基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法
阅读说明：本技术 基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法 (Deep sea target positioning method of underwater acoustic sensor network based on grazing angle sound ray correction ) 是由 申晓红 康玉柱 王海燕 闫永胜 贾天一 申莹 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法,在声速剖面和节点接收端掠射角已知的情况下,可以获得精确的节点和目标间水平距离,进而提高目标定位精度。本发明解决了传感器节点和目标时钟异步情况下基于时间的距离测量方法和传统声线修正方法无法使用的技术难题,修正了声线弯曲给距离测量和目标定位带来的影响,明显提高了目标的定位精度,基于掠射角的声线修正方法不仅可以用于水声传感器网络的深海目标定位,还可以用于其他水声定位系统的深海目标定位。(The invention provides a glancing angle sound ray correction-based deep sea target positioning method for an underwater acoustic sensor network, which can obtain accurate horizontal distance between a node and a target under the condition that a sound velocity profile and a glancing angle of a node receiving end are known, thereby improving the target positioning accuracy. The method solves the technical problem that a distance measurement method based on time and a traditional sound ray correction method cannot be used under the condition that a sensor node and a target clock are asynchronous, the influence of sound ray bending on distance measurement and target positioning is corrected, the positioning accuracy of a target is obviously improved, and the sound ray correction method based on the grazing angle not only can be used for deep sea target positioning of an underwater sound sensor network, but also can be used for deep sea target positioning of other underwater sound positioning systems.)
技术领域
本发明涉及水声定位技术领域，尤其是一种水声传感器网络深海目标精确定位方法。
背景技术
海洋约占地球表面积的71％，人类活动的空间逐渐从陆地向海洋扩展，21世纪也被称为海洋的世纪。海洋蕴藏着丰富的矿产和鱼类资源，同时也是我国连接世界的蓝色桥梁和重要门户，因此开发海洋具有重要的政治意义、民用价值和军事价值。水声传感器网络由于其基础设施简单、节点体积小、设备成本低、部署方便及生存能力强等优势，广泛应用于各种海洋活动，包括海洋环境监测、海底资源探测、灾难预警、辅助导航、国土防御等方面，其基本功能包括目标定位和跟踪。
海洋中声速分布是不均匀的，会受压力、温度和盐度的影响，由于折射效应，声波在海洋信道传播过程中其声线是弯曲的。水下目标定位主要是依据几何原理来定位的，对于利用时延测距交汇进行定位的传感器网络，用平均声速乘以传播时间来计算声线传播的直线距离，可满足一定的定位精度要求，但如果平均声速选的不准确，会引起很大的定位误差。
