一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，由捷联惯性导航系统SINS、AUV底部的单水听器(接收器)以及海底单水听器(带声源)组成。采用基于海底水听器发出的超声波的周期而移动的时间窗模型，在时间窗内部通过对AUV处于不同位置时接收到的声源信号做广义互相关得到时延差，再通过计算时间窗内部AUV多点模型得到AUV最新位置坐标。本发明通过时间窗内部AUV多点模型计算，AUV航行距离无需过远，从而有效减小了惯导系统随着时间不断累积而造成的定位误差。本发明中AUV无需上浮出水面进行位置更新，无需数据通信且AUV被动接受超声波信号，不易暴露位置，提高了AUV的隐蔽性和安全性。
【专利说明】
一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于捷联惯性导航技术领域，尤其涉及为一种基于周期移动时间窗的被动 水声定位方法。
【背景技术】
[0002] AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器)现在在执行各种水下 任务中发挥着重要的作用，其中包括海洋探测、水下排雷和收集海洋及河流的水深测量数 据等。为了保证AUV能够在水下顺利完成任务，并且得到比较精确的水下测量数据，就必须 要求其在水下具有长期的自主的高精度定位导航能力，并且具有较高的隐蔽性。
[0003] 现在大部分AUV上使用DVL与SINS进行组合导航，并通过舰位推算的方法来估计位 置，但这样会引起惯导系统定位误差随着时间不断累积，而不能满足长期的自主的高精度 定位要求。AUV在浅海执行任务时采用的"潜航-水面校正-潜航"的导航模式进行定位导航， 即当AUV在水下航行时依靠 SINS/DVL进行定位导航，当AUV在水下潜行一定时间后为了校正 累积误差，AUV必须上浮水面，使用SINS/GPS组合导航系统进行校正。采用这种方案，虽然能 达到校正累积误差的目的，但是必须要求AUV不断往返于水下作业地点与水面之间。这样做 不仅影响工作效率，而且更容易暴露AUV的位置。特别是当AUV在深海或者冰下作业时，这种 方案更加不切实际。因此，研究一种在水下长期的自主的进行可靠辅助定位的方法十分重 要。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明针对以往的DVL与SINS进行组合导航方法存在的定位误差会随 着时间不断累积、"潜航-水面校正_潜航"的导航模式容易暴露AUV的位置等在AUV水下自主 式导航方面存在的问题，提供一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，利用海底水 听器来确定载体的位置，计算出的位置坐标。特别适用于长期的自主的水下高精度定位导 航，并且具有较高的隐蔽性。
[0005] 技术方案:一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，包括以下步骤：
[0006] (1)对固定在海底的单个水听器作为声源进行定位，计算其惯性坐标系下的位置 坐标P(x，y，z);
[0007] (2)海底的水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期为t的超声波脉冲信号，当 AUV底部固定的水听器作为接收器接收到10个周期的脉冲信号后，即经过时间10t，AUV已经 向前行进了一段距离，当AUV底部固定的水听器接收到第11个脉冲信号时，确定并记录AUV 当前位置?1(1 = 〇，1，2,3-），此时以脉冲信号的出现作为周期信号的起始位置，接收器接 收海底水听器发出的一个周期的声信号Xl(i = 〇，l，2,3~）；
[0008] (3)AUV在水听器所在附近水域航行时，选取记录下来的4个AUV的连续位置形成时 间窗，表示出4个位置Pi (i = 0，1，2，3)绝对地理坐标系下的坐标为：
[0010] ⑷由P3处接收到的声信号分别与P2U0处接收到的声信号做互相关得到时延 差 丁32、丁31、丁30:
[0011] A t3i = T3i-(30-10i)t，（i = 0，l，2);
[0012] 而AUV在Pi(i = 0，l，2,3)处时与海底水听器P(x，y，z)的距离为：
[0014] 所以根据所估计的时延差，水下声速设为恒定值，记为c，得到以下的方程组：
[0015] L3-Lo= A t3〇c
[0016] L3-Li= A t3ic；
[0017] L3_L2 = A t32C
