一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法与流程

本发明属于水声定位导航领域，特别是涉及一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法。

背景技术：

单信标导航是近二十年发展起来的一种新型导航方式，它只需布放一个声信标就可实现一个区域的导航，相比传统的长基线(lbl)和超短基线(usbl)的导航方式，具有布阵简单和成本较低的优点。单信标导航不仅需要获取声信标与auv之间的距离信息，还需要通过auv自身搭载的传感器获取其余的状态信息，如深度(压力传感器)、速度(多普勒速度计程仪dvl)和加速度(惯性测量单元imu)等，再通过对两种信息进行融合以对auv的位置进行解算。对于单信标导航，常见的算法是toa(timeofarrival-信号达到时间)法和tdoa(timedifferenceofarrival-时延差)法。toa法适用于时钟同步的情况，在时钟异步的情况下存在明显的理论缺陷。tdoa法虽然不受时钟异步的限制，但其导航精度一般低于toa法。因此，寻找一种适用于时钟异步且精度较高的导航方法对于单信标导航具有重要意义。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法，以解决现有的导航方法精度较低的问题。

所述水声信号处理方法包括：

s100建立w-u坐标系：在导航模型中，过声信标o点作两个导航点a和b所成直线的垂线，垂足为p，以p点为原点建立二维直角坐标系w-u，w轴与向量ab同向，u轴与向量po同向；

s200计算信号相位差的一次项系数：对导航点a和b所接收的cw或lfm信号(continuouswaveform-连续波信号，linearfrequencymodulation-线性调频信号)，依次进行包络对齐、共轭相乘、相位解缠和线性拟合(或二次拟合)的操作，提取拟合结果中的一次项系数；

s300建立并求解导航方程：联合所得的时延差信息和相位差信息，建立关于auv在w-u坐标系下的坐标的导航方程，并对其进行求解；

s400坐标系转换：通过坐标系转换，获取auv在目标坐标系下的坐标位置。

进一步的，在步骤s100中，具体的，声信标位于水下o点，且周期性地发射声信号so(t)，以o点为原点建立二维直角坐标系x-y，x轴指向正东方向，y轴指向正北方向，在该坐标系内，auv从a点以速度v运动到b点，auv在a和b两处接收到声信号分别记为sa(t)和sb(t)，两个信号的前沿在声信标处的发射时刻已知，分别记为toa和tob(声信标时钟)；两个信号的前沿到达auv的时刻可通过notch滤波器(cw信号)或匹配滤波器(lfm信号)测量得到，notch滤波器为自适应陷波滤波器。分别记为tra和trb(auv时钟)；两个信号的前沿在水介质的传播时延分别记为ta和tb；两个时钟的同步误差为tce，则toa、tob、tra、trb、ta、tb和tce满足下式：

ta+tce＝tra-toa(1)

tb+tce＝trb-tob(2)

过o点作a和b两点所成直线的垂线，垂足记为p点，以p点为原点在o、a和b三点所确定的平面内建立二维直角坐标系w-u，其中，w轴与向量ab同向，u轴与向量po同向，在w-u下，o点的坐标记为wo＝[0,uo]，a点的坐标记为wa＝[wa,0]，向量ab的记为wab＝[wab,0]，wab满足下式：

wab＝|v|(trb-tra)(3)

进一步的，在步骤s200中，具体的，计算信号相位差的一次项系数，

声信标所发射信号so(t)一般为cw脉冲和lfm脉冲，其具体形式为：

上式中，f0为信号的起始频率，k为lfm信号的调频率，

在oa和ob的长度远远大于ab的长度的条件下，接收信号sa(t)和sb(t)的具体表达式可写为：

上式中，θa和θb分别为∠aop和∠bop的大小，c为声速，

步骤s200具体还包括以下步骤：

s210将信号sa(t)和sb(t)的包络进行对齐，即将两个信号的前沿移至同一时间点。在auv的时间轴上对信号sa(t)和sb(t)进行包络对齐得：

pa(t)＝sa(t+ta)(7)

pb(t)＝sb(t+tb)(8)

s220：对信号pa(t)和pb(t)进行共轭相乘：

上式中：

s230在实际计算信号sab(t)的相位信息时，由于计算机等仪器中的相关函数默认的信号相位为-π～π，使得最终的相位信息出现相位缠绕的现象，为了后续的数据处理，需要进行相位解缠的操作。

s240当信号为cw或lfm信号时，对解缠后的相位信息进行线性拟合或二次拟合，并提取所得拟合函数的一次项系数β，由式可知β满足下式：

进一步的，在步骤s300中，具体的，建立并求解导航方程，

由式和可知两个信号的时延差为：

ta-tb＝(tra-toa)-(trb-tob)(11)

