基于UUV集群的移动多基地声呐目标定位和误差分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UUV集群的移动多基地声呐目标定位和误差分析方法，将多个收发基站集群化并且可以保持一定的速度整体移动，从而构建动态的多基地声呐系统定位模型，结合优势队形理论进行布局调整，利用高定位精度的定位布局进行目标的精密定位，并且给出相应配置条件下的动态多基地声呐误差分布情况，将静态的多基地声呐系统定位方法扩展到动态系统定位，并且给出动态系统定位的误差分布图，为后续进一步对多基地声呐定位方法和误差分析研究提供了新颖有效的方案。本发明专利技术实现了多基地声呐在动态情况的探测和定位精度的仿真，填补了多基地声呐的仿真研究在这一方面的空缺。了多基地声呐的仿真研究在这一方面的空缺。了多基地声呐的仿真研究在这一方面的空缺。

【技术实现步骤摘要】
基于UUV集群的移动多基地声呐目标定位和误差分析方法


[0001]本专利技术属于水下目标探测
，具体涉及一种可移动多基地声呐目标定位和误差分析方法。

技术介绍

[0002]随着水下声隐身技术的发展，有关多基地声呐定位技术的研究已经成为声呐
研究的热点。多基地声呐系统可以使用多部不同功能的声呐进行阵列布置，从不同方向同时探测目标，利用各方向反射能量来探测隐身目标，有较强的抗目标隐身能力，是反潜作战的有效手段。
[0003]近年来，国内外学者围绕多基地声呐的最优站址布局、定位方法、优化算法以及结合神经网络的测量结果预处理方法展开了大量研究并取得了众多成果。多基地声呐系统通过获取关于目标的距离、方位角和俯仰角等测量信息，根据这些测量量和各个收发基站的空间几何关系，利用定位算法计算确定目标的估计位置。专利CN113406645A采用平均声速最小二乘法进行目标定位，修改平均声速数值重复进行上述过程，直到最佳平均声速使结果满足误差要求，建立了基于声线入射角的新的平均声速定位模型，解决了采用单一声速从而导致的定位精度低的问题。专利CN110837086A公开了一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法和定位系统，通过获取侧扫声呐的经纬度信息和声呐距离海底平面的高度信息，得到声呐的位置信息，然后计算姿态矫正矩阵对目标位置进行估计。其结合了声呐的GPS坐标、水深信息和船体姿态参数，对海底目标和声呐位置进行修正，从而获得精确的目标位置坐标。专利CN112946574A通过对多源数据进行预处理控制数据质量，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，通过声线跟踪进行声线弯曲修正，削弱误差影响，提高定位精度。以上几种声呐定位方法都涉及到对测量数据或者计算结果进行重复修正，以达到减小误差因素、提高定位精度的目的，属于基于传统多基地定位模型的算法优化方案。专利CN110346802A同样基于常规多基地声呐定位算法，同时计算水声信道调频信号参数，采用状态识别方法确定目标，如果信号能量减弱或分散到其他信道，即存在目标。这种目标定位方法充分利用了多基地声呐探测范围大、隐蔽性好和抗干扰能力强的特性。专利CN214310877U公开了一种用于水母数量探测的自行移动声呐装置，该装置安装在船舷上，利用延伸架上固定的第二电机驱动导辊架上的拉绳，而且拉绳的一端贯穿滑轮连接有高分辨多波束声呐，配合停船可实时对海域水母进行声呐探测。将多基地声呐系统的基站安装在UUV上组成多基地声呐集群，传统的多基地声呐系统一般由声呐浮标或者航空吊放声呐组成，在站址布局上单一固定，在目标区域内的定位精度无法提高。利用基于水下无人集群的移动多基地声呐系统可以在移动状态下进行目标初步定位，随后进行布阵调整，来降低目标区域的定位误差，确保目标位置估计精度、提高探测距离，而传统的多基地声呐定位方法缺少移动状态下的定位能力。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于UUV集群的移动多基地声呐目标定位和误差分析方法，将多个收发基站集群化并且可以保持一定的速度整体移动，从而构建动态的多基地声呐系统定位模型，结合优势队形理论进行布局调整，利用高定位精度的定位布局进行目标的精密定位，并且给出相应配置条件下的动态多基地声呐误差分布情况，将静态的多基地声呐系统定位方法扩展到动态系统定位，并且给出动态系统定位的误差分布图，为后续进一步对多基地声呐定位方法和误差分析研究提供了新颖有效的方案。本专利技术实现了多基地声呐在动态情况的探测和定位精度的仿真，填补了多基地声呐的仿真研究在这一方面的空缺。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0006]步骤1：根据多基地声呐定位模型，将多基地声呐集群化并且赋予其动态的特性，构建基于UUV集群的移动多基地声呐系统配置模型，画出移动多基地声呐集群系统的拓扑图，确定各个移动基站间的几何关系以及实际物理含义；
