基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統及其定位算法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于超聲定位技術領域，涉及水下長距離高精度超短基線超聲定位技術， 具體指一種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統及其定位算法。
【背景技術】
[0002] 出于對海洋資源的開發或軍事上的需求，通常需要知道水下目標載體的實時位置 信息，但是由于光波及無線電波在水中傳播時會產生較大的衰減，導致傳統的無線電及光 學定位系統無法正常工作。而聲波在水中的衰減速度很慢，可以進行遠距離的傳播，因此， 基于聲波的水聲定位技術在水下作業和深海開發等工程領域中得到了廣泛的應用。按照聲 波接收基陣基線長度來分類，水聲定位技術可以分為長基線、短基線和超短基線三種。長 基線和短基線水聲定位技術定位精度高、距離遠，但因其基線較長，存在安裝部署困難的問 題。超短基線水聲定位技術因其基線長度一般僅為幾厘米，具有設備體積小、可進行快速部 署的優勢，在水下作業和深海開發等領域得到了廣泛應用。但是，由于超短基線系統的定位 基線短，因此當定位目標距離基陣較遠或超聲信號信噪比較低時，很難得到高精度的定位 結果，并且定位誤差會隨著距離的增加而增大。
【發明內容】
[0003] 針對上述技術問題，本發明提供了一種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系 統及其定位算法，解決了超短基線定位系統遠距離定位精度低的技術問題；利用各基陣元 信號間的內在幾何關系，通過極大似然估計直接求解定位目標的位置，有效避免了信號到 達方向角誤差及測距誤差對定位精度的影響，有效提高了位置解算的精度。
[0004] 本發明通過以下技術方案來實現上述目的：
[0005] -種基于極大似然估計的超短基線水聲定位系統，所述定位系統由產生及發射超 聲波定位信號的水下應答器和接收及處理超聲波定位信號的接收聲基陣兩部分組成；
[0006] 其中，水下應答器由依次連接的以下單元組成：
[0007] 水壓深度計：用于測量應答器位于水平面以下的深度數據；
[0008] 測距信號生成模塊：生成用于定位的擴頻超聲波測距信號波形，同時將水壓深度 計測得的深度數據調制在該信號波形上；
[0009] 換能器功率放大器：對生成的超聲波測距信號進行功率放大，以驅動超聲波壓電 換能器工作；
[0010] 超聲波壓電換能器：產生超聲波測距信號并發射給接收聲基陣；
[0011] 電源模塊：為水下應答器運作提供所需的電源；
[0012] 所述接收聲基陣由依次連接的以下單元組成：
[0013] 換能器陣列：為包含5個換能器陣元的正交陣，用于初步接收水下應答器發射的 超聲波定位信號；
[0014] 低噪聲放大器：用于放大換能器陣列中各陣元輸出的定位信號；
[0015] 帶通濾波器：對經由低噪聲放大器放大的定位信號進行濾波，以減少水中噪聲信 號對定位信號的干擾；
[0016] 模數轉換模塊：對由帶通濾波器輸出的模擬信號進行數字化采樣；
[0017] 匹配濾波器及信號解調模塊：對數字化采樣后的超聲波測距信號進行解調，得到 信號中調制的應答器深度信息；
[0018] 定位解算模塊：用于解算水下定位目標的位置信息；
[0019] 定位結果顯示模塊：為人機交互界面，用于為用戶顯示定位結果信息。
[0020] 作為本發明的優化方案，所述接收聲基陣還包括聲基陣位置及姿態參考模塊，通 過模塊內置的陀螺羅經和RTK系統，為定位解算模塊提供精確的位置和姿態參考信息。
[0021] 作為本發明的優化方案，所述換能器陣列的5個換能器陣元分別用 B4表示，其中，陣元B。位于載體坐標系的原點，陣元B p B2位于載體坐標系的X軸上，陣元 B3、B4位于載體坐標系的y軸上，且B i、B2、BjP B 4到原點B。的距離C小于等于超聲波測距 信號波長的一半，即CS λ/2。
[0022] 作為本發明的優化方案，所述換能器為壓電換能器。
[0023] 所述超短基線水聲定位系統的定位算法，包括以下步驟：