将ta和tb用wa、wo和wab表示，上式可改写为：

将式中的sinθa和sinθb也用wa、wo和wab表示，可得：

联立式和，可解得a和o两点在w-u坐标系下的坐标。

进一步的，根据权利要求1所述的一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法，其特征在于，在步骤s400中，具体的，坐标系转换，

在单信标导航中，一般以x-y坐标系下的坐标xa＝[xa,ya]来描述auv的位置信息，xa、wa和wo之间的关系如下：

上式中，θv为v与x轴的夹角。

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法，在时钟异步的情况下，导航精度整体高于tdoa法，且在局部可与toa(timeofarrival)导航方法的导航精度相比拟。

附图说明

图1为单信标导航系统示意图；

图2为本发明的一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法的算法流程图；

图3为auv的实际运动轨迹(直线轨迹)及采用pd法、toa法和tdoa法所得到的解算结果示意图；

图4为对应图3的三种导航方法(pd法、toa法和tdoa法)的水平误差解算结果示意图；

图5为auv的实际运动轨迹(圆形轨迹)及采用pd法、toa法和tdoa法所得到的解算结果示意图；

图6为图5的局部放大图；

图7为对应图5的三种导航方法(pd法、toa法和tdoa法)的水平误差解算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图2所示，本发明提供了本发明通过以下技术方案实现：一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法，

所述水声信号处理方法包括：

s100建立w-u坐标系：在导航模型中，过声信标o点作两个导航点a和b所成直线的垂线，垂足为p，以p点为原点建立二维直角坐标系w-u，w轴与向量ab同向，u轴与向量po同向；

s200计算信号相位差的一次项系数：对导航点a和b所接收的cw(或lfm)信号，依次进行包络对齐、共轭相乘、相位解缠和线性拟合或二次拟合的操作，提取拟合结果中的一次项系数；

s300建立并求解导航方程：联合所得的时延差信息和相位差信息，建立关于auv在w-u坐标系下的坐标的导航方程，并对其进行求解；

s400坐标系转换：通过坐标系转换，获取auv在目标坐标系下的坐标位置。

在本部分优选实施例中，在步骤s100中，具体的，声信标位于水下o点，且周期性地发射声信号so(t)，以o点为原点建立二维直角坐标系x-y，x轴指向正东方向，y轴指向正北方向，在该坐标系内，auv从a点以速度v运动到b点，auv在a和b两处接收到声信号分别记为sa(t)和sb(t)，两个信号的前沿在声信标处的发射时刻已知，分别记为toa和tob(声信标时钟)；两个信号的前沿到达auv的时刻可通过notch滤波器(cw信号)或匹配滤波器(lfm信号)测量得到，分别记为tra和trb(auv时钟)；两个信号的前沿在水介质的传播时延分别记为ta和tb；两个时钟的同步误差为tce，则toa、tob、tra、trb、ta、tb和tce满足下式：

ta+tce＝tra-toa(1)

tb+tce＝trb-tob(2)

过o点作a和b两点所成直线的垂线，垂足记为p点，以p点为原点在o、a和b三点所确定的平面内建立二维直角坐标系w-u，其中，w轴与向量ab同向，u轴与向量po同向，在w-u下，o点的坐标记为wo＝[0,uo]，a点的坐标记为wa＝[wa,0]，向量ab的记为wab＝[wab,0]，wab满足下式：

wab＝|v|(trb-tra)(3)