为保证所需的定位精度，必须进行声线修正。目前已有的基于声线弯曲修正的目标定位方法都是针对时钟精确同步网络，常用的方法主要有三种：平均声速法、根据射线声学原理进行计算的迭代法、查表法。在深海中，由于声线类型简单、数量较少且易区分，声线修正方法很适用深海目标的定位。水下环境复杂，如声速不均匀、传播时延长、节点易漂移、通信耗能高等，这些都使水下节点、目标很难做到严格的时钟同步，且维持时钟同步的成本很高。在节点、目标时钟异步情况下，测得声线的传播时间就会不准确，适用于时钟精确同步网络的声线修正方法得到的声线传播距离会存在很大的误差，进而使目标定位的误差增大。因此，有必要研究节点、目标时钟异步和声线弯曲情况下基于水声传感器网络的深海目标精确定位方法。
随着电子元器件和水声学技术的发展，节点配备了测向功能装置，可以测得声线在节点处的掠射角。当节点处掠射角已知时，根据分层介质的射线声学原理可以求出声线的水平传播距离。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标定位方法。针对目前已有的基于声线弯曲修正的目标定位方法都是针对时钟精确同步网络，但实际水下环境的复杂性使水下节点和目标之间很难做到严格的时钟同步，且维持时钟同步的成本很高，本发明提出了一种基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法。该方法在声速剖面和节点接收端掠射角已知的情况下，可以获得精确的节点和目标间水平距离，进而提高目标定位精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)传感器节点测得从目标射出的声线在传感器节点处的掠射角αN；
(2)确定节点的深度和目标的深度，根据声速变化情况将声速剖面划分N层等声速梯度分布，每层分界处的声速值为ci，i＝0，1，2，…，N；
(3)根据节点处掠射角αN和Snell定律，倒推求出每个分层处的掠射角αi，如下式所示：
αi是第i层的掠射角，ci是第i层分界处的声速值，
(4)利用公式求出每一层声线传播的水平距离Δxi，i＝1，2，…，N；Zi是指每一层分层处的深度值；
(5)利用公式求出总的声线传播的水平距离x；
(6)目标定位中共有M个节点，重复步骤(1)～步骤(5)，分别求出目标到M个节点的水平距离xj，j＝1，2，…，M；
(7)在传感器节点位置和水平距离xj已知的情况下，联立组成线性方程组，应用最小二乘方法求出目标的二维水平坐标；
(8)结合已知的目标深度，得到目标的三维坐标，得到水平坐标和目标深度。
所述分层的间隔大小根据声速变化的快慢而设置，可设置为不等间隔分层，具体方法为：
a.对于声速变化较快的部分，间隔宽度要设置较小，分层较密；
b.对于声速变化较慢的部分，间隔宽度可设置较大，分层可稀疏。
本发明的有益效果在于本发明在水声传感器网络节点和目标时钟异步的情况下，根据深海声线特点和现阶段水声学技术发展水平，采用了一种基于掠射角的声线修正方法，获得了精确的节点和目标间水平距离，进而提高了目标的定位精度。本发明提出的一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法，很好地解决了传感器节点和目标时钟异步情况下基于时间的距离测量方法和传统声线修正方法无法使用的技术难题，修正了声线弯曲给距离测量和目标定位带来的影响，声线水平距离的均方误差约为0.32m2，明显提高了目标的定位精度。本发明提出的方法中，基于掠射角的声线修正方法不仅可以用于水声传感器网络的深海目标定位，还可以用于其他水声定位系统的深海目标定位。
附图说明
图1是本发明水声传感器网络深海目标定位几何原理示意图；
图2是本发明基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法流程图；
图3是本发明分层介质模型的声速和声线图；
图4是本发明Munk声速剖面图；
图5是本发明传播时间测量值误差对传统声线修正方法效果的影响。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了更加具体的描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
水声传感器网络深海目标定位的几何原理示意图如图1所示，图中有M个传感器节点和1个待定位的目标。目标的真实位置u0＝[x0,y0,z0]T是未知的，传感器节点j的真实位置sj＝[xj,yj,zj]T,j＝1,2,…,M，τj为信号从目标到节点j的传播时间，c为声速，则：
在上式中，rj为目标到节点j的距离测量值，M个节点得到M个rj，联立在一起求出目标的位置。为了得到更加精确的目标位置，必须使测量值rj更加精确。本发明所提的一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法就是为了得到更加精确的rj，进而使目标位置估计得更加精确。
