基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法
阅读说明：本技术 基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法 (Underwater unmanned cluster navigation positioning method based on vector hydrophone technology ) 是由 王燕 洪连进 方尔正 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一些基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法,包括,集群系统中的主节点的发射声源和精确导航系统作为导航信息来源；主节点、被动节点完成时间同步设定；在集群航行过程中主节点按照2秒1次的重复周期发射含有信息的声脉冲信号；集群航行器中的被动节点接收到主节点发射的声信号后进行分析处理,通过声脉冲信号解算出自身与主节点的相对方位和距离；通过声脉冲信号获取当前要保持的编队形式；将获得方位和距离信息合并后取得绝对大地坐标；被动节点计算偏航后,按照编队形式调整自身相对主节点的位置,实现编队保持。本发明中提供了完善的水下声学导航手段和编队能力,功能完善、定位精度高、使用方便等优点。(The invention provides underwater unmanned cluster navigation positioning methods based on a vector hydrophone technology, which comprise that a transmitting sound source of a main node in a cluster system and an accurate navigation system are used as navigation information sources; the master node and the passive node finish time synchronization setting; in the process of cluster navigation, a main node transmits an acoustic pulse signal containing information according to a repetition period of 1 time 2 seconds; the passive nodes in the cluster aircraft receive the acoustic signals transmitted by the main node and then analyze and process the signals, and the relative direction and distance between the passive nodes and the main node are calculated through the acoustic pulse signals; acquiring a formation form to be kept currently through an acoustic pulse signal; combining the obtained azimuth and distance information to obtain absolute geodetic coordinates; and after the passive node calculates the yaw, adjusting the position of the passive node relative to the main node according to a formation form, and realizing formation maintenance. The invention provides a perfect underwater acoustic navigation means and formation capability, and has the advantages of perfect function, high positioning precision, convenient use and the like.)
技术领域
本发明涉及水下无人系统导航与定位领域，具体为一种基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法。
背景技术
矢量水听器的出现被誉为“水声技术的革命”，它相较于传统声压水听器可以获得更全面的声场信息，矢量水听器可以获取水下声场中的矢量信息，包括水质点的位移、振速、加速度及声压梯度等。如今，振速、加速度及声压梯度式矢量水听器的技术已经趋于成熟，在水声的各个领域中都有着广泛的应用。水下无人集群导航与定位的原理和方法是，当水下无人航行器由于海水的“趋肤效应”而无法获取无线电导航定位信号，而且由于能量载荷等原因无法采用大型惯性导航系统时，采用矢量水听器和矢量信号处理方法完成对水下无人集群进行导航的声学方法。水下无人集群的导航定位是水下UUV集群的关键问题，目前采用矢量水听器声学原理的水下集群导航尚无人研究，该研究尚处于起步阶段。
目前传统的水下无人集群导航定位的方法中，具备可实现性的是惯性导航和超短基线导航。惯性导航成本高累计误差大，每个无人节点均使用高成本惯性导航系统代价是无法承受的。超短基线声学导航方法只有主站能获取被定位节点位置信息，但被动节点无法获得自身与主节点相对位置和绝对位置，缺陷明显。小型无人集群系统也可使用主从式导航，即主节点携带高精度导航设备而从节点与之进行通信通过声学系统获取位置信息，但这种方法的关键在于精确获取主从节点的位置关系，然而集群系统无法携带大孔径声纳阵，这种方法的精度无法保证。综上所述，目前急需开展水下无人集群导航定位新方法的研究。
近年来，UUV类水下无人集群逐渐被各个国家重视起来。国内外对于水下无人集群的研究有了一定的开展。惯性导航和超短基线水声导航的缺点不再重复，主从式水下导航的典型文献《基于水声传播延迟的主从式多无人水下航行器协同导航定位研究》(《兵工学报》2009年第12期p1674-1678)与本发明实现原理不同，其存在的最大问题是，采用文中的方法，即便使用后置滤波处理也会在在几分钟之内有高达百米量级的导航定位误差，从该文图4中可以看出，在不到1200秒时间内，其定位误差高达100m，并且随着时间的增长，其定位误差越来越大，这种误差在集群编队导航应用中是无法容忍的。