进一步的，在步骤s200中，具体的，计算信号相位差的一次项系数，

声信标所发射信号so(t)一般为cw脉冲和lfm脉冲，其具体形式为：

上式中，f0为信号的起始频率，k为lfm信号的调频率，

在oa和ob的长度远远大于ab的长度的条件下，接收信号sa(t)和sb(t)的具体表达式可写为：

上式中，θa和θb分别为∠aop和∠bop的大小，c为声速，

步骤s200具体还包括以下步骤：

s210将信号sa(t)和sb(t)的包络进行对齐，即将两个信号的前沿移至同一时间点。在auv的时间轴上对信号sa(t)和sb(t)进行包络对齐得：

pa(t)＝sa(t+ta)(7)

pb(t)＝sb(t+tb)(8)

s220：对信号pa(t)和pb(t)进行共轭相乘：

上式中：

s230在实际计算信号sab(t)的相位信息时，由于计算机等仪器中的相关函数默认的信号相位为-π～π，使得最终的相位信息出现相位缠绕的现象，为了后续的数据处理，需要进行相位解缠的操作。

s240当信号为cw或lfm信号时，对解缠后的相位信息进行线性拟合或二次拟合，并提取所得拟合函数的一次项系数β，由式可知β满足下式：

进一步的，在步骤s300中，具体的，建立并求解导航方程，

由式和可知两个信号的时延差为：

ta-tb＝(tra-toa)-(trb-tob)(11)

将ta和tb用wa、wo和wab表示，上式可改写为：

将式中的sinθa和sinθb也用wa、wo和wab表示，可得：

联立式和，可解得a和o两点在w-u坐标系下的坐标。

一种基于时延差和相位差且适用于时钟异步的水下单信标导航方法，在步骤s400中，具体的，坐标系转换，

在单信标导航中，一般以x-y坐标系下的坐标xa＝[xa,ya]来描述auv的位置信息，xa、wa和wo之间的关系如下：

上式中，θv为v与x轴的夹角。

实施算例一：

声信标发射信号为cw信号，信号中心频率f0为5000hz，信号脉宽为0.5s，信号发射周期为10s，声速c为1500m/s，时钟同步误差tce为5ms。声信标位于原点，在声信标时钟为0的时刻，声信标开始发射信号，同时auv从x0＝[-500,-300]m处开始以速度v＝[5,0]m/s航行，auv航行时间为200s，共接收251帧信号。声信标位置误差、时延测量误差、声速测量误差、ins误差和一次项系数误差均服从均值为零的高斯分布，其相应的标准差分别为3m、0.5ms、3m/s、0.2％和0.04rad/s。

为了简便，在后文中以pd(phasedifference)法指代本发明。图3是auv的实际运动轨迹及采用pd法、toa法和tdoa法所得到的解算结果，其中，黑色的实线是auv的实际运动轨迹，菱形代表pd法的解算结果，正三角形代表toa法的解算结果，倒三角形代表tdoa法的解算结果；图4对上述三种方法的导航误差进行了比较，图中各个形状的含义与图3相同，各个形状代表实际的水平误差。从图3和图4可以得出以下结论：

1)在整个航行时间段内，pd法的导航精度高于tdoa法；

2)在50s-150s的这段区间，pd法的导航精度可与toa法相比拟。

实施算例二：

声信标发射信号为lfm信号，信号脉宽为0.5s，信号调频范围为4500hz-5000hz，信号发射周期为10s，声速c为1500m/s，时钟同步误差tce为5ms。声信标位于原点，在声信标时钟为0的时刻，声信标开始发射信号，同时auv以原点为圆心作半径为300m的圆周运动，速度大小为5m/s，整个轨迹构成一个完整的圆。声信标位置误差、时延测量误差、声速测量误差、ins误差和一次项系数误差均服从均值为零的高斯分布，其相应的标准差分别为1.8m、0.3ms、1.5m/s、0.1％和0.02rad/s。

图5是auv的实际运动轨迹及采用pd法、toa法和tdoa法所得到的解算结果，其中，黑色的实线是auv的实际运动轨迹，菱形代表pd法的解算结果，正三角形代表toa法的解算结果，倒三角形代表tdoa法的解算结果；图6是图5的局部放大图；图7对上述三种方法的导航误差进行了比较，图中各个形状的含义与图6相同，各个形状代表实际的水平误差。从图5、图6和图7可以看出，在整个航行时间段内，pd法的导航精度高于tdoa法；且其导航精度可与toa法相比拟。