阅读说明：本技术 基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法和系统 (Autonomous formation planning underwater acoustic positioning method and system based on cylindrical array ) 是由 何桂萍 樊勇 陈洲 王正伟 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法和系统,涉及水声定位领域,解决了传统固定阵元阵形进行定位,空间不同分布区域定位精度差异较大,导致部分区域定位效果不理想或不能进行定位的问题。本发明根据当前圆柱阵形各阵元的相对位置,选定其中某几个阵元,构建一个定位阵形并进行定位解算,在局部区域内取得最优定位结果,实现了小平台下基于TDOA和最优定位阵形选择的全方位高精度水声被动目标定位技术。具有模型简洁易用、结果准确可靠等特点,可实用、高效、高精度地对水下各个方向目标进行实时可靠定位。(The invention discloses an autonomous array planning underwater acoustic positioning method and system based on a cylindrical array, relates to the field of underwater acoustic positioning, and solves the problems that the positioning effect of partial areas is not ideal or the positioning cannot be carried out due to the fact that the positioning accuracy difference of different spatial distribution areas is large when the traditional fixed array element array is used for positioning. According to the invention, according to the relative position of each array element of the current cylindrical array, a certain number of array elements are selected, a positioning array is constructed and positioning calculation is carried out, an optimal positioning result is obtained in a local area, and the omnibearing high-precision underwater sound passive target positioning technology based on TDOA and optimal positioning array selection under a small platform is realized. The method has the characteristics of simple and easy model, accurate and reliable result and the like, and can be used for reliably positioning underwater targets in all directions in real time in a practical, efficient and high-precision manner.)

基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法和系统

技术领域

本发明涉及水声定位技术，具体涉及基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法和系统。

背景技术

水声定位主要针对于舰船、潜艇、水下设备以及水下生物的定位，其定位原理主要是利 用现有的定位估计方法在水下环境下进行定位，利用待定位的目标和水声阵元阵列之间的时 间差或者角度差建立起定位方程，再根据阵元阵列的几何位置坐标对定位方程进行求解，最 终得到目标位置的相对坐标完成水声定位。

常见的定位方法包括时延差定位和相位差定位，两者都是利用待定位的目标和水声阵元 阵列之间的时间差和角度差建立起定位方程，再根据阵元阵列的几何位置坐标对定位方程进 行求解，最终得到目标位置的相对坐标完成水声定位。

被动定位的要求决定了系统中水声传感器的布阵方式非常重要。合理的阵形规划选择不 仅可以提高定位算法的精度，而且可以增大定位系统的覆盖领域，并且能够对时延估计算法 造成的误差进行一定的补偿。在水下环境中，布阵方式根据其几何形状的不同可分为线阵、 面阵和立体阵。线阵的覆盖区域只能为一维空间且定位空间模糊，所以在实际应用中较少使 用；面阵的覆盖区域为二维空间，可以对面阵阵列平面的上下两个半空间内的目标进行二维 定位；而立体阵的覆盖领域为整个三维空间，能够对三维空间阵列覆盖范围之内的目标进行 定位，定位方法是在圆柱各表面固定选择部分阵元组成一定阵形，对一定角度范围内目标进 行一次定位。

由于被动定位系统定位精度与水听器阵元间距、布阵形式、目标空间区域分布等参数有 关。传统方法采用固定阵元阵形进行定位，导致空间不同分布区域定位精度差异较大，有的 区域会出现无法定位的情况，导致定位效果不理想或不能进行定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：由于被动定位系统定位精度与水听器阵元间距、布阵形 式、目标空间区域分布等参数有关。传统方法采用固定阵元阵形进行定位，导致空间不同分 布区域定位精度差异较大，有的区域会出现无法定位的情况，导致定位效果不理想或不能进 行定位。

本发明提供了解决上述问题的基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法和系统，通过一 定的算法对圆柱阵内阵元进行阵形自主规划，以达到对一定范围内全方位目标的高精度定位 的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

S1：利用待定位的目标和水声阵元阵列之间的时间差建立定位方程，采用全水域目标搜 索初步位置估计，所述全水域目标搜索初步位置估计选用的Y形阵形，探测同一待定位目标 辐射源信号，并将辐射源信号的阵元采用集合表示；

进一步地，S1还包括选取定位主阵元、基于模板匹配法和最小二乘法的定位副阵元选取、 基于最小方位角差的去模糊副阵元选取、TDOA时差定位，具体步骤：

S11：得到辐射源信号的阵元集合表示为：

辐射源信号i＝S_i＝{A_j}，i∈[1,M]，j∈[1,Num]

