一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法技术

本发明专利技术提供了一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法，属于水下定位导航技术领域。本发明专利技术在目标深度信息未知的情况下，无需对声场与位置之间的非线性函数进行梯度求解，算法复杂度低，且针对水声定位误差最大的深度方向进行二分法微调，能够快速实现对目标的精密定位，并通过合理设置深度步进值与深度步进阈值，使定位方法能够有几率跳出局部最优解获得更优定位结算结果，广泛适用于深度传感器失效的系统内部节点设备定位以及深度信息完全未知的外部非系统目标定位。本发明专利技术相较于传统定位方法，具有更广泛的应用场景与快速收敛性，不仅能够对传统方法适用的目标深度信息已知场景进行精密定位，更能够实现对目标信息未知场景的快速精密定位。场景的快速精密定位。场景的快速精密定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法


[0001]本专利技术属于水下定位导航
，具体地说，尤其涉及一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法。

技术介绍

[0002]由于水下环境特殊性，电磁波在水下衰减严重，相较而言声波具有衰减小优点，更适合作为水下信号传播的载体，然而水下声速因温度、盐度和静压力的分布差异具有不均匀分布的特点，导致水声信号的传播路径——声线——发生弯曲，如果采用直线传播模型，会造成很大的定位误差。近几年来，越来越多的研究者投入到声线修正工作中来提高水声定位信息的精确度。吉林大学提出了一种结合声线修正与移动预测的定位方法，国防科技大学提出了一种基于高斯牛顿求解的联合时钟同步与声线修正的定位方法，华中科技大学提出了一种基于克拉美罗界优化的声线修正定位方法，从不同求解方法角度对深度信息已知的水下系统内部节点进行精密定位，利用目标区域声速剖面分布并通过射线跟踪理论实现声线的跟踪，修正由于声速不均匀分布带来的定位误差，提高了水声定位精度。哈尔滨工程大学提出一种适用于长基线水声定位系统的声线修正方法，根据模拟声场与实测声场误差根据梯度下降法求解坐标修正量，迭代调整目标位置，相对于直线传播模型定位可实现未知深度信息的目标定位修正，但是由于声场变化量是坐标修正量的复杂非线性函数，一阶梯度求解困难且误差较大，不仅算法计算复杂高，收敛缓慢，还容易陷入局部最优解。
[0003]总体来说，上述基于射线跟踪的水声定位方法在目标深度信息已知的情况下，能够利用区域声速分布进行射线跟踪，修正声线弯曲带来的定位误差，提高水声定位精度，但是对于目标深度未知情况，无法利用射线跟踪理论进行声线修正，而采用模拟声场与实测声场误差根据梯度下降法求解坐标修正量的方法，梯度求解复杂，收敛缓慢，且容易陷入局部最优解，因此在目标深度情况未知情况下仍难以对目标进行快速精密定位。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法，以弥补现有技术的不足。
[0005]本专利技术主要是解决由于声速不均匀分布导致的水声定位精度下降问题，利用区域声速剖面分布，通过迭代深度微调多次运用射线跟踪理论，减小由于声速不均匀分布带来的定位误差，提高目标定位精度，以便水下定位导航授时系统实现对目标的准确定位、导航与授时，属于水下目标探测、定位与导航的范畴。随着水下定位、导航与授时技术与终端系统的发展，它可以广泛应用到水声探测、通信、定位、导航等以声波作为信号载体的水下应用系统中。
[0006]现有的水下声线跟踪修正定位方法，通常利用目标所在区域声速剖面分布信息，在目标深度信息已知情况下运用射线跟踪理论，对声信号真实传播路径进行跟踪，获得等效信号直线传播路径，实现声线修正，提高目标定位精度，但是对于目标深度信息未知情
况，无法直接运用射线跟踪理论进行声线跟踪，而采用模拟声场与实测声场误差根据梯度下降法求解坐标修正量的方法，梯度求解复杂，算法计算复杂高，收敛缓慢。因此难以在目标深度信息未知情况下快速实现目标的精密定位。
[0007]本专利技术提出一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法，将定位结果的深度作为已知信息，利用射线跟踪理论模拟声场信息（如信号传播时间）并与实测声场信息进行匹配，通过对深度进行基于二分法的微调，比较调整前后的声场匹配准确度，控制深度步进速率和方向，并记录深度调整前后对应于声场最优匹配的最优定位位置，在算法收敛后给出目标最终定位结果。
[0008]为达到上述目的，本专利技术是通过以下具体技术方案实现的：一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法，具体步骤如下：S1：对目标进行粗定位：利用目标区域声速剖面S，以区域平均声速值进行直线传播模型测距，得到球交汇定位模型，采用最小二乘法求解得到目标初始定位估计位置和初始定位深度；S2：判断迭代循环：如果当前深度步进值 深度调整步进阈值执行S3，否则执行S9；S3：修正水平定位：利用声速剖面S以二分法搜索发出信号的初始掠射角，进而获得理论水平传播距离，再基于圆交汇模型定位方程，并利用最小二乘法求解得到当前深度所在投影平面的重定位估计位置；S4：计算深度微调前信号传播时间匹配误差代价：依据水平重定位估计位置计算各参考节点到水平重定位估计位置的水平距离，再采用二分法得到信号匹配掠射角，后获得理论信号传播时间，计算深度微调前各参考节点到目标节点之间理论信号传播时间与实测信号传播时间之间的均方误差和，记作深度微调前匹配误差代价；S5：深度微调:如果深度步进方向，则更新深度坐标，否则；S6：计算深度微调后信号传播时间匹配误差代价：深度微调后，以目标定位位置按照水平距离，采用二分法得到信号匹配掠射角，进而得到理论信号传播时间；计算深度微调后各参考节点到目标节点之间理论信号传播时间与实测信号传播时间之间的均方误差和，记作微调后匹配误差代价：
