[发明专利]一种基于高精度GPS的声源定位方法及其实现系统

摘要

本发明涉及一种基于高精度GPS的声源定位方法及其实现系统，包括步骤如下：(1)将麦克风阵列设置在监控区域的任意位置，麦克风上设置有GPS定位模块，至少4个麦克风处于同时工作状态；(2)麦克风实时获取声音信号，GPS定位模块实时获取时间信号和定位信号；(3)将声音信号、时间信号和定位信号进行存储；(4)根据指令获取对应的数据，通过TDOA声音定位算法计算时延，求解声源位置，即声源的经纬度、高度；(5)将声源位置进行显示。本发明将高精度GPS定位模块与无源的声源定位方法结合起来，GPS定位模块来测得采集声音信号的麦克风的位置信息，使用于采集声音信号的麦克风阵列不再受限于固定的相对位置。

主权项

1.一种基于高精度GPS的声源定位方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)在声源定位的监控区域随意放置麦克风组成麦克风阵列，麦克风阵列中的每个麦克风上安装有GPS定位模块，麦克风阵列中至少4个麦克风处于同时工作状态且采集到有效的声音信号；(2)麦克风阵列中处于工作状态的麦克风实时获取声音信号，麦克风阵列中处于工作状态的麦克风上安装的GPS定位模块实时获取位置信号，捕获的位置信号为NMEA‑0183格式，从位置信号中提取出时间信号与定位信号即可计算各个麦克风采集声音信号的时间和地点，将获取的声音信号、时间信号和定位信号转换为统一格式的数字信号；所述GPS定位模块通过RTK技术实时获取时间信号和定位信号；(3)将步骤(2)获取的声音信号、时间信号和定位信号进行存储；(4)根据指令获取步骤(3)中存储的对应的数据，通过TDOA声音定位算法计算时延，列出方程组求解声源位置，包括声源的经度、纬度和高度；包括步骤如下：a、将GPS定位模块计算的对应的四个麦克风的定位信号，包括经度、纬度、高度，从大地坐标系坐标转换到ECEF直角坐标系下坐标中的笛卡尔坐标，转换公式如式(IV)所示：式(IV)中，为ECEF直角坐标系下坐标值(x_i，y_i，z_i)，为大地坐标系坐标，为纬度，λ_i为经度，h_i为高度，a为椭球长半径，e为椭球第一偏心率；根据式(IV)获取对应的四个麦克风的转换后的ECEF坐标系中的笛卡尔坐标，即(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)(x₃，y₃，z₃)(x₄，y₄，z₄)；b、根据广义自相关函数法计算出的时延t₁₂、t₁₃、t₁₄与步骤a获取的四个麦克风的坐标(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)(x₃，y₃，z₃)(x₄，y₄，z₄)，列出非线性方程组，如式(V)所示：式(V)中，(x，y，z)为声源坐标；v为声音在空气中传播的速度；用牛顿迭代法求解声源坐标(x，y，z)；c、采用ECEF直角坐标系参数来计算声源的大地高度、大地纬度和大地经度，ECEF直角坐标系下根据在xy平面中测量的声源坐标与x轴之间的角度计算出声源的大地经度λ：当x≥0时，当x＜0且y≥0时，当x＜0且y＜0时，(x，y，z)是指声源坐标；采用Bowring演算法，求取声源的大地纬度，式(VI)中，p、u均为迭代算法中所需变量，a为椭球长半径，b为椭球短半径；迭代循环：直到tan u收敛，求得大地纬度求取大地高度h：当否则，上式中e′为椭球第二偏心率；通过以上计算则可得出声源的在大地坐标系下的经纬度坐标(5)将步骤(4)中计算的声源位置进行显示。