本发明涉及一种基于高精度gps的声源定位方法及其实现系统，属于声源定位技术领域。
背景技术：
声音是信息的载体。一方面，声音中包含具有实际内容的语音信息，另一方面，由于声波的传播特性，声音中也间接包含了声源和传播环境的相关信息。基于上述的两种特性，声音信息的获取在安全监控、区域探测、定位搜寻等领域具有不可替代的作用。
早先对于未知目标的探测定位多是通过无线电、超声、激光等主动式方式进行，具有高精度抗干扰的优点。但主动方式由于需要发射信号，也有功耗高、暴露自身位置等使用限制。而声源定位采用被动式原理，隐蔽性较强，且不受能见度的影响，白天晚上都可以进行工作。声源定位在近场探测应用中有较高的精度，既可以单独构成系统使用，也可以为其它监控定位系统提供辅助信息，因而得到了广泛的关注和应用。
现阶段声源定位的算法主要有信号到达角度测量算法(angleofarrival，aoa)、信号到达时间测量算法(timeofarrival，toa)、信号到达时间差测量算法(timedifferenceofarrival，tdoa)、接收信号强度指示算法(receivedsignalstrengthindication，rssi)。现阶段的算法对麦克风阵列位置的放置均有所要求，并且只能求解出声源和麦克风阵列的相对位置，给实际应用过程带来了诸多的不便。
卫星定位技术自1958年美国建立子午卫星系统以来，60年间获得了蓬勃的发展。gps、glonass、galileo及中国北斗的建立，使得卫星定位在现代社会中发挥着越来越大的作用。随着技术的不断革新，定位系统的精度也逐步提高，采用载波相位差分技术(carrierphasemeasurement，又称realtimekinematic，rtk)的定位系统可以达到毫米级的定位精度。
中国专利文献cn106019232a公开了一种声源定位系统和方法，所述系统包括全向麦克风、指向麦克风和定位单元。全向麦克风用于采集第一声音信息。指向麦克风用于采集第二声音信息。定位单元用于根据第一声音信息和第二声音信息定位声源在预定的第一平面中的两处疑似位置，并根据第二声音信息的幅度信息在两处疑似位置中确定声源的位置。其中，全向麦克风和指向麦克风位于第一直线上，指向麦克风不指向第一直线所在的、垂直于第一平面的第二平面。该专利存在以下缺陷：1.采用两种不同类型的麦克风，采集声音信号的差异容易引入较大的误差；2.需要通过声音信号的幅度来进行声源位置预估和筛选，对采集声音的环境要求和放大器的精度要求较高。
中国专利文献cn104181506a公开了一种基于改进phat加权时延估计的声源定位方法，由麦克风阵列采集4路声音信号，通过a/d采样电路转化为数字信号，并通过改进的phat加权广义互相关函数法进行时延估计算法处理，获得时延估计值，再结合放置的麦克风阵列空间位置，利用迭代法解非线性方程组，从而得到声源的相对位置。该专利存在以下缺陷：1.声源定位要基于固定的麦克风阵列，需提前预知麦克风所在坐标位置；2.计算出的位置坐标为基于麦克风阵列建立坐标系下的坐标值，在某些需要地图显示的应用场景中十分不便。
技术实现要素：
为了克服现有声源定位方案中麦克风阵列相对固定，只能计算声源基于自建坐标系下相对位置的不足，本发明提出了一种基于高精度gps的声源定位方法；
本发明还提供了上述声源定位方法的实现系统。
发明概述
本发明借助于高精度gps系统得到麦克风的位置坐标，通过tdoa声源定位算法，求解出声源的经纬度与高度。由于得出的是通用的经纬度坐标，可以直接用于地图显示，或与其他系统衔接。
本发明在采集声音信号的麦克风上配置了gps，可以实时解算麦克风的位置坐标，麦克风阵列可以不再局限于静态位置，彼此之间也不需要有固定的相对位置。在声波传播的范围内，只要有任意四路声音信号被采集到即可计算出声源的三维位置坐标信息。
术语解释：
1、rtk(real-timekinematic)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
2、大地坐标系，是大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标系。地面点p的位置用大地经度l、大地纬度b和大地高度h表示。
3、ecef坐标系，ecef(earth-centered,earth-fixed)地球为中心，是一个笛卡尔坐标系，也称为“普通地表”系统，(0，0，0)点表示地球质心。
本发明的技术方案为：
一种基于高精度gps的声源定位方法，包括步骤如下：
(1)在声源定位的监控区域随意放置麦克风组成麦克风阵列，麦克风阵列中的每个麦克风上安装有gps定位模块，麦克风阵列中至少4个麦克风处于同时工作状态且采集到有效的声音信号；