其中，M表示探测到信号数，A_j表示探测阵元编号，Num≤探测阵元总数，S是一些探测 阵元组成的集合，其中S中每个元素都探测到所有信号，则集合可表示为：

S＝S₁∩S₂∩...∩S_M，所述元素为探测阵元；

主阵元选取：

选取距离各探测阵元的几何中心(x_c,y_c,z_c)最近的阵元为主阵元，算法公式如下：

S12：基于模板匹配法和最小二乘法的副阵元选取副阵元：

S121：计算各探测阵元到定位主阵元(x₀,y₀,z₀)的距离r_i(i＝1,2,...,Num-1)：

其中，r_i大于等于要求基线长度的探测阵元点集，记为集合S(x_i,y_i,z_i)，i∈[0,Num1] (Num1≤探测阵元总数)；

S122：坐标转换：

以定位主阵元x₀,y₀,z₀为坐标原点，以正东方向为X轴，正北方向为Y轴，Z轴垂直于XY平面向上为正，建立空间直角坐标系；

将集合S转换到空间直角坐标系，并将集合S投影到XY平面，记为S_xy(x_i,y_i)，并将S_xy(x_i,y_i)转换为极坐标S_rθ(r_i,θ_i)；

S123：基于模板匹配法和最小二乘法的定位副阵元选取：

选取OA、OB、及OC的方位角分别为0°、120°、240°，OA、OB及OC组成Y形 阵模板；

将Y形阵沿逆时针方向旋转120°，步进量1°，分别计算Y形阵不同旋转角时集合S_rθ(r_i,θ_i) 与OA、OB、及OC方位角差的平方和，即：

式中，j表示Y形阵旋转角，θ_OA(j)、θ_OB(j)、θ_OC(j)分别表示Y形阵不同旋转角时OA、OB及OC的方位角；

选取min(Δ_azimuth(j))对应的3个副阵元为定位副阵元；

S124：基于最小方位角差的去模糊副阵元选取：

选定3个定位副阵元分别位于A₁、B₁、C₁点，分别计算角度A₁OB₁、B₁OC₁、A₁OC₁中 心线的方位角，分别记为及

在集合S_rθ(r_i,θ_i)中删除A₁、B₁、C₁点，记为S_AM(r_i,θ_i)，分别计算集合S_AM(r_i,θ_i)与 及差的平方，即：

选取min(Δ_θAB1(i),Δ_θBC1(i),Δ_θAC1(i))对应的阵元为去模糊副阵元选取；

S125：计算各副阵元与定位主阵元间的TDOA，应用TDOA定位实现全水域目标搜索初 步位置估计(x_Yi,y_Yi,z_Yi)。

S2：采用目标精确位置估计，利用S1中Y形阵形定位结果，选取T形定位副阵元，应用时差定位的方法，基于模板匹配法和最小方位角差的定位副阵元选取、基于最小方位角差 的去模糊副阵元选取操作，同时利用TDOA时差定位方法得到目标的精确位置估计。

进一步地，所述S2还包括具体步骤如下：

S21：构建标准T形阵形模板

将目标i投影到XY平面，假设投影点为M，计算M的方位角。以主阵元O和M的连 线OM为基准，构建标准T形阵模板A₁OB₁C₁，分别计算OA₁、OB₁、OC₁的方位角；

S22：基于最小方位角差的定位副阵元选取

分别计算集合S_rθ(r_i,θ_i)与OA₁、OB₁、OC₁方位角差的平方，选取最小方位角差的3个接 收阵元为T形定位副阵元，即：

S23：基于最小方位角差的去模糊副阵元选取

以OM的方位角θ_M为基准，计算集合S_rθ(r_i,θ_i)与θ_M之差：

选取最小方位角差的接收阵元为去模糊副阵元；

S24：计算各副阵元与定位主阵元间的TDOA，应用TDOA定位实现水下目标精确位置估计(x_Ti,y_Ti,z_Ti)。

基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位系统，所述系统执行上述方法的任一方法步骤。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明可广泛应用于对水下各个方向目标的实时位置监测和跟踪，本发明为无源被动定 位，终端无需发射探测信号即可定位出目标位置，定位终端凭借接收目标发出的声信号、电 磁波信号等，隐蔽地确定源目标的位置，具有隐蔽性好的优点，可广泛应用于军事及民用领 域，为作战及民用应用提供更为丰富、准确的目标属性信息。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的圆柱立体阵拓扑结构。