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（7）；S7：调整深度微调步进：如果，则深度步进值，深度步进方向，否则深度步进值与深度步进方向不做调整；S8：更新目标最优定位位置；S9：输出目标最优定位位置。
[0009]进一步的，所述S1具体为：S1
‑
1：已知目标区域声速剖面，参考节点坐标，其中表示参考节点，各参考节点与待测
目标节点之间的实测信号传播时间为，水平距离匹配阈值，表示水平方向，时间匹配阈值，表示时间，深度调整步进阈值，表示深度步进值；S1
‑
2：以区域平均声速值进行直线传播模型测距，其中表示取序列最大值，表示取序列最小值，列出球交汇定位模型方程：
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（1）其中表示目标，表示迭代，对式（1）采用最小二乘法求解得到目标初始定位估计位置，初始定位深度为；S1
‑
3：初始化迭代次数，深度步进值，深度步进方向，表示指向深度减小方向，表示指向。
[0010]进一步的，所述S3具体为：
[0011]S3
‑
1：利用声速剖面，初始掠射角为初始值，以二分法搜索由参考节点发出信号的初始掠射角，根据式（2）计算不同初始掠射角发出信号传递到目标当前位置（深度为）的理论信号传播时间：
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（2）其中，为当前深度声速值所在深度层数，当时，记录对应信号初始掠射角为；S3
‑
2：按照初始掠射角，根据式（3）计算信号由参考节点传递到目标当前深度时的理论水平传播距离：
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（3）S3
‑
3：利用理论水平传播距离，根据式（4）列出圆交汇模型定位方程：
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（4）式（4）展开并利用最小二乘法求解得到当前深度所在投影平面的重定位估计位置
。
[0012]进一步的，所述S4具体为：S4
‑
1：依据水平重定位估计位置，根据式（5）计算各参考节点到水平重定位估计位置的水平距离：
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（5）S4
‑
2：按照水平距离，以初始掠射角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代深度微调的精密水声定位方法，其特征在于，该定位方法包括：S1：对目标进行粗定位：利用目标区域声速剖面S，以区域平均声速值进行直线传播模型测距，得到球交汇定位模型，采用最小二乘法求解得到目标初始定位估计位置和初始定位深度；S2：判断迭代循环：如果当前深度步进值 深度调整步进阈值执行S3，否则执行S9；S3：修正水平定位：利用声速剖面S以二分法搜索发出信号的初始掠射角，进而获得理论水平传播距离，再基于圆交汇模型定位方程，并利用最小二乘法求解得到当前深度所在投影平面的重定位估计位置；S4：计算深度微调前信号传播时间匹配误差代价：依据水平重定位估计位置计算各参考节点到水平重定位估计位置的水平距离，再采用二分法得到信号匹配掠射角，后获得理论信号传播时间，计算深度微调前各参考节点到目标节点之间理论信号传播时间与实测信号传播时间之间的均方误差和，记作微调前匹配误差代价；S5：深度微调:如果深度步进方向，则更新深度坐标，否则；S6：计算深度微调后信号传播时间匹配误差代价：深度微调后，以目标定位位置按照水平距离，采用二分法得到信号匹配掠射角，进而得到理论信号传播时间；计算深度微调前各参考节点到目标节点之间理论信号传播时间与实测信号传播时间之间的均方误差和，记作微调后匹配误差代价：S7：调整深度微调步进：如果，则深度步进值，深度步进方向，否则深度步进值与深度步进方向不做调整；S8：更新目标最优定位位置；S9：输出目标最优定位位置。2.如权利要求1所述的基于迭代深度微调的精密水声定位方法，其特征在于，所述S1具体为：S1
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1：已知目标区域声速剖面，参考节点坐标，其中表示参考节点，各参考节点与待测目标节点之间的实测信号传播时间为，水平距离匹配阈值，表示水平方向，时间匹配阈值，表示时间，深度调整步进阈值，表示深度步进值；S1
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2：以区域平均声速值进行直线传播模型测距，其中表示取序列最大值，表示取序列最小值，列出球交汇定位模型方程：
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（1）
其中表示目标，表示迭代，对式（1）采用最小二乘法求解得到目标初始定位估计位置，初始定位深度为；S1
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3：初始化迭代次数，深度步进值，深度步进方向，表示指向深度减小方向，表示指向。3.如权利要求1所述的基于迭代深度微调的精密水声定位方法，其特征在于，所述S3具体为：S3
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1：利用声速剖面，初始掠射角为初始值，以二分法搜索由参考节点发出信号的初始掠射角，根据式（2）计算不同初始掠射角发出信号传递到目标当前位置（深度为）的理论信号传播...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄威，李德识，张浩，徐天河，邢翔，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：