CN111505580B - 基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法 - Google Patents

Abstract

基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，涉及水声目标定位跟踪领域。本发明是为了解决现有缺少通过获得目标运动速度和航向来准确定位目标的方法的问题。本发明利用多个平台获取的目标方位和多普勒频移，被动实现运动目标初始位置、运动速度和航向的估计实现对目标的定位。它用于定位目标。

Description

基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法

技术领域

本发明涉及目标定位方法。属于水声目标定位跟踪领域。

背景技术

目标位置信息是海洋水声目标的重要参数，亦是被动声呐设备关心的重要对象。方位交汇作为一种常用的被动目标定位方法，其定位误差会随着目标活动区域的扩大而迅速增大，其使用区域范围有所限制。

现有的文献中曾出现基于目标方位角的被动定位方法，现总结如下：

文献1：公开号为CN107797091A，主题名称为一种基于子空间的新型纯方位目标定位方法的公开文件中介绍了，利用“信号”与“噪声”子空间正交的思想，在经典纯方位目标定位的基础上，构建了新型纯方位定位迭代方程来提高目标定位精度。其研究是依然属于纯方位定位技术，得到的目标参数仅限于目标位置。

文献2(杨长虹.基于目标方位角测量的目标定位方法研究[D].东南大学硕士论文，2003.)：利用纯方位角度测量值及传感器位置实现对目标初始位置和速度的估计。其研究仅利用了目标方位信息，得到的目标参数则限于目标位置和速度。

然而现有缺少通过获得目标运动速度和航向来准确定位目标的方法。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少通过获得目标运动速度和航向来准确定位目标的方法的问题。现提供基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法。

基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、每个平台将每个时刻采集到的声学信号分别进行低通滤波和快速傅里叶变换，经过低通滤波获得环境噪声连续谱，经过快速傅里叶变换获得信号谱，在每个时刻下将每个平台得到的信号谱和环境噪声连续谱做差，将差值高于6dB的信号谱保留，否则舍弃，从保留的信号谱中选取多个平台在同一时刻下均存在的信号谱，从选取的每个信号谱中得到多个线谱分量；

步骤二、在同一时刻下，将步骤一中任意一个平台的一个线谱分量与其他平台中的任意一个线谱分量均做差，对获得的所有差值中同时小于等于设定的多普勒变化范围的线谱分量进行保留，

步骤三、对步骤二筛选出的同一时刻每个平台的线谱分量，将同一频率范围内的两个线谱分量做差，所述两个线谱分量分别位于两个平台内，得到每个时刻下每两个平台间的多普勒频移；

步骤四、利用步骤三中得到的多普勒频移和步骤二中保留的每个线谱分量对应的方位角，构建方位角-多普勒超定方程组；

步骤五、对步骤四中的方位角-多普勒超定方程组进行最小二乘估计，得到目标初始位置坐标和目标速度；

步骤六、根据目标速度，得到目标径向运动速度和航向角，从而根据得到的目标初始位置坐标、目标径向运动速度和航向角，实现对目标的定位。

本发明的有益效果为：

本发明涉及UUV、滑翔机等水下移动平台利用方位角和多普勒信息进行多平台协同的目标定位方法。本发明利用多个平台获取的目标方位和多普勒频移，被动实现运动目标初始位置、运动速度和航向的估计。

基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法不同于文献1和文献2，本申请在利用目标方位角同时，融合了平台间的多普勒频移，进而利用最小二乘优化思想将目标定位问题转化为超定线性方程组求解问题来提升目标初始位置、运动速度和航向的估计稳健性。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法的流程图；

图2为三个平台协同定位目标位置的结构图；

图3为仿真中平台位置与目标位置的关系图；

图4为目标预测轨迹和目标真实运动轨迹的对比曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、每个平台将每个时刻采集到的声学信号分别进行低通滤波和快速傅里叶变换，经过低通滤波获得环境噪声连续谱，经过快速傅里叶变换获得信号谱，在每个时刻下将每个平台得到的信号谱和环境噪声连续谱做差，将差值高于6dB的信号谱保留，否则舍弃，从保留的信号谱中选取多个平台在同一时刻下均存在的信号谱，从选取的每个信号谱中得到多个线谱分量；

步骤二、在同一时刻下，将步骤一中任意一个平台的一个线谱分量与其他平台中的任意一个线谱分量均做差，对获得的所有差值中同时小于等于设定的多普勒变化范围的线谱分量进行保留，

步骤三、对步骤二筛选出的同一时刻每个平台的线谱分量，将同一频率范围内的两个线谱分量做差，所述两个线谱分量分别位于两个平台内，得到每个时刻下每两个平台间的多普勒频移；