时钟异步情况下基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法：
传统的声线修正方法要求传感器节点和目标之间时钟同步，当节点和目标的时钟异步时，传统方法就不再适用。在节点、目标时钟异步情况下，本发明提出了一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法，定位方法如图2所示，详细定位过程如下：
(1)M个传感器节点布放在海面以下预设深度的海水中，通过自组织方式组成水声传感器网络，获得每个节点的位置sj(j＝1,2,…,M)，目标在水深较深处静止或运动，已知目标深度为z；
(2)在某一时刻，目标发射声信号，M个节点分别测得从目标射出声线在节点处的掠射角
(3)对于每个节点，利用本发明提出的基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法分别求出声线经过的水平距离x1,x2,…,xM。以某一节点为例，节点测得的接收掠射角为αN，声线修正步骤如下：
步骤1：确定节点、目标的深度，根据声速变化情况将声速剖面近似成N层等声速梯度分布，每层分界处的声速值为ci(i＝0,1,2,…,N)；
如图3所示，分层的间隔大小可以根据声速变化的快慢而设置，可不等间隔分层，具体方法为：
a.对于声速变化较快的部分，间隔宽度要设置较小，分层较密；
b.对于声速变化较慢的部分，间隔宽度可设置较大，分层可稀疏；
步骤2：根据节点处掠射角αN和Snell定律，倒推求出每个分层处的掠射角，如下式所示：
步骤3：应用式求出每一层声线传播的水平距离Δxi(i＝1,2,…,N)；
步骤4：应用式求出总的声线传播的水平距离x；
(4)在传感器节点位置sj(j＝1,2,…,M)和水平距离xj(j＝1,2,…,M)已知的情况下，联立组成线性方程组，应用最小二乘方法求出目标的二维水平坐标(x,y)；
(5)结合已知的目标深度z，得到目标的三维坐标(x,y,z)。
下面通过三个实例验证本发明的效果。
本发明提出了一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法，需要节点获得目标射出声线在接收端的掠射角αN，为了验证本发明所提方法的有效性，利用BELLHOP模型仿真得到接收端的掠射角αN。本发明主要针对深海目标定位进行声线修正，因此选用MunkB_ray.env环境文件作为输入文件进行建模仿真，Munk声速剖面如图4所示，水深是5000m。
实施例1：声线传播时间测量值误差对传统声线修正方法性能影响的仿真。
基于传统声线修正的目标定位方法要求节点和目标之间时钟同步，当节点和目标之间的时钟异步时，声线传播时间的测量值就会存在误差。当声线传播时间的测量值存在误差时，对传统声线修正方法的效果进行仿真。
节点位置坐标为(50m,100m,35m)，目标位置坐标为(1000m,800m,1000m)。在MunkB_ray.env中设置所需修改的参数，然后运行bellhop命令生成MunkB_ray.arr文件，得到声线的传播时间。当传播时间测量值无误差和误差方差为0.0005s2、0.001s2、0.002s2、0.003s2、0.004s2、0.005s2时，蒙特卡洛仿真实验的次数为5000，传统声线修正方法的效果如图5所示。
在图5中，当传播时间测量值无误差时，声线经过的水平距离估计的RMSE为0.2736m，原因在于BELLHOP仿真的声线传播时间是近似精确的，然后又以这个传播时间进行声线修正，况且声速剖面也近似成N层等声速梯度分布，所以声线修正得到的水平距离和真实水平距离之间有误差，但误差很小，可以忽略，也验证了传播时间无误差时传统声线修正方法的可行性。
当传播时间测量值误差方差为0.0005s2时，声线经过的水平距离估计的RMSE为43.0609m，随着误差方差的逐渐增大，对应的RMSE也逐渐增大。可以看出，当传播时间测量值误差存在时，采用传统的声线修正方法会产生很大的距离误差，进而使目标定位误差增大。因此当节点和目标时钟异步时，传统声线修正方法不再适用。
实施例2：时钟异步情况下，水平距离一定，目标处于不同声速剖面深度时，基于掠射角声线修正的深海目标定位方法的性能仿真。
水下环境复杂，使水下节点和目标很难做到严格的时钟同步，当声线传播时间测量值存在由节点和目标时钟异步导致的较小误差时，比较基于传统声线修正的定位方法和本发明提出的基于掠射角声线修正的深海目标定位方法的性能。
