基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統(tǒng)及其定位算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及水下長距離高精度超短基線超聲定位技術(shù)， 具體指一種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統(tǒng)及其定位算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 出于對海洋資源的開發(fā)或軍事上的需求，通常需要知道水下目標(biāo)載體的實時位置 信息，但是由于光波及無線電波在水中傳播時會產(chǎn)生較大的衰減，導(dǎo)致傳統(tǒng)的無線電及光 學(xué)定位系統(tǒng)無法正常工作。而聲波在水中的衰減速度很慢，可以進行遠(yuǎn)距離的傳播，因此， 基于聲波的水聲定位技術(shù)在水下作業(yè)和深海開發(fā)等工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。按照聲 波接收基陣基線長度來分類，水聲定位技術(shù)可以分為長基線、短基線和超短基線三種。長 基線和短基線水聲定位技術(shù)定位精度高、距離遠(yuǎn)，但因其基線較長，存在安裝部署困難的問 題。超短基線水聲定位技術(shù)因其基線長度一般僅為幾厘米，具有設(shè)備體積小、可進行快速部 署的優(yōu)勢，在水下作業(yè)和深海開發(fā)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于超短基線系統(tǒng)的定位 基線短，因此當(dāng)定位目標(biāo)距離基陣較遠(yuǎn)或超聲信號信噪比較低時，很難得到高精度的定位 結(jié)果，并且定位誤差會隨著距離的增加而增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系 統(tǒng)及其定位算法，解決了超短基線定位系統(tǒng)遠(yuǎn)距離定位精度低的技術(shù)問題；利用各基陣元 信號間的內(nèi)在幾何關(guān)系，通過極大似然估計直接求解定位目標(biāo)的位置，有效避免了信號到 達方向角誤差及測距誤差對定位精度的影響，有效提高了位置解算的精度。
[0004] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：
[0005] -種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)由產(chǎn)生及發(fā)射超 聲波定位信號的水下應(yīng)答器和接收及處理超聲波定位信號的接收聲基陣兩部分組成；
[0006] 其中，水下應(yīng)答器由依次連接的以下單元組成：
[0007] 水壓深度計：用于測量應(yīng)答器位于水平面以下的深度數(shù)據(jù)；
[0008] 測距信號生成模塊：生成用于定位的擴頻超聲波測距信號波形，同時將水壓深度 計測得的深度數(shù)據(jù)調(diào)制在該信號波形上；
[0009] 換能器功率放大器：對生成的超聲波測距信號進行功率放大，以驅(qū)動超聲波壓電 換能器工作；
[0010] 超聲波壓電換能器：產(chǎn)生超聲波測距信號并發(fā)射給接收聲基陣；
[0011] 電源模塊：為水下應(yīng)答器運作提供所需的電源；
[0012] 所述接收聲基陣由依次連接的以下單元組成：
[0013] 換能器陣列：為包含5個換能器陣元的正交陣，用于初步接收水下應(yīng)答器發(fā)射的 超聲波定位信號；
[0014] 低噪聲放大器：用于放大換能器陣列中各陣元輸出的定位信號；
[0015] 帶通濾波器：對經(jīng)由低噪聲放大器放大的定位信號進行濾波，以減少水中噪聲信 號對定位信號的干擾；
[0016] 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：對由帶通濾波器輸出的模擬信號進行數(shù)字化采樣；
[0017] 匹配濾波器及信號解調(diào)模塊：對數(shù)字化采樣后的超聲波測距信號進行解調(diào)，得到 信號中調(diào)制的應(yīng)答器深度信息；
[0018] 定位解算模塊：用于解算水下定位目標(biāo)的位置信息；
[0019] 定位結(jié)果顯示模塊：為人機交互界面，用于為用戶顯示定位結(jié)果信息。
[0020] 作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述接收聲基陣還包括聲基陣位置及姿態(tài)參考模塊，通 過模塊內(nèi)置的陀螺羅經(jīng)和RTK系統(tǒng)，為定位解算模塊提供精確的位置和姿態(tài)參考信息。
[0021] 作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述換能器陣列的5個換能器陣元分別用 B4表示，其中，陣元B。位于載體坐標(biāo)系的原點，陣元B p B2位于載體坐標(biāo)系的X軸上，陣元 B3、B4位于載體坐標(biāo)系的y軸上，且B i、B2、BjP B 4到原點B。的距離C小于等于超聲波測距 信號波長的一半，即CS λ/2。