[0007]步骤2：基于移动多基地声呐系统配置模型，确定移动多基地声呐系统移动过程中基站的位置关系，利用移动发射站发射的同一束探测信号到达各个基站时的基站位置关系建立目标定位方程；通过计算得出移动多基地声呐集群定位目标的估计值；具体如下：
[0008]假设发射站初始时刻坐标为T(x
T
,y
T
)，N个接收站初始时刻坐标为R1(x
R1
,y
R1
)、R2(x
R2
,y
R2
)、
…
、R
N
(x
RN
,y
RN
)，r
T
为发射站发射的探测信号声波经目标反射第一次到达移动后的发射站的距离，r
Σ1
,r
Σ2
,
…
r
ΣN
分别为声波从发射站经目标反射后第一次到达各个接收站的距离；假如发射站在t1时刻开始发射探测信号，同时各个接收站开始接收目标回波，经过
△
t时间探测信号经目标反射后第一次到达发射站，记此刻发射站坐标为T(x
T
′
,y
T
′
)，经过时间
△
t1后回波信号第一次到达接收站R1，记录接收站R1此刻坐标为R1(x1,y1)，同理，记录回波信号第一次到达其它接收站坐标为R2(x2,y2)，
…
R
N
(x
N
,y
N
)；结合发射站和接收站的坐标和测量信息，根据初试时刻发射站位置和目标相对位置恒定的原则给出如下移动多基地声呐的目标定位方程：
[0009][0010]式中：
[0011][0012]其中V是基于UUV集群多基地声呐的航速，单位是km/s，航向角为θ，单位为rad；i＝1,2,
…
,N；目标位置估计值由定位方程计算得出。
[0013]步骤3：分析移动多基地声呐的定位方程，进一步计算得到移动多基地声呐误差分布方程；
[0014]对目标定位方程两边进行微分得到移动多基地声呐的误差方程：
[0015][0016]式中：
[0017][0018]k
T
′
＝T1dx
T
′
+T2dy
T
′
[0019]k
Ri
＝r
i1
dx
i
+r
i2
dy
i
[0020]将误差方程(2)写为矩阵形式并利用伪逆法解得目标的定位误差估计值：
[0021]dV＝CdX+dX
S
[0022]dX＝(C
T
C)
‑1C
T
[dV
‑
dX
S
]T
[0023]式中，dV＝[dr
∑1
‑
dr
T dr
∑2
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UUV集群的移动多基地声呐目标定位和误差分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据多基地声呐定位模型，将多基地声呐集群化并且赋予其动态的特性，构建基于UUV集群的移动多基地声呐系统配置模型，画出移动多基地声呐集群系统的拓扑图，确定各个移动基站间的几何关系以及实际物理含义；步骤2：基于移动多基地声呐系统配置模型，确定移动多基地声呐系统移动过程中基站的位置关系，利用移动发射站发射的同一束探测信号到达各个基站时的基站位置关系建立目标定位方程；通过计算得出移动多基地声呐集群定位目标的估计值；具体如下：假设发射站初始时刻坐标为T(x
T
,y
T
)，N个接收站初始时刻坐标为R1(x
R1
,y
R1
)、R2(x
R2
,y
R2
)、
…
、R
N
(x
RN
,y
RN
)，r
T
为发射站发射的探测信号声波经目标反射第一次到达移动后的发射站的距离，r
Σ1
,r
Σ2
,
…
r
ΣN
分别为声波从发射站经目标反射后第一次到达各个接收站的距离；假如发射站在t1时刻开始发射探测信号，同时各个接收站开始接收目标回波，经过
△
t时间探测信号经目标反射后第一次到达发射站，记此刻发射站坐标为T(x
T
′
,y
T
′
)，经过时间
△
t1后回波信号第一次到达接收站R1，记录接收站R1此刻坐标为R1(x1,y1)，同理，记录回波信号第一次到达其它接收站坐标为R2(x2,y2)，
…
R
N
(x
N
,y
N
)；结合发射站和接收站的坐标和测量信息，根据初试时刻发射站位置和目标相对位置恒定的原则给出如下移动多基地声呐的目标定位方程：式中：其中V是基于UUV集群多基地声呐的航速，单位是km/s，航向角为θ，单位为rad；i＝1,2,
…
,N；目标位置估计值由定位方程计算得出；步骤3：分析移动多基地声呐的定位方程，进一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，张效民，宁伟傑，李明光，王玉飞，訾振威，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：