步骤四、利用步骤三中得到的多普勒频移和步骤二中保留的每个线谱分量对应的方位角，构建方位角-多普勒超定方程组；

步骤五、对步骤四中的方位角-多普勒超定方程组进行最小二乘估计，得到目标初始位置坐标和目标速度；

步骤六、根据目标速度，得到目标径向运动速度和航向角，从而根据得到的目标初始位置坐标、目标径向运动速度和航向角，实现对目标的定位。

本实施方式中，设定的多普勒变化范围为δ_f，假设平台的数量为3个，三个平台在第一时刻均得到一个线谱分量，分别为：f_1j1、f_2j1、f_3j1，若|f_1m1-f_2n1|≤δ_f和|f_1m1-f_3n1|≤δ_f同时成立，则认为该线谱存在。

在数据融合中心，计算第一时刻时平台1和平台2间的多普勒频移Δf_12j1、平台1和平台3间的多普勒频移Δf_13j1、平台2和平台3间的多普勒频移Δf_23j1，即：

Δf_12j1＝f_1j1-f_2j1

Δf_13j1＝f_1j1-f_3j1

Δf_23j1＝f_2j1-f_3j1

本实施方式中，步骤二中，将一个平台中的一个线谱分量分别与其他平台中的一个线谱分量做差，判断差值的绝对值是否同时满足小于等于设定的多普勒变化范围，该内容具体实现的例子为：

假设平台包括1号平台、2号平台和3号平台，经过步骤一后1号平台得到两个线谱分量值分别为1和2，

2号平台得到两个线谱分量值分别为3和4，

3号平台得到两个线谱分量值分别为5和6，

要比较1-3的差值绝对值和1-5的差值绝对值是否同时满足小于等于设定的多普勒变化范围，如果同时满足，则留下值为1、3和5的线谱分量，如果不满足，则舍弃1、3和5；按照这种方式在比较2-3的差值绝对值与2-5的差值绝对值是否同时满足小于等于设定的多普勒变化范围，如果满足则留下值为2、3和5的线谱分量，如果不满足，则舍弃2、3和5；通过这种比较方式，最终从三个平台中选出满足范围且数量相同的线谱分量。

本实时方式中，步骤三中的频率范围为预设的频率范围。低通滤波可以采用双向α滤波器实现。

本申请中一共有N个时刻，相邻两个时刻之间的时间间隔为△T，经过步骤一至步骤三得到N个△T时间段的线谱方位及平台间的多普勒频移观测序列。如果有3个平台的话，其中的多普勒频移观测序列指N个时刻的平台1和2间多普勒频移历程△f_12j1、△f_12j2、△f_12j3、……△f_12jN，平台1和3间多普勒频移历程△f_13j1、△f_13j2、△f_13j3、……△f_13jN，平台2和3间多普勒频移历程△f_23j1、△f_23j2、△f_23j3、……△f_23jN。

本申请的每个平台可以采用四元十字阵实现。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，得到信号谱的过程为：

利用快速傅里叶变换将每个平台采集的4路声信号p_i1(t)、p_i2(t)、p_i3(t)和p_i4(t)转换成对应的频域信号P_i1(f)、P_i2(f)、P_i3(f)和P_i4(f)，利用公式1，对频域信号P_i1(f)、P_i2(f)、P_i3(f)和P_i4(f)进行计算，得到信号谱P_i(f)：

P_i(f)＝|P_i1(f)|²+|P_i2(f)|²+|P_i3(f)|²+|P_i4(f)|² 公式1。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中所述方位角-多普勒超定方程组为：

式中，p＝(x₀,y₀,v_x,v_y)，x₀为目标初始位置的横坐标，y₀为目标初始位置的纵坐标，v_x为目标运动速度的x向分量，v_y为目标的运动速度的y向分量，

和

分别表示方位角-多普勒伪线性表达式的测量矩阵和测量向量，

和

具体表达式分别为：

其中，

θ_ajk表示第a个平台在第k时刻接收到的第j个线谱分量相对于大地北的角度，k＝1，2，…，N，x_a和y_a分别表示第a个平台的x轴和y轴的坐标位置，Δf_abjN表示第a平台和第b平台在第N时刻的多普勒频移，a,b表示两个平台的编号，a,b＝1,2,3，且a≠b，j＝1,2,3，j表示线谱编号，△T为相邻两个时刻之间的时间间隔；c为水中的声速；f为信号谱的中心频率。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五中，对步骤四中的方位角-多普勒超定方程组进行最小二乘估计，得到p的估计值