图2为本发明的阵元布局方案。

图3为本发明的Y形阵元阵形GDOP误差分布示意图。

图4为本发明的T形阵元阵形GDOP误差分布示意图。

图5为本发明的菱形阵元阵形GDOP误差分布示意图。

图6为本发明的平行四边形阵元阵形GDOP误差分布示意图。

图7为本发明的不同方位目标定位相对误差曲线。

图8为本发明的全水域目标搜索初步位置估计流程图。

图9为本发明的坐标转换图。

图10为本发明的基于最小方位角差的去模糊副阵元选取图。

图11为本发明的水下目标精确位置估计流程图。

图12为本发明的基于模板匹配法和基于最小方位角差的副阵元选取图。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的 说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施 或被执行。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改进前提下所获 得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

首先，发明研究基于圆柱阵定位阵形自主规划的全方位高精度水声定位技术。根据当前 圆柱阵形各阵元的相对位置，以一定机制选定其中某几个阵元，构建一个定位阵形并进行定 位解算，在局部区域内取得最优定位结果，解决了传统固定阵元阵形进行定位，空间不同分 布区域定位精度差异较大，导致部分区域定位效果不理想或不能进行定位的问题，实现了小 平台下基于TDOA和最优定位阵形选择的全方位高精度水声被动目标定位技术。具有模型简 洁易用、结果准确可靠等特点，可实用、高效、高精度地对水下各个方向目标进行实时可靠 定位。

其中，圆柱阵结构：

圆柱立体阵基阵形式如图1所示，属于可折叠扩展阵。该立体阵由12个扩展臂组成，12 个扩展臂均匀分布在圆周上，立体阵可分解为垂直线阵和水平圆阵，12个垂直线阵即覆盖360 度垂直水域信号探测接收；水平圆阵负责360度水平水域信号探测接收。

基于定位阵形自主规划的全方位高精度水声定位方法

本发明采用TDOA时差定位，由TDOA的定位原理，定位精度与阵元和目标辐射源的几 何分布有关，主要表现为：

阵元之间的相互距离越长，定位精度越高；

目标辐射源与阵元距离越远，定位精度越低；

阵元之间的相对位置即阵形不一样，具有不同形状的等精度线形状，某一种布阵类型下， 同一距离环上不同方位的目标具有不同的定位精度。

根据当前圆柱立体阵各阵元的相对位置，以模板匹配法选定其中某几个阵元，构建一个 定位阵形并进行定位解算，在局部区域内取得最优定位结果，实现水下小平台下基于TDOA 和最优定位阵形选择的全方位高精度被动目标定位技术。

按照四个阵元的空间分布，大致可分为Y形、T形、菱形和平行四边形等阵元布局方案， 如图2所示。

由不同阵形阵元布局方案的定位精度仿真示意图(图3-图6)可以看出：不同阵形的定 位精度不一样，Y形阵定位精度各方向大致分布均匀，适合于全方位目标搜索位置估计；当 目标位于y轴附近时，适合菱形或T形目标辐射源搜索定位；平行四边形阵形，在x轴和y 轴的45°方向目标辐射源定位精度最高。

Y形和T形阵形结构简单，阵形规划复杂度低，T形阵Y轴正方向定位精度最高，本发明采用Y型和T形实现水下目标的全方位高精度定位。对于Y形和T形阵形，不同方位目 标定位相对误差图如图7所示，从图中可以看出目标辐射源在方位角大致位于∈[60°,120°]时，T形定位精度高于Y形定位精度，方位角为90°时，T形阵定位精度最高。

优选的，本发明采用全水域目标搜索初步位置估计和目标精确位置估计两次阵形规划实 现对目标的快速精确定位。当目标方位不确定时，采用各方向误差分布均匀的Y形阵进行全 水域目标搜索初步位置估计；利用Y形定位结果初步估计目标距离和方位，通过自主阵形规 划，选取T形阵形y轴正方向对目标进行精确位置估计，得到目标辐射源的精确位置信息。 定位过程中尽量选取阵元间距大的阵元节点。

基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位方法如下：

S1：全水域目标搜索初步位置估计是选用Y形阵形估计目标辐射源位置。将探测到同一 目标辐射源信号的阵元集合表示，即

辐射源信号i＝S_i＝{A_j}，i∈[1,M]，j∈[1,Num]

