[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

说明书

本发明公开了一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，包括：建立多层等梯度声速剖面的数学模型；确定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；根据获取的传感器节点的状态信息结合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；利用FDOA或TDOA与FDOA联合估计方法结合步骤2)获取的信息和步骤3)的模型估计得到待定位目标节点的位置、速度信息。本发明提供的声学定位方法，通过多层等梯度声速剖面模型对声线进行有效的跟踪，减轻基于声线直线传播假设带来的误差，从而对移动目标的位置和速度做出更可靠和准确的估计。

技术领域

本发明属于水声定位导航领域，具体涉及一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法。

背景技术

水下声学传感器网络(UASNs)的出现，极大地提高了海洋环境监测的效率。在大多数水下声学传感器网络应用中，精确的节点定位是最基本和最重要的。节点的位置信息是完成其他水下任务的关键所在。在依赖位置的数据采集任务中，只有当位置信息正确时，数据才是有用的。由于水中声速随水深、盐度和温度的变化而变化，基于声线直线传播假设的定位方法存在固有偏差，因此需要提出能够处理真实声速剖面的更精确的定位方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，设计合理，克服了现有技术的不足，减轻了基于声线直线传播假设带来的误差，从而对移动目标的位置和速度作出更可靠和准确的估计。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法，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；其中，TDOA(Time Difference of Arrival)为到达时间差，FDOA(Frequency Difference of Arrival)为到达频率差。

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。

进一步地，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)