[0024] (1)布設包含5個陣元ΒρΒρΒρΒ，B 4的接收聲基陣，在定位目標點S處安裝水 聲應答器，其以脈沖方式向接收聲基陣發送調制了深度數據的擴頻水聲信號，其中，定位目 標點S的坐標為（X，y，ζ)，ζ值為通過水壓深度計測量的深度數據值；
[0025] (2)采用傳統超短基線定位方法斜距-聲線入射角法，對水下定位目標點S進行初 步定位，得到定位目標位置的初值（x〇，y。）；
[0026] (3)以（X。，y。）作為預估位置，在極大似然估計的搜索空間內對定位目標S的坐標 (x，y)進行搜索，搜索范圍由（x，y)取值的不確定度決定；
[0027] a)、具體地，一個極大似然估計的過程可以等效為：
[0028] ⑴
[0029] 其中，&⑴為陣元B1Q = 0, 1，2, 3, 4)接收到的含有噪聲的水聲信號；T。是各陣 元接收信號的起始時刻；T為信號的積分時間；S1 (t) = f [t，（X，y，ζ)]為陣元&的不含噪 聲的本地復現信號，它是一個以（x，y，z)為自變量的函數；
[0030] b)、定位目標S處水聲應答器發出的水聲信號模型為：
[0031] r(t) = AC (t) D (t) cos (2 π fIFt) (2)
[0032] 其中，A為信號振幅，C(t)為調制在信號上的偽隨機碼，D(t)為調制了深度數據的 定位目標點S的定位信號，f IFS超聲信號載波的中心頻率；
[0033] 當定位目標點S與接收聲基陣間的距離R遠大于聲基陣尺寸D，R/D>20時，公式 (1)中的S 1U)可表示為：
C3)：[0035] 其中，df為超聲信號的多普勒頻移；τ i為超聲信號從S點發出后到達陣元B ^勺
[00341 傳播時間；爭為rjt)信號與r(t)信號的相位差；為信號ri(t)與信號r<](t)的相位 差；
[0036] c)、根據定位目標S的定位原理圖可得如下關系：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041 ]
[0042]
[0043] ~ (4)
[0044] 其中，丨爾表示定位目標S與聲基陣B1 (i = 0, 1，2, 3, 4)的距離；
[0045] α為向量瓦與X軸正方向的夾角，β為向量藏與y軸正方向的夾角，Θ為定 位目標點S在載體坐標系中XOY平面上的投影S '的方向角；
[0046] d)、由公式（3)以及（4)中的對應關系，可得S1U)與定位目標點S坐標（x，y，z) 具有如下關系：
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[0052] 上述得出的Si (t)與定位目標點S坐標（x, y, z)間的關系式，是本發明所述定位算 法中最為關鍵的一步；其中，信號振幅A的大小并不會對MLE的估計結果產生影響，將其設 為1 ;聲速c可以通過聲速儀精確測量；載波相位差於和多普勒頻率df的精確值可以通過 安裝在基陣B。中的鎖相環得到；定位目標S在深度方向的坐標z可通過水壓深度計直接測 量，并通過超聲信號發送給聲基陣；超聲信號載波的中心頻率f IF已知；因此A、c、，、z和 df均為已知量；因此，聲基陣的本地復現信號S1UKi = 0，1，2,3,4)為只含有參數（x，y) 的函數；
[0053] e)、將公式（5)、（6)、（7)、（8)、（9)帶入公式⑴中，可得用于對定位目標S坐標 (x，y)進行極大似然估計的算法模型：
[0054]
[0055] 其中，（太.〇為定位目標點坐標的極大似然估計值;MLE( ·)為極大似然估計運算；
[0056] (4)將搜索的定位目標S的不同坐標（xk，yi)代入公式（10)， ri(t)與&在積分周 期T內進行相關積分運算，并將不同陣元的積分結果求和作為Liu,當L iu取得最大值時，對 應的（xk，yi)既為所求定位目標S的位置。
[0057] 作為本發明的優化方案，所述在極大似然估計的搜索空間中，定位目標S的預估 位置（X。，y。）以及搜索半徑R sm1^可按如下公式計算：
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中，[x(n-l), y (n-1)]為上一次定位