根据公式3，得到x₀，y₀和v_x，v_y。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法作进一步说明，本实施方式中，根据公式4，得到目标径向运动速度v：

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法作进一步说明，本实施方式中，根据公式5，得到目标航向角

通过仿真实验验证用本申请的方法得到目标位置的准确性：

仿真中，每个平台中安装有正四面体，且正四面体的基元间距为35cm；目标辐射线谱信号频率为311Hz；信噪比为20dB；以10kHz采样率连续采集。

如3给出了平台位置与目标位置设定，三个平台的位置分别位于S₁＝[300，200]^T，S₂＝[-200，100]^T，S₃＝[400，-500]^T；未知目标的初始位置为(x₀,y₀)＝[400，500]^T，以5.5m/s的速度向着北偏东120°方向匀速航行，即p＝[400，500，4.7631，-2.75]^T。图4给出了仿真目标运动轨迹与本发明估计得到的目标估计对比，其中，实线表示目标真实的运动轨迹，“◇”表示本发明根据估计结果预测的目标运动轨迹。这里估计得到的目标速度为5.4784m/s，航向角度为120.2052°，与实际的目标速度和运动方向相吻合。因此，本申请能够准确的定位目标。

Claims (5)

1.基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、每个平台将每个时刻采集到的声学信号分别进行低通滤波和快速傅里叶变换，经过低通滤波获得环境噪声连续谱，经过快速傅里叶变换获得信号谱，在每个时刻下将每个平台得到的信号谱和环境噪声连续谱做差，将差值高于6dB的信号谱保留，否则舍弃，从保留的信号谱中选取多个平台在同一时刻下均存在的信号谱，从选取的每个信号谱中得到多个线谱分量；

步骤二、在同一时刻下，将步骤一中任意一个平台的一个线谱分量与其他平台中的任意一个线谱分量均做差，对获得的所有差值中同时小于等于设定的多普勒变化范围的线谱分量进行保留；

步骤三、对步骤二筛选出的同一时刻每个平台的线谱分量，将同一频率范围内的两个线谱分量做差，所述两个线谱分量分别位于两个平台内，得到每个时刻下每两个平台间的多普勒频移；

步骤四、利用步骤三中得到的多普勒频移和步骤二中保留的每个线谱分量对应的方位角，构建方位角-多普勒超定方程组；

步骤五、对步骤四中的方位角-多普勒超定方程组进行最小二乘估计，得到目标初始位置坐标和目标速度；

步骤六、根据目标速度，得到目标径向运动速度和航向角，从而根据得到的目标初始位置坐标、目标径向运动速度和航向角，实现对目标的定位；

步骤四中所述方位角-多普勒超定方程组为：

式中，p＝(x₀,y₀,v_x,v_y)，x₀为目标初始位置的横坐标，y₀为目标初始位置的纵坐标，v_x为目标运动速度的x向分量，v_y为目标的运动速度的y向分量，

和

分别表示方位角-多普勒伪线性表达式的测量矩阵和测量向量，

和

具体表达式分别为：

其中，

θ_ajk表示第a个平台在第k时刻接收到的第j个线谱分量相对于大地北的角度，k＝1，2，…，N，x_a和y_a分别表示第a个平台的x轴和y轴的坐标位置，Δf_abjN表示第a平台和第b平台在第N时刻的多普勒频移，a,b表示两个平台的编号，a,b＝1,2,3，且a≠b，j＝1,2,3，j表示线谱编号，△T为相邻两个时刻之间的时间间隔；c为水中的声速；f为信号谱的中心频率。

2.根据权利要求1所述基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，其特征在于，步骤一中，得到信号谱的过程为：

利用快速傅里叶变换将每个平台采集的4路声信号p_i1(t)、p_i2(t)、p_i3(t)和p_i4(t)转换成对应的频域信号P_i1(f)、P_i2(f)、P_i3(f)和P_i4(f)，利用公式1，对频域信号P_i1(f)、P_i2(f)、P_i3(f)和P_i4(f)进行计算，得到信号谱P_i(f)：

P_i(f)＝|P_i1(f)|²+|P_i2(f)|²+|P_i3(f)|²+|P_i4(f)|² 公式1。

3.根据权利要求1所述基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，其特征在于，步骤五中，对步骤四中的方位角-多普勒超定方程组进行最小二乘估计，得到p的估计值

根据公式3，得到x₀，y₀和v_x，v_y。

4.根据权利要求3所述基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，其特征在于，根据公式4，得到目标径向运动速度v：

5.根据权利要求4所述基于方位角和多普勒信息的多平台协同目标定位方法，其特征在于，根据公式5，得到目标航向角

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