[发明专利]一种基于等效声速的水下声学定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下声学定位领域，尤其是涉及一种基于等效声速的水下声学定位方法。

背景技术

精确的水下定位对于水下传感器网络的诸多应用非常重要，如水下精确导航、海洋资源开采、追踪海洋生物以及监视环境安全等等。为了从水下传感器网络中的水下传感器节点和水下自主航行器(AUV)得到更加有意义的数据，需要有更加准确的水下定位系统方案。

然而，水下环境的定位不同于陆地的定位，现有的水下航行器的定位方法大致可以分为三类：基于水下传感器网络的声学定位、基于地形信息的匹配定位以及最新的即时定位和构图的方法。其中最为常用的是水下声学定位方法。水下声学定位方法通过水下传感器网络实现，水下传感器网络使用声波通信，传播介质是水，这与无线电波在空中传播有显著的不同，它具有高时延，时延不断动态变化的特点。水声信号传播面临着衰减大、通信信道带宽低、多径效应严重、误码率高等问题。

目前，为水下传感器网络设计的声学定位方法大多数是基于距离的，基于距离的方法可以得到更加精确的结果。基于距离的定位方法通过测量水下传感器网络中节点的时间或者角度，转化为相应节点之间的距离值，通过多边形运算，推算出未知节点的位置。大部分水下基于距离的定位方法采用的是基于时间的测量方法，也就是通过测量信号到达时间(ToA)或者成对的信号到达时间差，再把时间乘以水下声音传播的速度，得到相应的距离信息。

然而，现有的定位系统有它们自身的缺陷，不能够为在重要的水下任务中追踪水下航行器提供足够精确的定位。首先，通过单次的信号到达时间差得出的定位存在很大的误差，这种误差主要是由于环境的噪声造成的。其次，在现有的基于距离的定位系统中，定位方法都假定水下声音传播的速度是恒定的，为1500m/s，同时，这些方法还假定在水下三维环境中，声音是沿着直线传播的。但是，这些假设都有一定的局限性，在对定位精度要求比较高的水下任务中是不能够成立的。

水下环境中，声音传播速度随着水下温度，压力以及盐度不断变化，产生声音传播的弯折现象。因此，即使有非常精准的水下同步方法，保证水下传感器节点在水下能够同步，并且传感器的测量误差非常小，声音传播模型的错误估计还是会给定位带来很大的误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步三维定位、实时速度计算、定位低误差、高精度的基于等效声速的水下声学定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于等效声速的水下声学定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化，设定水下目标源的初始位置p_m(x_m，y_m，z_m)，在水下随意放置n个传感器接收器即接收节点，记录其位置分别为p₁(x₁，y₁，z₁)，p₂(x₂，y₂，z₂)，…，p_n(x_n，y_n，z_n)；

步骤2：到达时间差TDoA的测量；

步骤3：计算有效声音速度；

步骤4：利用卡尔曼滤波器对目标源进行定位，减小背景噪声的影响，提高水下定位的精度。

所述的到达时间差的计算采用广义交叉相关方法(GCC)，已知目标源发出声波s(t)，定义第i个接收点接收到的声波信号为：r_i(t)＝h_i(t)*s(t)+n_i(t)，第j个接收点接收到的声波信号为：r_j(t)＝h_j(t)*s(t-τ)+n_j(t)，其中，n_i(t)和n_j(t)分别表示第i个接收点和第j个接收点接收到得声波的加性噪声，假设n_i(t)和n_j(t)是不相关的，τ表示两个接收节点收到信号的时间延迟，r_i(t)和r_j(t)的互相关函数为：