[发明专利]一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法

权利要求书

1.一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)建立多层等梯度声速剖面的数学模型；所述多层等梯度声速剖面的数学模型每层声速剖面的梯度相同，不同层之间的梯度会有变化，用P层声速剖面来接近真实的声速剖面，第p个声线层中的声速c_p(z)表示为：

式中，z代表水深，范围为第p层的起点深度到终点深度a_p是该层的声速梯度，b_p是该层声速的水平轴截距。

其中，根据声线在第p层的终点和第p+1层的起点的掠射角相等，进行声线跟踪。

步骤2)获取若干传感器节点的状态信息，并获取传感器节点之间接收到的FDOA信息或FDOA信息和TDOA信息；

步骤3)根据步骤2)获取的传感器节点的状态信息结合步骤1)建立的多层等梯度声速剖面的数学模型建立目标节点和所述若干传感器节点位置信息之间的到达频率模型或到达频率和到达时间模型；

步骤4)利用FDOA或TDOA与FDOA联合估计方法结合步骤2)获取的FDOA信息或FDOA信息和TDOA信息和步骤3)的模型估计得到待定位目标节点的位置、速度信息。

2.根据权利要求1所述的多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，其特征在于，所述步骤1)中，根据声线在第p层的终点和第p+1层的起点的掠射角相等，进行声线跟踪，具体为：不考虑海底和海面的声线反射情况，声线在第p层的终点和第p+1层的起点的掠射角相等：

其中掠射角的计算公式如下：

α_p＝arctan(Y_p)

β_p＝arctan(X_p)

Y_p＝L_p/X_p,当

式中，d_p表示水平方向上起止点的距离，X_p和Y_p是过程中定义的计算中间变量，α_p是实际声线与两节点直线传播路径之间的夹角，β_p是两节点之间直线路径与水平方向的夹角，根据掠射角计算公式以及三角函数和差化积的特性，得到下式：

基于X_p参数，获取各层的和进而实现声线跟踪。

3.根据权利要求1所述的多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，其特征在于，所述步骤2)中，若干传感器节点的状态信息包括位置和速度信息。

4.根据权利要求1所述的多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，其特征在于，所述步骤3)中根据步骤2)获取的传感器节点的状态信息结合步骤1)建立的多层等梯度声速剖面的数学模型建立待定位目标节点和所述若干传感器节点位置信息之间的到达频率模型具体包括：

通过多层等梯度声速剖面模型，从发射端到接收端的FOA的表达式为：

g＝g_s-g_D

其中g_s是考虑发射端运动的发射频率，g_D是接收端运动产生的多普勒频移，具体写作：

其中，f₀是载波频率，c_s和c_r分别是发射端和接收端所在位置深度处的声速，v_⊥s和v_⊥r分别是发射端和接收端的径向速度：

其中是声线在xoy平面的投影与x轴的夹角，v_s＝[v_sx,v_sy,v_sz]^T和v_r＝[v_rx,v_ry,v_rz]^T分别为发射端和接收端的速度；分别是发射端和接收端所在位置所处声速剖面模型层数对应的起始点掠射角和终止点掠射角。

根据上述关系求解FOA对目标节点位置和速度的偏导。