一种基于多层等梯度声速剖面模型的声学定位方法与流程

技术特征：
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：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,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：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：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。5.根据权利要求4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，将目标节点作为发射端，传感器节点作为接收端；假设目标和传感器节点的速度不为零，定义目标位置为μ＝[x,y,z]
t
，目标节点在位置μ的速度为v
μ
＝[v
x
,v
y
,v
z
]
t
＝[v
sx
,v
sy
,v
sz
]
t
。6.根据权利要求5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4)中，利用fdoa估计得到目标节点的位置具体为：建立传感器节点收到目标节点定位信号的foa模型为：f＝g(μ) n其中g(
·
)＝[g1(
·
),g2(
·
),...,g
n
(
·
)]
t
是信号的实际到达频率，n为传感器节点数量，f＝[f1,f2,...,f
n
]
t
是目标与每个传感器节点之间的测量到达频率，n是测量噪声，服从均值为零，方差为σ＝[σ
2f1
,σ
2f2
,...,σ
2fn
]
t
的高斯分布；各个传感器节点的相应测量噪声相互独立；用传感器参考节点的到达频率减去其他n-1个传感器节点的到达频率，fdoa测量模型为：δf＝g'(μ) ζ其中g'(
·
)＝[g
21
'(
·
),g
31
'(
·
),...,g
i1
'(
·
),...,g
n1
'(
·
)]
t
，δf＝[δf
21
,δ
f
31
,...,δf
i1
,...,δf
n1
]
t
，ζ＝[ζ
21
,ζ
31
,...,ζ
i1
,...,ζ
n1
]
t
，下标1为参考节点编号，更具体可以写作：g
i1
'(
·
)＝g
i
(
·
)-g1(
·
)δf
i1
＝f
i-f
11
噪声向量的协方差矩阵为:其中diag(σ
2f2
,σ
2f3
,...,σ
2fn
)是一个对角线矩阵，1
n-1
是单位矩阵；假定测量噪声是高斯的，则目标节点位置μ的最大似然估计值为：通过高斯牛顿法采用泰勒级数近似，通过多次迭代，使最大似然估计值最小获得目标节点位置；其中，第k次迭代可以表示为：其中j
f
＝
▽
g'(μ
(k)
)，r
f
＝g'(μ
(k)
)-δf：其中：其中：其中：是传感器节点对目标节点位置的偏导。7.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4)中，利用tdoa与fdoa联合估计得到目标节点的位置和速度信息具体为：目标节点的待估计变量建模为φ＝[x,y,z,v
x
,v
y
,v
z
]
t
，使用高斯牛顿法求解φ的最大似然估计值获得目标节点的位置和速度信息，其中第k次迭代可以表示为：φ
(k 1)
＝φ
(k)-(j
t
r
ξ-1
j)-1
j
t
r
ξ-1
r其中：其中：
为tdoa测量模型的噪声向量的协方差矩阵；j
t
＝
▽
h'(μ
(k)
)，)，)，其中，tdoa测量模型表示为：δt＝h'(μ) ρ其中h'(
·
)＝[h
21
'(
·
),h
31
'(
·
),...,h
n1
'(
·
)]
t
，δt＝[δt
21
,δt
31
,...,δt
n1
]
t
，ρ＝[ρ
21
,ρ
31
,...,ρ
n1
]
t
，下标1为参考节点编号，更具体可以写作：h
i1
'(
·
)＝h
i
(
·
)-h1(
·
)δt
i1
＝t
i-t
11

技术总结
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。和速度做出更可靠和准确的估计。和速度做出更可靠和准确的估计。


技术研发人员：王思甜 詹东洲 蔡守桂 郑华荣 徐文
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.09.09
技术公布日：2022/1/6