一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111948607A(43)申请公布日2020.11.17(21)申请号202010553898.0(22)申请日2020.06.17(71)申请人中国船舶重工集团公司第七一五研究所地址311499浙江省杭州市西湖区留下街道屏峰715号(72)发明人邵鹏飞马启明王方勇张宏滔(74)专利代理机构杭州九洲专利事务所有限公司33101代理人陈继亮(51)Int.Cl.G01S5/22(2006.01)G01S19/48(2010.01)权利要求书1页说明书5页附图5页(54)发明名称一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法(57)摘要本发明提供了一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，在类似于深海分布式垂直阵组网观测系统下实现深海目标被动定位及跟踪功能，主要利用的技术手段有宽/窄带检测及特征提取、声线逆推估距、改进的粒子滤波，相比于传统的匹配场处理、运动目标分析、几何定位法等被动目标定位技术。本发明对环境参数的要求较低，估计精度较高，且适用于静止且无水平测向能力的单节点构成的分布式系统中，仅通过目标俯仰角信息、目标多普勒信息，结合多节点的系统参数和声速剖面采集数据，即可得到对被动目标声源的实时定位与连续跟踪。该方法实现相对简单、对条件约束较小、算法运行效率高，通过海试数据验证具有较好的目标定位与跟踪性能。CN111948607ACN111948607A权利要求书1/1页1.一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)对深海声速剖面进行采集，通过北斗或GPS实时标定并记录各探测节点的坐标信息，并利用深度传感器测量垂直阵的工作深度，从而获得系统参数；(2)在一定观测时间间隔内，通过目标检测与数据关联获得针对同一个目标的俯仰角测量，表示为Θ＝{θm|m＝1,2,…,M}，其中θm表示第m个节点观测得到的俯仰角-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数；同时获得目标相应的径向速度测量，表示为V＝{νm|m＝1,2,…,M}，其中νm表示第m个节点观测得到的径向速度-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数；(3)在深海条件下，声在分层介质中传播，声线向低声速区域弯曲，假定目标深度在一定深度范围内，将目标深度至接收深度的介质层均匀等分为D层，每层深度为Δd，被分割的各单位介质层近似为均匀介质层，依据实地测量得到的声速剖面将声速向量表示为c＝{ci|i＝1,2,…,D}，利用步骤(2)中得到的入射俯仰角数据Θ＝{θm|m＝1,2,…,M}，由斯涅尔定律和递归数值计算近似估计目标声源距离L＝{lm|m＝1,2,…,M}，其中lm表示第m个节点观测得到的距离-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数，算法计算公式表示为其中asin(·)表示反正弦函数；(4)利用步骤(2)和步骤(3)中获得的目标声源距离测量L＝{lm|m＝1,2,…,M}和径向速度测量V＝{νm|m＝1,2,…,M}作为输入，并引入步骤(1)中测量得到的系统参数，通过改进的粒子滤波算法估计目标状态，从而实现目标定位与跟踪。2.根据权利要求1所述的深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，其特征在于：所述的测量径向速度为三维坐标系下的径向速度，其与线谱测量之间关系为ν表示径向速度，fd为检测线谱频率，fo为目标源原线谱频率，c为声速。3.根据权利要求1所述的深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的的系统参数包括节点坐标、时间、节点垂直阵深度。4.根据权利要求1所述的深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，其特征在于：所述改进的粒子滤波算法直接以距离测量L和径向速度测量V作为输入，引入了径向速度约束后，将粒子权重更新函数修正为其中第k时刻距离预测与距离测量lk之间的误差表示为第k时刻径向速度预测与径向速度测量vk之间的误差表示为其中Ck和Sk分别表示分布式系统距离测量和径向速度测量的协方差矩阵。2CN111948607A说明书1/5页一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法技术领域[0001]本发明属于被动目标定位与跟踪技术，主要是一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，可以应用于深海分布式潜/浮标、深海固定式基阵/传感器警戒与搜救网络等情形中。背景技术[0002]深海中分布式垂直阵潜标用于进行目标融合定位与跟踪是实现深远海无人警戒网络需要突破的关键技术，通常采用的方法有通过匹配场定位技术和基于多节点俯仰角的几何定位技术等等，然而前者对环境参数要求高且运算量大，不适用于长期布放在水下的自主探测节点，后者估计精度较差，并且往往会出现无解或者解不唯一的情况。本方法针对两个或者两个以上的分布式垂直阵系统，当目标出现于表层至中等深度范围内，目标线谱较稳定且掌握一定线谱模板先验