[0018] (5)由步骤(3)中的坐标代入的距离公式后再代入方程组后，由方程组中的3个方 程得到所需的P3的坐标(幻，73, 23)，即4群此时最新的坐标位置。
[0019] 由于随海底水听器发出的脉冲信号周期的移动，以AUV的四个连续位置、形成多个 时间窗，对之后的时间窗进行相同计算，可对AUV的位置进行实时跟踪并定位，使用该方法 后可以得到更精确的当前位置坐标。
[0020] 所述步骤(3)时间窗的表示方法为：
[0021] 1)设定原始AUV的惯性坐标系下的位置坐标为?〇(队7()，2())，在经过时间1(^之后， 得到当前的位置坐标Pi(xi，yi，zi)，在经过时间20t之后，得到当前的位置坐标P2U2，y2，Z2)， 在经过时间30t之后，得到最新的位置坐标P3(X3，y3，Z3)，此时的四个点形成一个时间窗；
[0022] 2)当海底水听器发出的脉冲信号经过10个周期即10t时，AUV得到当前的惯性坐标 系下的位置坐标为?4(14,74,24)，此时将?()(1()，7()，2())从时间窗中删除，并将当前的?4与？1、 p 2、p3组成新的时间窗。以此类推，在AUV航行的过程中，时间窗保持lot的周期向后移动；
[0023] 3)其中第一个时间窗中，通过母船上的頂U和罗经传感器对AUV当前的航向、速度 等信息进行测量并积分运算后得到的lot、20t、30t时间内AUV在绝对地理坐标系中X、y、Z轴 向的航行距离分别为 A xi、A X2、A X3、A yi、A y2、A y3、A zi、A Z2、A Z3,从而用最新位置P3 (13,73,23)为未知参数，将?心=0，1，2)表示为 ：
[0024] (xo，yo，Z()) = ((X3_ A xi)，(y3_ A ，(Z3_ A zi))
[0025] (xi，yi，zi) = ((X3_ A X2)，（y3_ A y2)，（Z3_ A Z2));
[0026] (X2，y2，Z2) = ((X3- A X3)，(y3- A y3)，(Z3- A Z3))
[0027] 4)后续的时间窗同第一个时间窗的处理方法相同，用最新位置的坐标作为未知参 数表示出前三个记录的位置的坐标。
[0028]所述步骤(4)中互相关得到时延差的方法为：
[0029] 5)假设水听器在?:接收到的信号为：
[0030] xi(t) = aix(t-Ti)+ru(t)；
[0031] 6)水听器在Pj接收到的信号为：
[0032] xj(t) =ajx(t-Tj)+nj(t)；
[0033] 其中ai、aj为声信号在水中传播的衰减系数，m(t)、nj(t)为互不相关的噪声信号， Ti、Tj为传播时间；
[0034] 7)由步骤(5)的公式对AUV底部的水听器在不同位置接收到的声源信号做广义互 相关计算，Xi(t)与Xj(t)的互相关函数为：
[0036] 8)其中nm，表示到达时间差，T表示观测时间。根据相关函数的性质，只要找 出尺,的峰值，其对应的Tij由两部分组成，一是AUV底部固定的水听器在Pi处与Pj处由于 与海底水听器距离不同导致声信号传播时间不同而造成的时间差A ，二是AUV从匕到Pi 位置所经时间kt (k为经过的周期数）。
[0037]有益效果:本发明通过在水底设置单个水听器(带声源），以及在AUV底部设置单个 水听器(接收器），利用海底水听器持续发送声信号来对载体的位置进行实时更新，计算出 的位置坐标是相对于地球坐标系下的坐标，再通过坐标转换，转换成大地坐标系下的经炜 度数据。本发明与现有技术相比的优点在于：
[0038] (1)本发明利用海底水听器持续发送声信号来对AUV的位置进行确定，AUV被动接 收声信号，具有了较高的隐蔽性，不容易暴露AUV的位置。
[0039] (2)本发明采用基于周期移动的时间窗定位方法，以AUV的四个连续位置形成时间 窗，并且时间窗根据海底水听器发出的脉冲信号的周期而移动，可对AUV的位置进行实时跟 踪并定位，使用该方法后可以有效减少惯导系统随着时间不断累积的定位误差，可以得到 更精确的当前位置坐标。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明的流程图；
[0041] 图2为本发明的时间窗模型示意框图；
[0042]图3为本发明声源信号做广义互相关得到时延差流程图。
【具体实施方式】
[0043]下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；
[0044] 如图1，本发明的具体实施步骤如下：
[0045] 1)首先AUV通过计算机获取到水下水听器作为带声源在惯性坐标系下的位置坐标 P(x,y,z)；
