基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法技术

本发明专利技术提供了一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法，在声速剖面和节点接收端掠射角已知的情况下，可以获得精确的节点和目标间水平距离，进而提高目标定位精度。本发明专利技术解决了传感器节点和目标时钟异步情况下基于时间的距离测量方法和传统声线修正方法无法使用的技术难题，修正了声线弯曲给距离测量和目标定位带来的影响，明显提高了目标的定位精度，基于掠射角的声线修正方法不仅可以用于水声传感器网络的深海目标定位，还可以用于其他水声定位系统的深海目标定位。以用于其他水声定位系统的深海目标定位。以用于其他水声定位系统的深海目标定位。

【技术实现步骤摘要】
基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法


[0001]本专利技术涉及水声定位
，尤其是一种水声传感器网络深海目标精确定位方法。

技术介绍

[0002]海洋约占地球表面积的71％，人类活动的空间逐渐从陆地向海洋扩展，21世纪也被称为海洋的世纪。海洋蕴藏着丰富的矿产和鱼类资源，同时也是我国连接世界的蓝色桥梁和重要门户，因此开发海洋具有重要的政治意义、民用价值和军事价值。水声传感器网络由于其基础设施简单、节点体积小、设备成本低、部署方便及生存能力强等优势，广泛应用于各种海洋活动，包括海洋环境监测、海底资源探测、灾难预警、辅助导航、国土防御等方面，其基本功能包括目标定位和跟踪。
[0003]海洋中声速分布是不均匀的，会受压力、温度和盐度的影响，由于折射效应，声波在海洋信道传播过程中其声线是弯曲的。水下目标定位主要是依据几何原理来定位的，对于利用时延测距交汇进行定位的传感器网络，用平均声速乘以传播时间来计算声线传播的直线距离，可满足一定的定位精度要求，但如果平均声速选的不准确，会引起很大的定位误差。
[0004]为保证所需的定位精度，必须进行声线修正。目前已有的基于声线弯曲修正的目标定位方法都是针对时钟精确同步网络，常用的方法主要有三种：平均声速法、根据射线声学原理进行计算的迭代法、查表法。在深海中，由于声线类型简单、数量较少且易区分，声线修正方法很适用深海目标的定位。水下环境复杂，如声速不均匀、传播时延长、节点易漂移、通信耗能高等，这些都使水下节点、目标很难做到严格的时钟同步，且维持时钟同步的成本很高。在节点、目标时钟异步情况下，测得声线的传播时间就会不准确，适用于时钟精确同步网络的声线修正方法得到的声线传播距离会存在很大的误差，进而使目标定位的误差增大。因此，有必要研究节点、目标时钟异步和声线弯曲情况下基于水声传感器网络的深海目标精确定位方法。
[0005]随着电子元器件和水声学技术的发展，节点配备了测向功能装置，可以测得声线在节点处的掠射角。当节点处掠射角已知时，根据分层介质的射线声学原理可以求出声线的水平传播距离。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法。针对目前已有的基于声线弯曲修正的目标定位方法都是针对时钟精确同步网络，但实际水下环境的复杂性使水下节点和目标之间很难做到严格的时钟同步，且维持时钟同步的成本很高，本专利技术提出了一种基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法。该方法在声速剖面和节点接收端掠射角已知的情况下，可以获得精确的节点和目标间水平距离，进而提高目标定位精度。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0008](1)传感器节点测得从目标射出的声线在传感器节点处的掠射角α
N
；
[0009](2)确定节点的深度和目标的深度，根据声速变化情况将声速剖面划分N层等声速梯度分布，每层分界处的声速值为c
i
，i＝0，1，2，
…
，N；
[0010](3)根据节点处掠射角α
N
和Snell定律，倒推求出每个分层处的掠射角α
i
，如下式所示：
[0011][0012]α
i
是第i层的掠射角，c
i
是第i层分界处的声速值，
[0013](4)利用公式求出每一层声线传播的水平距离Δx
i
，i＝1，2，
…
，N；Z
i
是指每一层分层处的深度值；
[0014](5)利用公式求出总的声线传播的水平距离x；
[0015](6)目标定位中共有M个节点，重复步骤(1)～步骤(5)，分别求出目标到M个节点的水平距离x
j
，j＝1，2，
…
，M；
[0016](7)在传感器节点位置和水平距离x
j
已知的情况下，联立组成线性方程组，应用最小二乘方法求出目标的二维水平坐标；
[0017](8)结合已知的目标深度，得到目标的三维坐标，得到水平坐标和目标深度。
[0018]所述分层的间隔大小根据声速变化的快慢而设置，可设置为不等间隔分层，具体方法为：
[0019]a.对于声速变化较快的部分，间隔宽度要设置较小，分层较密；
[0020]b.对于声速变化较慢的部分，间隔宽度可设置较大，分层可稀疏。
[0021]本专利技术的有益效果在于本专利技术在水声传感器网络节点和目标时钟异步的情况下，根据深海声线特点和现阶段水声学技术发展水平，采用了一种基于掠射角的声线修正方法，获得了精确的节点和目标间水平距离，进而提高了目标的定位精度。本专利技术提出的一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法，很好地解决了传感器节点和目标时钟异步情况下基于时间的距离测量方法和传统声线修正方法无法使用的技术难题，修正了声线弯曲给距离测量和目标定位带来的影响，声线水平距离的均方误差约为0.32m2，明显提高了目标的定位精度。本专利技术提出的方法中，基于掠射角的声线修正方法不仅可以用于水声传感器网络的深海目标定位，还可以用于其他水声定位系统的深海目标定位。
附图说明
[0022]图1是本专利技术水声传感器网络深海目标定位几何原理示意图；
[0023]图2是本专利技术基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法流程图；
[0024]图3是本专利技术分层介质模型的声速和声线图；
[0025]图4是本专利技术Munk声速剖面图；
[0026]图5是本专利技术传播时间测量值误差对传统声线修正方法效果的影响。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0028]为了更加具体的描述本专利技术，下面结合附图及具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0029]水声传感器网络深海目标定位的几何原理示意图如图1所示，图中有M个传感器节点和1个待定位的目标。目标的真实位置u0＝[x0,y0,z0]T
是未知的，传感器节点j的真实位置s
j
＝[x
j
,y
j
,z
j
]T
,j＝1,2,
…
,M，τ
j
为信号从目标到节点j的传播时间，c为声速，则：
[0030][0031]在上式中，r
j
为目标到节点j的距离测量值，M个节点得到M个r
j
，联立在一起求出目标的位置。为了得到更加精确的目标位置，必须使测量值r
j
更加精确。本专利技术所提的一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法就是为了得到更加精确的r
j
，进而使目标位置估计得更加精确。
[0032]时钟异步情况下基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法：
[0033]传统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法，其特征在于包括下述步骤：(1)传感器节点测得从目标射出的声线在传感器节点处的掠射角α
N
；(2)确定节点的深度和目标的深度，根据声速变化情况将声速剖面划分N层等声速梯度分布，每层分界处的声速值为c
i
，i＝0，1，2，
…
，N；(3)根据节点处掠射角α
N
和Snell定律，倒推求出每个分层处的掠射角α
i
，如下式所示：α
i
是第i层的掠射角，c
i
是第i层分界处的声速值，(4)利用公式求出每一层声线传播的水平距离Δx
i
，i...

【专利技术属性】
技术研发人员：申晓红，康玉柱，王海燕，闫永胜，贾天一，申莹，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：