一种分频段处理的多水下自主航行器被动相互定位方法与流程

本发明属于目标参数估计领域，涉及到一种分频段处理的多水下自主航行器(Autonomousunderwatervehicle)被动相互定位方法。

背景技术：
水下AUV等无人航行器自组网技术是目前海洋工程领域的研究热点之一。在自组网过程中，某个AUV需要知道自身和别的AUV所处的位置，以便获得最优的自组网效果。多AUV在组网过程中的相互定位方法主要分为并行式和主从式两种(张立川,刘明雍,徐德民等.基于水声传播延迟的主从式多无人水下航行器协同导航定位研究.兵工学报,2009；30(12):1674-1678.徐博,白金磊,郝燕玲等.多AUV协同导航问题的研究现状与进展.自动化学报,2015；41(3):445-461.)。1)并行式。系统中每个AUV使用自身的定位系统进行相互定位，利用水声通信技术共享位置信息；2)主从式。系统中少量主AUV装备性能好、精度高的定位系统以实时进行自身定位，大量从AUV装备低成本低精度定位系统，通过获得主AUV发送过来的位置信息提高定位精度，并利用水声通信共享自己在系统中的位置。但是已有的方法在相互定位时所使用的发射信号之间容易产生干扰，且某AUV在对其它AUV进行测角的同时难以进行测距。此外，部分定位方法在测距时需要增加应答器，会导致成本的增加。

技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是：为了克服已有的多AUV相互定位方法的不足，本发明提出利用分频段处理的测角测距的方法。该方法中每个AUV发射不同频段的信号，保证在某个频段内只有单个目标的信号存在(即在该频段内目标数为1)，因此在目标数为1的前提下使用MUSIC法在该频段上对其它AUV进行测角；对准测角结果进行波束形成，从波束形成输出提取一组离散频率分量，并在目标数为1的前提下使用MUSIC法进行测距。该方法克服了传统方法中难以同时进行被动测角、测距的缺点，并将MUSIC算法同时运用到测角和测距，为水下多AUV组网中的相互定位提供了新的思路。本发明的技术方案是：一种分频段处理的多水下自主航行器被动相互定位方法，包括以下步骤：步骤一：初始化参数设定：设有M个多水下自主航行器AUV(M大于等于2)，每个AUV上携带1个发射阵元和N元接收阵；设计P个覆盖不同频段的信号，且P个波形与M个AUV一一对应，即P＝M，且第m(m＝1,2,…,M)个AUV上的发射阵元发射第p(p＝1,2,…,P)个频段的信号，具体为：第1个AUV发射第1个频段的信号，第2个AUV发射第2个频段的信号，…，第M个AUV发射第P个频段的信号；步骤二：完成M个AUV上信号的发射和采集；在某一时刻，所有AUV上的发射阵元发射信号，同时所有AUV上的接收阵元开始采集信号；且每个AUV上的接收阵元都采集到其它M-1个AUV所发射的信号；设第m(m＝1,2,…,M)个AUV上第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元所采集的信号为可表示为：其中，σp代表第p个发射信号的幅度，代表第m'(m'与m有相同的意义，满足m'＝1,2,…,M，m'≠m)个AUV上的发射阵元到第m个AUV上第n个接收阵元的距离，c代表水下声速，为第m个AUV中第n个接收阵元上的噪声；第m个AUV上的第n个接收阵元上信号的时延为：其中，为第m’个AUV上的发射阵元到第m个AUV上N元ULA几何中心的距离，d为N元接收ULA的阵元间距，θm'为第m’个AUV相对于第m个AUV上N元ULA法线方向的夹角；步骤三：利用傅里叶变换获得每个AUV上所采集到的其余M-1个AUV所发射信号的频域输出；对第m个AUV中N元ULA上的采集信号进行傅里叶变换，获得频域输出Xm，可表示为：其中，(n＝1,2,…,N)代表第m个AUV中第n个接收阵元上采集信号的频域输出，f代表频率；按照P个发射信号所占据的频段，将整个频域输出Xm划分为P块，即可以表示为：其中，(p＝1,2,…,P)表示第m个AUV上采集信号的第p块频域输出；剩下的P-1块频域输出中，第p块频域输出在N元ULA上的表达式为：其中，代表第m个AUV中第n个接收阵元上采集信号频域输出的第p块，bp代表第p(p≠m)个发射信号所对应的频段；步骤四：对第m个AUV上采集的信号进行分频段处理，每个频段仅包含1个AUV所发射的信号成分，可直接在目标数为1的前提下使用MUSIC算法获得与该频段所对应的AUV的测角和测距结果，包括以下子步骤：子步骤一：利用前三步获得的参数进行测角：进行测角时，先构建协方差矩阵其中，为第m个AUV上第p块信号频域输出所构建的协方差矩阵，[]H代表共轭转置；对进行特征分解，得到：其中,和分别为的特征向量和特征值矩阵；由于第p个频段内仅有1个AUV所发射的信号成分，因此直接设目标数为1；取出与N-1个小特征值对应的特征向量组成与噪声对应的特征向量矩阵利用MUSIC算法的测角表达式为：其中，为第m个AUV对第m'(m'≠m)个AUV进行测角所获得的空间谱，为N元ULA的阵列扫描向量，fp为第p个频段的中心频率，θ为扫描角度；搜索空间谱峰值所在角度，即可获得第m'个AUV的测角结果；子步骤二：利用前三步获得的参数进行测距：获得第m'(m'＝p)个AUV的测角结果后，对准该测角结果进行波束形成，获得该角度上的频域波束输出；从该频域波束输出中提取L个频率分量，处理L个频率分量获得第m'个AUV的测距结果；这L个频率分量的频率均包含在第p个频段内，且相邻分量之间的频率间隔为△f；第p个频段内的频域波束输出所提取的L个频率分量，可表示为：其中，为在第p个频段内的频域波束输出上所提取的第l(l＝1,2,…,L)个频率分量，表示在第p个频段上所提取的第l个频率分量所对应的频率；利用构建协方差矩阵对进行特征分解，得到：其中,和分别为的特征向量和特征值矩阵；由于第p个频段内仅有1个AUV的信号成分，因此直接设目标数为1；取出与N-...