发明内容
本发明的目的在于为水下无人集群系统提供一种基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法，可以使编队中的被动节点精确获取主节点的位置信息，在主动节点带领下完成绝对位置获取编队队形保持能力。
本发明提供的基于矢量水听器技术的水下无人集群导定位方法是一种仅依靠矢量水听器为核心即可完成的水下集群导航方法，其原理是，设备工作于水下，包括一个主节点和多个被动节点组成，为提高系统可靠性，可设置一个被动节点携带主节点同样功能设备作为备份主节点；主节点发射宽带声波信号，被动节点采用矢量接收水听器获取声信号后，采用矢量信号处理算法，得到大型声纳阵才能获得的高精度的测向和测距结果，通过该结果计算与主节点的相对方位和距离，其后主节点发射声通信信号广播自身位置信息和指令代码，被动节点接收后解算得到自身真方位和下一步运动要素。当被动节点远离主节点作业后，主节点可以发送导向信号，被动节点接收到导向信号后可以回到主节点附近重新编队。本系统具有定位导航精度高，寻回距离远并能够自主获取相对位置以保持编队队形的特点。
具体的技术方案为：
基于矢量水听器技术的水下无人集群导航定位方法，包括以下步骤：
步骤一：集群系统中的主节点的发射声源和精确导航系统作为导航信息来源；
步骤二：主节点、被动节点完成时间同步设定；
步骤三：在集群航行过程中主节点按照2秒1次的重复周期发射含有信息的声脉冲信号，该信号由两部分构成，第一部分是测距脉冲，第二部分是指令编码脉冲；
步骤四：集群航行器中的被动节点接收到主节点发射的声信号后进行分析处理，通过第一部分的测距脉冲解算出自身与主节点的相对方位和距离；
步骤五：通过第二部分的指令编码脉冲获取当前要保持的编队形式；
步骤六：将步骤四进行后获得方位和距离信息合并后取得绝对大地坐标；
步骤七：被动节点计算偏航后，按照编队形式调整自身相对主节点的位置，实现编队保持。
其中步骤四的分析处理，被动节点计算与主节点方位时采用的是矢量方位估计算法。
步骤四中的矢量方位估计方法为：矢量水听器可同时获得主节点所发射声信号的声压P，X轴振速Vx和Y轴振速Vy，其中声压P是标量，Vx和Vy是矢量，通过胡功率谱运算后，可以得到声强矢量，X轴声强Ix＝P×Vx，Y轴声强Iy＝P×Vy，此时主节点与被动节点的相对方位为：θ＝atan(Iy/Ix)。
当被动节点远离主节点执行任务后要返回主节点附近重新进行编队航行时，可以仍然采用上述步骤，被动节点只需远程探测主节点广播的测距脉冲，获得方位后机动至主节点附近。
本发明中的水下无人集群导航定位方法，给现有水下无人集群导航提供了完善的水下声学导航手段和编队能力，与已有的用于水下无人集群的导航定位方法相比，且具有功能完善、定位精度高、使用方便等优点，可以用于水下集群导航定位。填补了国内该领域的空白。
本发明的优点是：
1.本发明中各被动节点可以通过矢量声信息解算获得自身与主节点的相对位置，具备很高的精度，并可以通过主节点信息判断自身在编队行进中的状态。
2.各个被动节点可以通过声信息解算获取与主节点间的距离。
3.各个被动节点可以通过声指令进行位置调整而实现编队队形不变。
4.主节点和备份主节点可以提高系统容错率和使用效能。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的信息处理流程图；
图3为实施例中信噪比与测向偏差之间的仿真图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
本发明的技术原理如图1所示，图1中的主节点发射宽带声波信号，该信号以时间同步信号为起点，包含位置信息和指令信息。被动节点1～n接收声信号后采用矢量信号处理算法计算多个参数，主要包含与主节点的相对方位、相对距离，解码主节点位置信息和指令编码。主节点的声信息从发射换能器输出，全部采用广播方式。被动节点声信息的接收均采用矢量水听器，该水听器指向性与频率无关，可以实现大孔径声纳阵才能获得的高定向精度。无论主节点发送何种声信息均可用于高精度测向。其测向精度的柯拉米罗下界为：
其中：M是样本数，M＝BT(时间带宽积)，是俯仰角，SNR是信噪比。从式中可以看出，当集群内航行器处于同一平面内时，主节点广播信号的高带宽和较高的通信信噪比，都能给矢量水听器测向带来很大好处，因此被动节点的测向精度是很高的，由此可获得小于1％R(R是两个节点间的距离)的定位精度，不失一般性的，当R＝500米时，定位误差为5m以下。这是其它采用主从方式导航的水声系统无法比拟的。
本系统采用的信号分为两种，一种使编队行进和作业时的广播信号，由前缀和简单信息传输。前缀用于同步测距，之后的声信号用于信息传输和指令。当获得了与主节点的相对方位和绝对距离后，通过主节点广播的自身位置即可解算出被动节点的自身绝对位置，从而完成队形保持。第二种信号是主节点广播的导向信号，该信号用于被动节点的引导，被动节点接收到该信号后，依靠其与频率无关指向性和空间增益，得到主节点方位而后返回至主节点附近重新编队。
本发明的方法流程如图2所述，主节点在时间同步信号的引导下发射声脉冲信号，该信号通过水介质传播后，被编队中的被动节点矢量水听器所接收，接收后的信号结果调理数字化后进行三项处理，第一项处理是矢量方位解算，通过矢量信号处理算法被动节点可以获得与主节点的精确相对方位。第二项处理是通过匹配滤波方法在同步信号配合下，被动节点可以获得主节点所发射声脉冲信号的精确到达时间，进而可以通过声速解算得到其与主节点间的距离。第三项处理是解算主节点发出的广播信息，信息中包含主节点的大地坐标和指令编码。通过这三项处理后，被动节点已经完全获得了其自身位置、与主节点的相对位置和编队信息等，通过这些信息可以指导其激动和完成编队保持。
本实施例的仿真结果如图3所示。
试验工况参数为：声源频率f0＝2.5kHz，发射声源级SL＝140dB(re 1μ[email protected])。根据R.J尤力克的《水声原理》中声纳方程进行仿真计算，设作用距离R＝500m，则传播损失TL＝20lgR＝54dB，2.5kHz处的环境噪声谱级为58dB，所以信噪比SNR＝140–54–58＝28dB。通过CR下界进行计算得到图2输入信噪比和方位估计偏差之间的关系。从图中可以看出，在留有充分裕量的情况下，0dB的输入信噪比可以保证1°的方位估计精度。
由此可知，140dB声源级下，500m内的测向精度为1°是可以保证的。因此推位误差Δ＜500*sin(1°)＝8.7m。