式中M表示探测到信号数，A_j表示探测阵元编号，Num≤探测阵元总数。

定义集合S，S是一些探测阵元组成的集合，其中S中每个元素(探测阵元)都探测到所 有信号，则集合可表示为：

S＝S₁∩S₂∩...∩S_M

全水域目标搜索初步位置估计主要包括选取定位主阵元、基于模板匹配法和最小二乘法 的定位副阵元选取、基于最小方位角差的去模糊副阵元选取、TDOA时差定位，流程图如图 8所示。

具体内容如下：

(1)主阵元选取

选取距离各探测阵元的几何中心(x_c,y_c,z_c)最近的阵元为主阵元，算法公式如下：

(2)基于模板匹配法和最小二乘法的副阵元选取

副阵元的选取步骤如下：

1)计算各探测阵元到定位主阵元(x₀,y₀,z₀)的距离r_i(i＝¹,2,...,Num-1)：

选取r_i大于等于要求基线长度的探测阵元点集，记为集合S(x_i,y_i,z_i)，i∈[0,Num1] (Num1≤探测阵元总数)。

2)坐标转换

以定位主阵元x₀,y₀,z₀为坐标原点，以正东方向为X轴，正北方向为Y轴，Z轴垂直于XY平面向上为正，建立空间直角坐标系。将集合S转换到空间直角坐标系，并将集合S投 影到XY平面，记为S_xy(x_i,y_i)，并将S_xy(x_i,y_i)转换为极坐标S_rθ(r_i,θ_i)。如图9所示。

3)基于模板匹配法和最小二乘法的定位副阵元选取

在图9中，选取OA、OB、及OC的方位角分别为0°、120°、240°，OA、OB及OC组 成Y形阵模板。

将Y形阵沿逆时针方向旋转120°，步进量1°，分别计算Y形阵不同旋转角时集合S_rθ(r_i,θ_i) 与OA、OB、及OC方位角差的平方和，即：

式中，j表示Y形阵旋转角，θ_OA(j)、θ_OB(j)、θ_OC(j)分别表示Y形阵不同旋转角时OA、OB及OC的方位角。

选取min(Δ_azimuth(j))对应的3个副阵元为定位副阵元。

4)基于最小方位角差的去模糊副阵元选取。

设3个定位副阵元分别位于A₁、B₁、C₁点，如图10所示。分别计算角度A₁OB₁、B₁OC₁、A₁OC₁中心线的方位角，分别记为及

在集合S_rθ(r_i,θ_i)中删除A₁、B₁、C₁点，记为S_AM(r_i,θ_i)，分别计算集合S_AM(r_i,θ_i)与 及差的平方，即：

i∈[1,阵元总数-4]

选取min(Δ_θAB1(i),Δ_θBC1(i),Δ_θAC1(i))对应的阵元为去模糊副阵元选取。

5)TDOA定位

计算各副阵元与定位主阵元间的TDOA，应用TDOA定位实现全水域目标搜索初步位置 估计(x_Yi,y_Yi,z_Yi)。

S2：目标精确位置估计

水下目标精确位置估计是利用Y形定位结果，通过自适应选取T形定位副阵元，应用时 差定位实现目标高精度定位。主要包括基于模板匹配法和最小方位角差的定位副阵元选取、 基于最小方位角差的去模糊副阵元选取、TDOA时差定位，如图11所示。

具体内容如下：

(1)基于模板匹配法和基于最小方位角差的副阵元选取

1)构建标准T形阵形模板

将目标i投影到XY平面，假设投影点为M，计算M的方位角。以主阵元O和M的连 线OM为基准，构建标准T形阵模板A₁OB₁C₁，如图12所示。分别计算OA₁、OB₁、OC₁的 方位角。

2)基于最小方位角差的定位副阵元选取

分别计算集合S_rθ(r_i,θ_i)与OA₁、OB₁、OC₁方位角差的平方，选取最小方位角差的3个接 收阵元为T形定位副阵元，即：

3)基于最小方位角差的去模糊副阵元选取

以OM的方位角θ_M为基准，计算集合S_rθ(r_i,θ_i)与θ_M之差：

选取最小方位角差的接收阵元为去模糊副阵元。

4)TDOA定位

计算各副阵元与定位主阵元间的TDOA，应用TDOA定位实现水下目标精确位置估计(x_Ti,y_Ti,z_Ti)

优选的，本发明还包括基于圆柱阵的自主阵形规划水声定位系统，所述系统执行上述方 法的任一方法步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。