一种基于静电场的船舶跟踪定位方法与流程

本发明属于目标跟踪定位技术领域，具体涉及一种基于静电场的船舶跟踪定位方法。

背景技术：

船舶静态电场与船舶轴频电场都是重要的船舶水下电场信号，相比于船舶轴频电场，静电场虽然在频域特性方面没有明显的线谱特征，不利于远程探测，但其具有较大的信号量级(往往10倍、甚至20倍于轴频电场的信号量级)，且有明显的通过特性。静电场信号可以由单位电流源反演得到，其中包含有位置信息，可以用来实现对船舶目标的跟踪定位。目前静电场在跟踪定位领域的应用鲜见报道，在声学环境复杂的区域，声学跟踪定位方法的性能将会因为环境干扰的影响而下降，而电信号所受影响相对较小。利用电信号跟踪定位在能见度较差环境下也能实现船舶的准确跟踪，加上目前在各类港口、水中兵器、船舶本身，都有对一定区域内船舶目标跟踪定位的需求，所以利用船舶静电场对船舶目标进行跟踪定位可以作为船舶跟踪定位的一种有效手段。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

本发明的任务是要提供一种基于静电场的船舶跟踪定位方法，利用船舶静电场测量技术，结合船舶电场建模方法和卡尔曼滤波估计，解决对船舶目标的跟踪定位问题。

本发明的任务是这样来完成的，一种基于静电场的船舶跟踪定位方法，包括以下步骤：

s1)组建两个及以上的船舶静电场测量节点；

s2)利用测量节点实时测量船舶静电场信号；

s3)利用单位电流源模型对静电场信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；

s4)利用卡尔曼滤波方法，以测量得到的静电场信号作为观测值对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的步骤s1)中，测量节点间的间距根据定位距离的要求调整，定位距离越远间距越大，每个测量节点可采用测量一个方向电场分量、两个正交方向电场分量或三个正交方向电场分量的任何一种或多种组合的方式。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的步骤s2)中，测量船舶静电场信号的带宽选取为dc～0.5hz。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的步骤s3)中，利用单位电流源对静电场信号建模，采用点电荷和/或电偶极子。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤s4)中，所述的卡尔曼滤波方法是经典卡尔曼滤波方法，或者是扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。

在本发明的还有一个具体的实施例中，利用实时测量得到的船舶静电场信号作为观测值，采用卡尔曼滤波方法，实现对船舶位置、速度、航向、航速等状态信息的实时有效估计。

本发明由于采用了上述结构，具有的有益效果之一：所需设备为电场测量通用设备，不需要声纳、雷达等复杂昂贵设备，只需利用船舶静电场测量技术，结合船舶电场建模方法和卡尔曼滤波估计，就能有效解决对船舶目标的跟踪定位问题，此检测方法操作简便；之二，本跟踪定位方法在几百米范围内位置定位误差小于10米，速度估计误差小于0.5m/s，测量精度高，定位准确。

附图说明

图1为本发明所述船舶跟踪定位方法中船舶静电场测量节点组成结构示意图。

图2本发明所述船舶跟踪定位方法中获得的船舶静电场信号示意图。

图3本发明所述利用静电场对船舶等效源跟踪定位的效果图。

图4本发明所述利用静电场对船舶等效源跟踪定位的速度误差示意图。

图5本发明所述利用静电场对船舶等效源跟踪定位的位置误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

本发明涉及一种基于静电场的船舶跟踪定位，包括如下步骤：

s1)组建两个及以上的船舶静电场测量节点；

s2)利用测量节点实时测量船舶静电场信号；

s3)利用单位电流源模型对静电场信号建模，并建立卡尔曼滤波的观测模型；

s4)利用卡尔曼滤波方法，以测量得到的静电场信号作为观测值对船舶的状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位。

以下，对上述步骤进行详细的说明。

如图1所示，步骤s1)所述的两个及以上的船舶静电场测量节点中每个节点由四个电场传感器组成，测量节点间的间距根据定位距离的要求调整，定位距离越远间距越大，每个测量节点可采用测量一个方向电场分量、两个正交方向电场分量或三个正交方向电场分量的任何一种或多种组合的方式。本实施例中采用测量水平方向的两个正交电场分量，两个测量节点中心的间距设为100m。

根据步骤s2)要求以当前测量得到的静电场信号作为观测值，如图2所述的是整个测量过程中测得的静电场信号各水平分量。本实施例中测量船舶静电场信号的带宽一般选取为dc～0.5hz。

根据步骤s3)利用单位电流源对静电场信号建模，可采用点电荷、电偶极子或者二者的组合，本实施例中采用三个点电源的两个电场分量的计算公式为：

式中，

其中，x,y,z为测量节点的坐标，xi,yi,zi为船舶位置坐标，k＝(σ1-σ2)/(σ1+σ2)为海底反射系数，σ1为海水电导率，σ2为海床电导率，h为海水深度，h为点电源深度。

则在k时刻第j个电场传感器测到的目标信号可建模如下：

式中，j为电场传感器的编号，j＝1,2，y^(j)为第j个传感器的观测值，为第j个电场传感器的观测噪声，为k时刻第j个测量节点的电场值，表示为：

本实施例中选用两个节点，取σ1＝4s/m，σ2＝0.04s/m，h＝100m，z＝99m，则测量节点的坐标分别为(0，50，-99)和(0，-50，-99)。

根据步骤s4)利用卡尔曼滤波根据测量得到的静电场包络信号对船舶的位置、速度、航向、航速等状态信息进行估计，实现对船舶的跟踪定位步骤。

定义k时刻船舶目标状态向量：

式中，rk＝[x,y,z]^t为船舶的位置信息，vk＝[vx,vy]^t为船舶的速度信息，p为船舶等效源强度，假设为三个点源p＝[p1,p2,-p1-p2]^t(满足点电源电流守恒，因此在估计时可考虑只估计两个点电源的量，另一个取二者之和，但符号相反)，并设定初值x0＝[50,-400,-10,-1,2,-10,30]^t(真实值为r＝[40,-380,-50]^t，v＝[-1,2]^t，p＝[-15,30,-15]^t)。采用卡尔曼滤波估计的方法，也可采用扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等其他由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法，来估算船舶的位置、速度、航向、航速等状态信息，本实施例中选用了扩展卡尔曼滤波的方法进行了时间更新和状态更新，最终得到的估计结果如图3所示。图3中蓝线“-o-”为目标运动航迹，红线为跟踪定位轨迹。跟踪速度误差如图4所示，由图4可知该定位方法在速度估计误差小于0.5m/s；位置误差如图5所示，由图5可知在几百米范围内的距离误差小于10米，表明该方法可有效实现船舶目标的跟踪定位。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，例如rom/ram、磁碟、光盘等。