[0022] 作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述換能器為壓電換能器。
[0023] 所述超短基線水聲定位系統(tǒng)的定位算法，包括以下步驟：
[0024] (1)布設(shè)包含5個陣元ΒρΒρΒρΒ，B 4的接收聲基陣，在定位目標(biāo)點S處安裝水 聲應(yīng)答器，其以脈沖方式向接收聲基陣發(fā)送調(diào)制了深度數(shù)據(jù)的擴頻水聲信號，其中，定位目 標(biāo)點S的坐標(biāo)為（X，y，ζ)，ζ值為通過水壓深度計測量的深度數(shù)據(jù)值；
[0025] (2)采用傳統(tǒng)超短基線定位方法斜距-聲線入射角法，對水下定位目標(biāo)點S進行初 步定位，得到定位目標(biāo)位置的初值（x〇，y。）；
[0026] (3)以（X。，y。）作為預(yù)估位置，在極大似然估計的搜索空間內(nèi)對定位目標(biāo)S的坐標(biāo) (x，y)進行搜索，搜索范圍由（x，y)取值的不確定度決定；
[0027] a)、具體地，一個極大似然估計的過程可以等效為：
[0028] ⑴
[0029] 其中，&⑴為陣元B1Q = 0, 1，2, 3, 4)接收到的含有噪聲的水聲信號；T。是各陣 元接收信號的起始時刻；T為信號的積分時間；S1 (t) = f [t，（X，y，ζ)]為陣元&的不含噪 聲的本地復(fù)現(xiàn)信號，它是一個以（x，y，z)為自變量的函數(shù)；
[0030] b)、定位目標(biāo)S處水聲應(yīng)答器發(fā)出的水聲信號模型為：
[0031] r(t) = AC (t) D (t) cos (2 π fIFt) (2)
[0032] 其中，A為信號振幅，C(t)為調(diào)制在信號上的偽隨機碼，D(t)為調(diào)制了深度數(shù)據(jù)的 定位目標(biāo)點S的定位信號，f IFS超聲信號載波的中心頻率；
[0033] 當(dāng)定位目標(biāo)點S與接收聲基陣間的距離R遠(yuǎn)大于聲基陣尺寸D，R/D>20時，公式 (1)中的S 1U)可表示為：
C3)：[0035] 其中，df為超聲信號的多普勒頻移；τ i為超聲信號從S點發(fā)出后到達陣元B ^勺
[00341 傳播時間；爭為rjt)信號與r(t)信號的相位差；為信號ri(t)與信號r<](t)的相位 差；
[0036] c)、根據(jù)定位目標(biāo)S的定位原理圖可得如下關(guān)系：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041 ]
[0042]
[0043] ~ (4)
[0044] 其中，丨爾表示定位目標(biāo)S與聲基陣B1 (i = 0, 1，2, 3, 4)的距離；
[0045] α為向量瓦與X軸正方向的夾角，β為向量藏與y軸正方向的夾角，Θ為定 位目標(biāo)點S在載體坐標(biāo)系中XOY平面上的投影S '的方向角；
[0046] d)、由公式（3)以及（4)中的對應(yīng)關(guān)系，可得S1U)與定位目標(biāo)點S坐標(biāo)（x，y，z) 具有如下關(guān)系：
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[0052] 上述得出的Si (t)與定位目標(biāo)點S坐標(biāo)（x, y, z)間的關(guān)系式，是本發(fā)明所述定位算 法中最為關(guān)鍵的一步；其中，信號振幅A的大小并不會對MLE的估計結(jié)果產(chǎn)生影響，將其設(shè) 為1 ;聲速c可以通過聲速儀精確測量；載波相位差於和多普勒頻率df的精確值可以通過 安裝在基陣B。中的鎖相環(huán)得到；定位目標(biāo)S在深度方向的坐標(biāo)z可通過水壓深度計直接測 量，并通過超聲信號發(fā)送給聲基陣；超聲信號載波的中心頻率f IF已知；因此A、c、，、z和 df均為已知量；因此，聲基陣的本地復(fù)現(xiàn)信號S1UKi = 0，1，2,3,4)為只含有參數(shù)（x，y) 的函數(shù)；
[0053] e)、將公式（5)、（6)、（7)、（8)、（9)帶入公式⑴中，可得用于對定位目標(biāo)S坐標(biāo) (x，y)進行極大似然估計的算法模型：
[0054]
[0055] 其中，（太.〇為定位目標(biāo)點坐標(biāo)的極大似然估計值;MLE( ·)為極大似然估計運算；
[0056] (4)將搜索的定位目標(biāo)S的不同坐標(biāo)（xk，yi)代入公式（10)， ri(t)與&在積分周 期T內(nèi)進行相關(guān)積分運算，并將不同陣元的積分結(jié)果求和作為Liu,當(dāng)L iu取得最大值時，對 應(yīng)的（xk，yi)既為所求定位目標(biāo)S的位置。
[0057] 作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述在極大似然估計的搜索空間中，定位目標(biāo)S的預(yù)估 位置（X。，y。）以及搜索半徑R sm1^可按如下公式計算：
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中，[x(n-l), y (n-1)]為上一次定位