位置进行声速修正，得到修正后的位置；步骤9)根据GPS信息将步骤8)中得到的修正后的位置转换为大地坐标系下的位置。2.根据权利要求1所述的方形超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤1)包括：步骤1
‑
1)对超短基线的接收信号s(n)经过10kHz的正交下变频后变成基带信号x1(n)；所述正交下变频过程如下：x1(n)＝s(n)exp{
‑
j2πf
c
n/f
s
}，其中，s(n)为接收信号经采样后的离散信号，f
c
为接收信号的中心载波频率，f
s
为采样率；exp{
·
}为复指数运算，n为采样点数；步骤1
‑
2)对步骤1
‑
1)得到的基带信号x1(n)进行低通滤波；所述低通滤波采用M阶低通滤波器对基带信号x1(n)进行滤波，输出信号x2(n)：其中，M表示滤波器的阶数，系数b
m
表示第m个滤波器系数，M阶滤波器共有M+1个系数，其中0≤m≤M；步骤1
‑
3)对步骤1
‑
2)的滤波结果进行8倍抽取；所述抽取的输出信号x3(n1)具体如下：x3(n1)＝x2(8n)，其中n1＝8n。3.根据权利要求2所述的方形超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤2)包括：步骤2
‑
1)根据上一次计算得到的信标的位置进行预波束形成；所述预波束形成具体为当初始预波束形成标识为1时，根据上次超短基线定位的信标在本地坐标系位置信息，获得信标与本地坐标系下坐标原点形成的单位矢量；载体坐标系下x轴的单位矢量经过姿态转换得到在本地坐标系下矢量，其中姿态转换矩阵如下：其中h、p、r分别为超短基线基阵的艏向角、纵倾角、横滚角；超短基线基阵的接收信号与载体坐标系下x轴法线、y轴法线的夹角：
其中x
ll
、y
ll
、z
ll
表示上次定位时信标在本地坐标系下位置，R表示姿态旋转矩阵，表示接收信号与x轴法线、y轴法线的夹角；步骤2
‑
2)对步骤1
‑
3)得到的输出信号x3(n1)进行DFT波束形成：所述DFT波束形成具体为当初始预波束形成标识为0，表示需要进行DFT波束形成，搜索初方位；在经过DFT波束形成后将预波束形成标识置为1，预波束形成标识置为1时表示已经获取过初方位，后续获取初方位时，采用步骤2
‑
1)中预波束形成；在作DFT波束形成时，分别选取超短基线基阵x轴、y轴上6个通道的单点数据作为波束形成的输入信号，根据x轴上输入信号作DFT获取入射信号与x轴法线的夹角，根据y轴上输入信号作DFT获取入射信号与y轴法线的夹角；DFT波束形成的具体公式如下：其中，A
γ
、B
η
分别为x方向第γ个波束、y方向第η个波束的输出，k为接收通道序号，N为DFT的点数，x
x,k
、x
y,k
分别为x方向、y方向的第k个通道的数据，k超过通道总数6时x
x,k
、x
y,k
取零；DFT波束形成的结果取峰值和均值的比与事先设定的门限比较，超过门限则认为超短基线接收信号中存在信标的信号，否则认为只有噪声，将进入步骤1)继续进行下一段数据的处理，直到搜到信号为止；根据阵元相位差计算公式对比，超短基线接收信号的主极大的方向被控制在根据阵元相位差计算公式对比，超短基线接收信号的主极大的方向被控制在其中，γ
max
、η
max
分别表示A
γ
、B
η
取最大值时的波束序号，波束序号从0开始到N
‑
1，N为DFT的点数，d为超短基线的阵元间距，λ为信标信号波长，表示由DFT波束形成计算得到的超短基线接收信号与x轴法线、y轴法线的夹角。4.根据权利要求3所述的方形超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤3)包括：所述相移波束形成的公式如下：其中，第一个公式表示对载体坐标系下x轴上N
x
个阵元组成的线阵的接收信号作相移波束形成，其中x
i,j
表示第i行、第j列阵元的接收信号，Y
i
表示第i行的线阵的相移波束形成结果；第二个公式表示对载体坐标系下y轴上N
y
个阵元组成的线阵作相移波束形成，两个公式中表示由DFT波束形成计算得到的超短基线接收信号与x轴法线、y轴法线的夹角，X
j
表示第j列的线阵的相移波束形成结果。5.根据权利要求1所述的方形超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤4)包括：步骤4
‑
1)根据超短基线定位系统参数生成本地升降chirp信号；本地信号包括上调频chirp信号和下调频chirp信号；本地上调频chirp信号如下所示：
本地下调频chirp信号如下所示：其中，F
max
为超短基线接收信号中线性调频信号的最高频率，F
min
为信标线性调频信号的最低频率，T为调频周期，f
c
为接收信号的中心频率，n1表示采样点数，n1＝8n，T
s2
表示经过步骤1
‑
3)8倍降采样后的采样间隔；步骤4
‑
2)用本地信号对相移波束形成结果进行脉冲压缩；所述脉冲压缩包括本地上、下调频信号分别与相移波束形成结果的脉冲压缩；上调频信号s1(n)、下调频信号s2(n)与X
j
、Y
i
脉冲压缩公式：脉冲压缩公式：和其中，X
j
(n1)、Y
i
(n1)为相移波束形成处理后的结果，s1(N
L
‑
(n2‑
n1))、s2(N
L
‑
(n2‑
n1))分别为本地上调频、下调频信号的平移信号，n2表示本地信号s1(n1)或s2(n1)相对X
j
(n1)或Y
i
(n1)的平移点数，N
L
表示s1(n1)信号的长度，s1(n1)和s2(n1)的长度相同，P
1xj
(n2)表示上调频信号s1(n)与相移波束形成X
j
脉冲压缩的结果，P
2xj
(n2)、P
2yi
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪伟，刘烨瑶，李欣国，梁涛，郭卫振，朱敏，杨波，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：