[0046] 2)然后设定当前六群的惯性坐标系下的位置坐标为?(^()，7()，2())，此后41^向前，并 时刻保持接收水听器发出的超声波，在接收到10个周期的超声波后，（即航行经过时间 10t)，AUV到达位置Pi，AUV通过母船上的IMU(Inertial measurement unit)和罗经等传感 器对AUV当前的航向、速度等信息进行测量并积分运算后，记录当前在惯性坐标系中x、y、z 轴向的航行距离分别为A xi、A yi、A zi，并记录下一个周期的超声波信号，记录结束后，AUV 继续向前航行，在经过时间201之后，AUV到达位置P2，记录当前在惯性坐标系中x、y、z轴向 的航行距离分别为A X2、A y2、A Z2,并记录下一个周期的超声波信号，在经过时间30t之后， AUV到达位置P3,记录当前在惯性坐标系中x、y、z轴向的航行距离分别为A X3、A y3、A Z3,并 记录下一个周期的超声波信号；
[0047] 3)当计算机记录了四个位置之后，计算机通过记录的信息，用最新位置P3的惯性 坐标系下的坐标(X3，y3，Z3)为未知参数，可将Pi (i = 0，1，2)的坐标表示为：
[0048] (xo,yo,zo) = ((x3~ A xi), (y3~ A yi), (z3~ A zi))
[0049] (xi ,yi,zi) = ((X3_ A X2), (y3_ A y2), (Z3_ A Z2))
[0050] (X2,y2,Z2) = ((X3_ A X3), (y3_ A y3), (Z3_ A Z3))
[00511 1)计算机对P3处接收到的声信号分别与P^P^Po处接收到的声信号做互相关，
[0052] 如图3,过程如下：
[0053] 假设水听器在?:接收到的信号为(i = 0，1，2，3):
[0054] xi(t) = aix(t-Ti)+ru(t)；
[0055] 其中ai为声信号在水中传播的衰减系数，m(t)为互不相关的噪声信号，Ti为
[0056] 传播时间；
[0057] 由步骤(2)中AUV底部的水听器在不同位置接收到的声源信号做广义互相 [0058]关计算^1(〇(1 = 0，1，2)与的幻(〇互相关函数为：
[0060] 其中t = T3-Ti，表示到达时间差，T表示观测时间。计算机通过一定的算法找出 的峰值，其对应的t i3由两部分组成，一是AUV底部固定的水听器作为接收器在Pi处与P3处由 于与海底水听器距离不同导致声信号传播时间不同而造成的时间差A tl3，二是AUV从PjlJ P3位置所经时间kt(k为经过的周期数）；
[0061] 所以由P3处接收到声信号的所需时间与P^P^Po处接收到声信号的所需时间的时 间差为：
[0062] A t3i = T3i-(30-10i)t,(i = 0,l,2)；
[0063] 2)由AUV在Pi(i = 0，l，2,3)处时与海底水听器P(x，y，z)的距离为：
[0065] 所以根据计算机得到的时间差，水下声速设为恒定值，记为c，可以得到以下的方 程组：
[0066] L3_Lo = A t30C
[0067] L3~Li= A t3ic ；
[0068] L3~L2= A t32C
[0069] 3)计算机将步骤(3)中的坐标代入的距离公式后再代入方程组后，由方程组中的3 个方程可以得到所需的P3的坐标(13,73,23)，8卩41^此时最新的坐标位置，再通过坐标转换 成大地坐标系下的经炜度数据，此时第一个时间窗计算完成；
[0070] 4)AUV继续向前航行，海底水听器发出的脉冲信号又经过10个周期即10t时，AUV到 达位置P4,记录当前在惯性坐标系中x、y、z轴向的航行距离分别为A X2、A y2、A Z2,并记录 下一个周期的超声波信号，此时将Po(xQ，y()，Z())从时间窗中删除，并将当前的P4与组 成新的时间窗。以此类推，在AUV航行的过程中，时间窗一直保持10t的周期向后移动；
[0071] 5)此后的时间窗同第一个时间窗的处理方法相同，可用最新位置的坐标作为未知 参数表示出前三个记录的位置的坐标，从而得到最新位置的坐标的准确值；
[0072]本发明针对现有技术中的两种情况提出了有效的解决方式：由捷联惯性导航系统 SINS、AUV底部的单水听器(接收器）以及海底单水听器(带声源)组成。采用基于海底水听器 发出的超声波的周期而移动的时间窗模型，在时间窗内部通过对AUV处于不同位置时接收 到的声源信号做广义互相关得到时延差，再通过计算时间窗内部AUV多点模型得到AUV最新 位置坐标。由于时间窗基于超声波周期不断向前移动，能够达到较好的定位精度并且增加 系统的冗余性。本发明通过时间窗内部AUV多点模型计算，AUV航行距离无需过远，从而有效 减小了惯导系统随着时间不断累积而造成的定位误差。本发明中AUV无需上浮出水面进行 位置更新，无需数据通信且AUV被动接受超声波信号，不易暴露位置，提高了 AUV的隐蔽性和 安全性。