(2)麦克风阵列中处于工作状态的麦克风实时获取声音信号，麦克风阵列中处于工作状态的麦克风上安装的gps定位模块实时获取位置信号，捕获的位置信号为nmea-0183格式，从位置信号中提取出时间信号与定位信号即可计算各个麦克风采集声音信号的时间和地点，将获取的声音信号、时间信号和定位信号转换为统一格式的数字信号；
(3)将步骤(2)获取的声音信号、时间信号和定位信号进行存储；
(4)根据指令获取步骤(3)中存储的对应的数据，通过tdoa声音定位算法计算时延，列出方程组求解声源位置，包括声源的经度、纬度和高度；
(5)将步骤(4)中计算的声源位置进行显示。
根据本发明所优选的，所述步骤(4)中，通过tdoa声音定位算法计算时延，即采用tdoa声音定位算法中的广义自相关函数法进行时延计算，包括步骤如下：
a、分别取出同一时间段内的4路声音信号，即：x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)，n为数字信号中采样点的序号，将4路声音信号进行加窗预滤波处理，消除噪声，经傅立叶变换到频域，即：x1(k)，x2(k)，x3(k)，x4(k)，k为与n对应的数字信号中采样点的序号，n与k皆为整数；
b、第一路声音信号x1(n)作为基准信号，分别计算x1(k)与x2(k)、x1(k)与x3(k)、x1(k)与x4(k)的互功率谱，即g12(k)、g13(k)、g14(k)，对互功率谱g12(k)、g13(k)、g14(k)进行phat加权操作，如式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)所示：
式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)中，
c、将互功率谱g12(k)、g13(k)、g14(k)逆变换到频域，得到对应的广义互相关函数r12(n),r13(n),r14(n)；
d、r12(n),r13(n),r14(n)分别取最大值时n所对应的时延即为3路声音信号x2(n)、x3(n)、x4(n)与基准信号x1(n)的时延估计t12、t13、t14；设r12(n)取最大值时的n值为n12，所取声音信号的点数为n，采样频率为fs，若n12>n/2,则
根据本发明所优选的，所述步骤(4)中，求解声源位置，包括步骤如下：
a、将gps定位模块计算的对应的四个麦克风的定位信号，包括经度、纬度、高度，从大地坐标系坐标转换到ecef直角坐标系下坐标中的笛卡尔坐标，转换公式如式(ⅳ)所示：
式(ⅳ)中，
根据式(ⅳ)获取对应的四个麦克风的转换后的ecef坐标系中的笛卡尔坐标，即(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)；
b、根据广义自相关函数法计算出的时延t12、t13、t14与步骤a获取的四个麦克风的坐标(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)，列出非线性方程组，如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，(x,y,z)为声源坐标；v为声音在空气中传播的速度；
用牛顿迭代法求解声源坐标(x,y,z)；
c、采用ecef直角坐标系参数来计算声源的大地高度、大地纬度和大地经度，ecef直角坐标系下根据在xy平面中测量的声源坐标与x轴之间的角度计算出声源的大地经度λ：当x≥0时，
采用由bowring提出的一种流行且高度收敛的迭代方法bowring演算法，求取声源的大地纬度，
式(ⅵ)中，p、u均为迭代算法中所需变量，a为椭球长半径，b为椭球短半径；
迭代循环：
直到tanu收敛，求得大地纬度
求取大地高度h：当
通过以上计算则可得出声源的在大地坐标系下的经纬度坐标
根据本发明优选的，所述gps定位模块通过rtk技术实时获取时间信号和定位信号。
gps定位模块采用rtk技术，定位的精度可以达到毫米级。gps定位模块得到的时间和位置信息为数字信号，通过串口传输。gps定位位置坐标作为计算声源的参考坐标，gps定位模块的定位精度将直接影响声源位置的精度。根据计算，gps定位模块厘米级的定位误差在200米的定位范围只会导致米级的声源定位偏移。此外，麦克风处于动态运动过程中时，gps定位模块的定位精度和数据更新速度会影响声源定位的精度，所以本系统需采用经rtk技术的卫星定位系统，以得到更好的定位精度。
上述声源定位方法的实现系统，包括至少4个mic与gps定位模块、存储模块、算法计算和系统控制模块、显示模块，至少4个所述mic与gps定位模块分别连接所述存储模块，所述存储模块、所述算法计算和系统控制模块、所述显示模块依次连接。
根据本发明优选的，所述mic与gps定位模块包括麦克风及用于定位的gps定位模块，麦克风实时获取声音信号，gps定位模块实时获取时间信号和位置信号；所述存储模块用于存储获取的声音信号、时间信号和定位信号；所述算法计算和系统控制模块通过tdoa声音定位算法计算时延，列出方程组求解声源位置，包括声源的大地经度、大地纬度和大地高度；所述显示模块用于显示声源位置。