传感器网络的节点有6个，节点位置坐标依次为s1＝(50m,100m,35m)、s2＝(103m,600m,22m)、s3＝(500m,670m,30m)、s4＝(620m,300m,40m)、s5＝(400m,60m,20m)、s6＝(280m,390m,18m)。仿真的环境文件依然选用MunkB_ray.env，通过bellhop得到每个节点的接收掠射角和真实的声线传播时间，假设声线传播时间测量值误差的方差为0.0005s2，然后分别通过两种方法得到声线经过的水平距离，计算出目标的位置，对比两种方法修正的水平距离和定位效果。声线方向以水平轴为零度，朝水平轴上方时，掠射角为负，朝向下方时，掠射角为正。
从图4的Munk声速剖面图可以看到，声速剖面大致可分为两段，上半段是负梯度声速，下半段是正梯度声速，为了验证本发明所提的深海目标精确定位方法适用于各种声速分布，仿真中让目标分别处于负梯度声速和正梯度声速的深度中。目标位置的水平坐标为(1000m,800m)，深度分别为600m和2700m，仿真结果分别如表1、表2所示。
表1负梯度声速段声线修正和目标定位效果
表2正梯度声速段声线修正和目标定位效果
表1中，当时钟异步导致的传播时间测量值误差的方差为0.0005s2时，采用传统声线修正方法进行修正，水平距离估计的均方误差均在30m以上，利用得到的水平距离进行定位，势必会带来很大的定位误差。然而利用接收端掠射角采用本发明提出的基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法，误差均在1m以下。最后根据圆交汇原理得到方程组，进而转化为线性方程组，采用最小二乘方法进行求解，得目标位置的水平坐标为(1000.52m,799.52m)，结合目标已知的深度，可得目标位置的三维坐标为(1000.52m,799.52m,600m)。表2中，可以看到类似的结果，最终求得目标位置的三维坐标为(1000.23m,800.49m,2700m)。
从以上的分析可以看出，当时钟异步时，传统声线修正方法得到的水平距离误差很大，已经不能满足定位中对于距离精度的要求，而本发明提出的基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法效果很好，水平距离误差均在1m以内，能够很好地修正声线弯曲对水声传感器网络目标定位带来的影响，提高定位精度。
实施例3：时钟异步情况下，深度一定，目标处于不同水平距离时，基于掠射角声线修正的深海目标定位方法的性能仿真。
为了验证目标和节点间水平距离不同时本发明所提基于掠射角声线修正的深海目标精确定位方法的效果，假定目标的深度一定，让目标和节点间水平距离逐渐增大。从实施例2部分的仿真和分析中，我们知道当目标和节点时钟异步时，传统声线修正方法已经不能满足精度的要求，而本发明所提定位方法可以得到高精度的距离估计，显著提高目标的定位精度，因此本部分只仿真本发明所提基于掠射角声线修正方法的水平距离修正效果。
节点位置坐标为(50m,100m,35m)，目标位于深度1000m处，逐渐远离节点，目标水平坐标依次为u1＝(100m,150m)、u2＝(300m,350m)、u3＝(500m,550m)、u4＝(800m,850m)、u5＝(1200m,1250m)、u6＝(1600m,1650m)、u7＝(2000m,2050m)、u8＝(2500m,2550m)、u9＝(3000m,3050m)、u10＝(3600m,3650m)，仿真结果如表3所示。
表3目标深度一定时不同水平距离声线修正效果
表3中，目标位于1000m深度处，目标距离节点的水平距离逐渐增大，采用本发明提出的基于掠射角的声线修正方法，水平距离误差大都在1m以内，均方误差约为0.32m2，可以满足定位精度的要求。同时可以看到，随着目标距离节点的水平距离逐渐增大，节点处的声线掠射角逐渐减小，采用本发明所提的声线修正方法，可以得到目标处的初始掠射角和声线经过的水平距离，目标处的初始掠射角也随着它们之间水平距离的增大逐渐减小，且接收掠射角要小于初始掠射角，这可以从节点和目标的几何位置关系及声线弯曲程度来解释。
综上所述，由于海洋声速分布不均匀，导致声线发生了弯曲，使水声定位误差增大。本发明针对水声传感器网络深海目标定位中目标、节点间时钟异步和声线弯曲问题，提出了一种基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法。该方法可以在节点和目标时钟异步时，通过节点测得的接收掠射角，获得精确的目标和节点间水平距离，提高目标定位精度。BELLHOP和MATLAB仿真验证了方法的有效性，表明本发明提出的基于掠射角声线修正的水声传感器网络深海目标精确定位方法可以使水声传感器网络深海目标定位的精度更高。