【主权项】
1. 一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 对固定在海底的单个水听器作为声源进行定位，计算其惯性坐标系下的位置坐标P (x,y,z)； (2) 海底的水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期为t的超声波脉冲信号，当AUV底 部固定的水听器作为接收器接收到10个周期的脉冲信号后，即经过时间l〇t，AUV已经向前 行进了一段距离，当AUV底部固定的水听器接收到第11个脉冲信号时，确定并记录AUV当前 位置 Pl(i=0，l，2,3-)，此时以脉冲信号的出现作为周期信号的起始位置，接收器接收海 底水听器发出的一个周期的声信号 Xl(i = 〇，l，2,3~）； (3) AUV在水听器所在附近水域航行时，选取记录下来的4个AUV的连续位置形成时间 窗，表示出4个位置Pi (i = 0，1，2，3)绝对地理坐标系下的坐标为：(4) 由P3处接收到的声信号分别与P^P^Po处接收到的声信号做互相关得到时延差132、 丁31、丁30: A t3i = T3i-(30-10i)t,(i = 0,l,2)； 而AUV在Pi(i = 0，l，2,3)处时与海底水听器P(x，y，z)的距离为：所以根据所估计的时延差，水下声速设为恒定值，记为c，得到以下的方程组： Z.; -Z.0 = /Stwc L;-L、= At''c .la' ~ ~ (5) 由步骤(3)中的坐标代入的距离公式后再代入方程组后，由方程组中的3个方程得 到所需的P3的坐标(X3，y3，Z3)，即AUV此时最新的坐标位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，其特征在于， 所述步骤(3)时间窗的表示方法为： 1) 设定原始AUV的惯性坐标系下的位置坐标为?〇(叫外，別），在经过时间1(^之后，得到 当前的位置坐标?1(11，71，21)，在经过时间201：之后，得到当前的位置坐标?2(12,72,22)，在经 过时间30t之后，得到最新的位置坐标?3(幻， 73,23)，此时的四个点形成一个时间窗； 2) 当海底水听器发出的脉冲信号经过10个周期即lot时，AUV得到当前的惯性坐标系下 的位置坐标为?心4,74,24)，此时将?(^()， 7()，2())从时间窗中删除，并将当前的?4与？1、？2、？3 组成新的时间窗。以此类推，在AUV航行的过程中，时间窗保持lot的周期向后移动； 3) 其中第一个时间窗中，通过母船上的IMU和罗经传感器对AUV当前的航向、速度等信 息进行测量并积分运算后得到的l〇t、20t、30t时间内AUV在绝对地理坐标系中x、y、z轴向的 航行距离分别为 A xi、A X2、A X3、A yi、A y2、A y3、A zi、A Z2、A Z3,从而用最新位置P3(X3, y3，Z3)为未知参数，将Pi(i = 0，l，2)表示为： 4) 后续的时间窗同第一个时间窗的处理方法相同，用最新位置的坐标作为未知参数表 示出前三个记录的位置的坐标。3.根据权利要求1所述的一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，其特征在于， 所述步骤(4)中互相关得到时延差的方法为： 5) 假设水听器在^接收到的信号为： Xi⑴=aiX(t-Ti)+ni(t) ;6)水听器在Pj接收到的信号为： Xj(t)=ajX(t-Tj)+nj(t)； 其中ai、aj为声信号在水中传播的衰减系数，]^(1:)、11」(1:)为互不相关的噪声信号，^、4 为传播时间； 7) 由步骤(5)的公式对AUV底部的水听器在不同位置接收到的声源信号做广义互相关 计算，Xi(t)与Xj(t)的互相关函数为：8) 其中T = Tj-Tl，表示到达时间差，T表示观测时间。根据相关函数的性质，只要找出 心.，（0的峰值，其对应的由两部分组成，一是AUV底部固定的水听器在Pi处与Pj处由于与 海底水听器距离不同导致声信号传播时间不同而造成的时间差A t^，二是AUV从匕到 置所经时间kt (k为经过的周期数）。
【文档编号】G01C21/16GK106054135SQ201610312943
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】张涛, 王自强, 朱永云, 胡贺庆, 杨书天
【申请人】东南大学