根据本发明优选的，所述算法处理和系统控制模块为stm32开发平台，所述显示模块为液晶显示屏，所述gps定位模块为北斗星通um332。
本发明的有益效果为：
1、本发明将高精度gps定位模块与无源的声源定位方法结合起来，gps定位模块来测得采集声音信号的麦克风的位置信息，使用于采集声音信号的麦克风阵列不再受限于固定的相对位置。
2、本发明将gps定位模块获取的定位坐标作为声源定位的参考坐标，可以直接求得声源的经纬度坐标和高度。
3、本发明可以直接与其它需要定位数据的系统衔接。
4、本发明采用相同的麦克风器件采集声音，极大减少声音采集器带来的误差，并且采用运算量较小的tdoa算法计算时延得到声源位置，对声音信号的幅度大小不作要求。
5、本发明采用高精度卫星定位芯片对麦克风进行定位，得到麦克风采集声音时的高精度经纬度坐标，进而可以求得声源的经纬度坐标，可以直接用于地图显示。另外此方案中，麦克风位置不需要固定，因而可以应用于移动探测场景。
附图说明
图1为本发明基于高精度gps的声源定位方法的实现系统的结构框图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于高精度gps的声源定位方法，包括步骤如下：
(1)在声源定位的监控区域随意放置麦克风组成麦克风阵列，麦克风阵列中的每个麦克风上安装有gps定位模块，麦克风阵列中4个麦克风处于同时工作状态且采集到有效的声音信号；
(2)麦克风阵列中处于工作状态的麦克风实时获取声音信号，麦克风阵列中处于工作状态的麦克风上安装的gps定位模块实时获取位置信号，捕获的位置信号为nmea-0183格式，从位置信号中提取出时间信号与定位信号即可计算各个麦克风采集声音信号的时间和地点，将获取的声音信号、时间信号和定位信号转换为统一格式的数字信号；
(3)将步骤(2)获取的声音信号、时间信号和定位信号进行存储；
(4)根据指令获取步骤(3)中存储的对应的数据，通过tdoa声音定位算法计算时延，列出方程组求解声源位置，包括声源的经度、纬度和高度；
通过tdoa声音定位算法计算时延，包括步骤如下：
a、分别取出同一时间段内的4路声音信号，即：x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)，n为数字信号中采样点的序号，将4路声音信号进行加窗预滤波处理，消除噪声，经傅立叶变换到频域，即：x1(k)，x2(k)，x3(k)，x4(k)，k为与n对应的数字信号中采样点的序号，n与k皆为整数；
b、第一路声音信号x1(n)作为基准信号，分别计算x1(k)与x2(k)、x1(k)与x3(k)、x1(k)与x4(k)的互功率谱，即g12(k)、g13(k)、g14(k)，对互功率谱g12(k)、g13(k)、g14(k)进行phat加权操作，如式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)所示：
式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)中，
c、将互功率谱g12(k)、g13(k)、g14(k)逆变换到频域，得到对应的广义互相关函数r12(n),r13(n),r14(n)；
d、r12(n),r13(n),r14(n)分别取最大值时n所对应的时延即为3路声音信号x2(n)、x3(n)、x4(n)与基准信号x1(n)的时延估计t12、t13、t14；设r12(n)取最大值时的n值为n12，所取声音信号的点数为n，采样频率为fs，若n12>n/2,则
求解声源位置，包括步骤如下：
a、将gps定位模块计算的对应的四个麦克风的定位信号，包括经度、纬度、高度，从大地坐标系坐标转换到ecef直角坐标系下坐标中的笛卡尔坐标，转换公式如式(ⅳ)所示：
式(ⅳ)中，
根据式(ⅳ)获取对应的四个麦克风的转换后的ecef坐标系中的笛卡尔坐标，即(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)；
b、根据广义自相关函数法计算出的时延t12、t13、t14与步骤a获取的四个麦克风的坐标(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)，列出非线性方程组，如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，(x,y,z)为声源坐标；v为声音在空气中传播的速度；
用牛顿迭代法求解声源坐标(x,y,z)；
c、采用ecef直角坐标系参数来计算声源的大地高度、大地纬度和大地经度，ecef直角坐标系下根据在xy平面中测量的声源坐标与x轴之间的角度计算出声源的大地经度λ：当x≥0时，
采用由bowring提出的一种流行且高度收敛的迭代方法bowring演算法，求取声源的大地纬度，
式(ⅵ)中，p、u均为迭代算法中所需变量，a为椭球长半径，b为椭球短半径；
迭代循环：
直到tanu收敛，求得大地纬度
求取大地高度h：当
通过以上计算则可得出声源的在大地坐标系下的经纬度坐标
(5)将步骤(4)中计算的声源位置进行显示。
gps定位模块通过rtk技术实时获取时间信号和定位信号。
gps定位模块采用rtk技术，定位的精度可以达到毫米级。gps定位模块得到的时间和位置信息为数字信号，通过串口传输。gps定位位置坐标作为计算声源的参考坐标，gps定位模块的定位精度将直接影响声源位置的精度。根据计算，gps定位模块厘米级的定位误差在200米的定位范围只会导致米级的声源定位偏移。此外，麦克风处于动态运动过程中时，gps定位模块的定位精度和数据更新速度会影响声源定位的精度，所以本系统需采用经rtk技术的卫星定位系统，以得到更好的定位精度。
实施例2
实施例1所述的声源定位方法的实现系统，如图1所示，包括4个mic与gps定位模块、存储模块、算法计算和系统控制模块、显示模块，4个mic与gps定位模块分别连接存储模块，所述存储模块、算法计算和系统控制模块、显示模块依次连接。
mic与gps定位模块包括麦克风及用于定位的gps定位模块，麦克风实时获取声音信号，gps定位模块实时获取时间信号和位置信号；存储模块用于存储获取的声音信号、时间信号和定位信号；算法计算和系统控制模块通过tdoa声音定位算法计算时延，列出方程组求解声源位置，包括声源的大地经度、大地纬度和大地高度；显示模块用于显示声源位置。
算法处理和系统控制模块为stm32开发平台，所述显示模块为液晶显示屏，所述gps定位模块为北斗星通um332。
对比例1
根据实施例1所述的一种基于高精度gps的声源定位方法，其区别在于，在声源定位的监控区域构成相对固定的麦克风阵列，对单一声源进行定位，麦克风阵列包括四路mic，采集声音的麦克风为模拟memsmic，具体包括以下步骤：
(1)四路mic采集四路声音信号，采用两级放大电路对模拟信号进行50倍放大，并直流垫高至1.28v，adc进行40khz频率的ad采样。卫星定位系统进行定位，通过串口将位置信息导出。
(2)将声音信号、位置信号和时间信号传输至存储模块。为了便于对声音信号的存储，每4mb为一个存储文件。
(3)采用stm32作为计算控制模块，将四路所需的声音信号片段取出，通过广义自相关函数法进行时延计算得出t12，t13，t14三个时延估计。
(4)将mic的定位坐标信息取出，此时坐标为wgs-84大地坐标系下坐标，将此坐标系下的距离转换为ecef地心坐标系下坐标。结合4个mic坐标和三个时延估计，列出线性方程组。
(5)然后采用牛顿迭代法求解三元非线性方程组坐标。
(6)再将此坐标转回wgs-84坐标，在液晶显示屏下显示。
对比例2
根据实施例1所述的一种基于高精度gps的声源定位方法，其区别在于，在声源定位的监控区域构成相对固定的麦克风阵列，对单一声源进行定位，麦克风阵列包括四路mic，采集声音的麦克风为模拟memsmic，具体包括以下步骤：
(1)四路mic采集四路声音信号，数字mic时钟设为1.024mhz，输出为pdm信号，经语音处理芯片fm34-395经采样装换成16位的pcm信号。卫星定位系统进行定位，通过串口将位置信息导出。
(2)将声音信号、位置信号和时间信号传输至存储模块。为了便于对声音信号的存储，每4mb为一个存储文件。
(3)采用stm32作为计算控制模块，将四路所需的声音信号片段取出，通过广义自相关函数法进行时延估计计算得出t12，t13，t14三个时延估计；
(4)将mic的定位坐标信息取出，此时坐标为wgs-84将此坐标系下的距离转换为ecef地心坐标系下坐标。结合4个mic坐标和三个时延估计，列出线性方程组。
(5)然后采用牛顿迭代法求解三元非线性方程组坐标。
(6)再将此坐标转回大地坐标，在液晶显示屏下显示。
对比例3
根据对比例2所述的一种基于高精度gps的声源定位方法，其区别在于，四路mic的数字mic时钟设为2.475mhz，并对目标声源进行定位。
对比例4：
根据对比例2所述的一种基于高精度gps的声源定位系统，其区别在于，设定六路声音采集模块，任意四路进行组网，对目标声源的定位估计求取平均值。
根据实施例1、对比例1-4验证，声音采集模块采集声音时基于固定麦克风阵列还是随意放置声源定位的精度影响不大，极大保证了声源定位系统的灵活性。采用模拟mic采集声音时，放大器、adc引入的噪声偏大，定位精度不如采用数字mic的声源定位系统。提高声音的采样频率，确实能在一定程度上提高声源定位的精度，但也相应增加了数据的存储量和运算量。