異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，包括以下步驟：四個(gè)潛器在水面上通過GPS進(jìn)行自定位和時(shí)鐘同步；1號潛器下潛到一定深度后進(jìn)行自定位，估計(jì)水流速度并廣播給其他潛器，隨后繼續(xù)下潛；另外三個(gè)潛器收到水流速度信息后下潛，并周期性地廣播HELLO；目標(biāo)收到HELLO后發(fā)送定位請求；每個(gè)潛器接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收編號在它之前的潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)它確認(rèn)接收到全部的時(shí)間戳后，將自身記錄的時(shí)間戳發(fā)送給編號在它之后的潛器和目標(biāo)；目標(biāo)接收到四個(gè)潛器發(fā)送的時(shí)間戳后，發(fā)送終止信息，并根據(jù)水流速度定位補(bǔ)償，獲取自身位置，定位結(jié)束。本發(fā)明可以在異步時(shí)鐘及水流環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)較高精度的目標(biāo)定位。
【專利說明】
異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水聲傳感器智能感知與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種異步時(shí)鐘下的水下 移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下目標(biāo)定位，旨在通過水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與數(shù)據(jù)處理能力，來獲取水下目標(biāo) 的位置信息。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋水文觀測、海洋工程和海洋科考等領(lǐng)域。然而，水下 環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，同時(shí)水流作用使得目標(biāo)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)演化特性，這些因素給水下移 動(dòng)目標(biāo)的定位帶來了很大困難。如何在異步時(shí)鐘以及水流環(huán)境下解決水下移動(dòng)目標(biāo)的定位 成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。
[0003] 經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請公布號為CN103823205A的中國專利申請公開了"一種水下定位 導(dǎo)航系統(tǒng)和方法"，該方法通過四個(gè)時(shí)鐘同步的四個(gè)布置位置、狀態(tài)均隨意的基站和一個(gè)水 下導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)現(xiàn)定位?；就ㄟ^向水中廣播導(dǎo)航信號，然后用偽隨機(jī)碼對導(dǎo)航信號進(jìn)行 擴(kuò)頻，擴(kuò)頻碼同時(shí)充當(dāng)測距碼，通過接收基站的導(dǎo)航信號，解算出自身位置實(shí)現(xiàn)定位。但考 慮到實(shí)際水下環(huán)境中，嚴(yán)格的時(shí)鐘同步難以實(shí)現(xiàn)。因此，在采用這種方法進(jìn)行定位時(shí)，異步 時(shí)鐘會(huì)對基站與接收機(jī)間的通信產(chǎn)生較大的影響，使得獲取的信息難以達(dá)到精度甚至失 效，進(jìn)而使得定位難以實(shí)現(xiàn)。
[0004] 又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請公布號為CN104039010A的中國專利申請?zhí)柟_了"一種無時(shí) 間同步的環(huán)路輔助水下定位方法"，這種方法通過節(jié)點(diǎn)與水面錨節(jié)點(diǎn)的通信實(shí)現(xiàn)定位。其中 每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送一次ffiLLO消息與一次性測距消息，完成鏈路對稱性探測以及獲取對稱 鏈路長度。然后，水面錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次自身坐標(biāo)信息，利用距離與坐標(biāo)信息完成部分節(jié)點(diǎn) 的定位。上述方法假定定位過程中節(jié)點(diǎn)靜止，忽略了水流作用下節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)移動(dòng)，這些被動(dòng) 位移會(huì)給定位結(jié)果引入較大誤差。并且上述方法實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位比較 困難。因此，如何在異步時(shí)鐘以及水流環(huán)境影響下，設(shè)計(jì)水下移動(dòng)目標(biāo)的協(xié)同定位方法，以 提高水下移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述不足，設(shè)計(jì)一種異步時(shí)鐘與水流環(huán)境影響下的水下目 標(biāo)定位算法，以提高對水下移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] (1)在水下環(huán)境中，隨機(jī)部署四個(gè)移動(dòng)潛器，并分別編號為1，2,3,4,潛器之間采用 水聲通信方式進(jìn)行信息交互，每個(gè)潛器均配備深度探測計(jì)；
[0008] (2)四個(gè)潛器在水面上通過GPS獲得自身位置和同步時(shí)鐘信息，之后1號潛器下潛 到一定深度，2,3,4號潛器通過到達(dá)時(shí)間差理論(TD0A)輔助1號潛器獲得其x軸和y軸的信 息，z軸可以通過深度探測計(jì)獲取，進(jìn)而1號潛器獲得當(dāng)前位置的信息，隨后1號潛器結(jié)合之 前在水面上獲得的位置信息，對水流速度y進(jìn)行估計(jì)；
[0009] (3)1號潛器向2,3,4號潛器廣播估計(jì)出的水流速度y，隨后繼續(xù)下潛，并且通過獲 得的水流速度對自身實(shí)時(shí)位置進(jìn)行更新;2，3，4號潛器收到水流速度后下潛，并周期性的對 外廣播HELLO，在下潛過程中，同樣根據(jù)水流速度更新自身的實(shí)時(shí)位置；
[0010] (4)目標(biāo)接收到"HELLO"后，同時(shí)向四個(gè)潛器發(fā)送定位請求，以定位目標(biāo)位置(Xs， ys，zs )，設(shè)定目標(biāo)發(fā)送定位請求的時(shí)刻為tss，每一個(gè)潛器接收到定位請求信息后，進(jìn)入等 待模式，等待接收編號在它之前的潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)這個(gè)潛器確認(rèn)接收到全部的時(shí)間 戳后，將自身記錄的時(shí)間戳發(fā)送給編號在它之后的潛器和目標(biāo)；
[0011] (5)目標(biāo)確認(rèn)接收到四個(gè)潛器發(fā)送的時(shí)間戳后，分別記錄下1，2,3,4號潛器發(fā)出的 時(shí)間戳到達(dá)的時(shí)刻匕、^、^、^，然后發(fā)送終止信息，終止定位過程；
[0012] ⑷定位過程中，目標(biāo)除了在自身動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到水流的影響產(chǎn)生被動(dòng) 運(yùn)動(dòng)，在此，通過步驟(2)中估計(jì)的水流速度補(bǔ)償目標(biāo)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合目標(biāo)自身速度求 得目標(biāo)定位過程中的位移（A Xl，A yi，A Zl)，已知目標(biāo)與各潛器之間時(shí)鐘異步，因此目標(biāo)接 收到的時(shí)間信息中各個(gè)時(shí)刻值存在偏差，為了消除這些時(shí)鐘偏差，我們采用做差的方法，即 對那些在同一時(shí)鐘下的時(shí)刻值做差，這樣就可以抵消時(shí)鐘偏差；
[0013] (7)目標(biāo)根據(jù)接收到的時(shí)間戳與位置信息獲得目標(biāo)與潛器、潛器之間的時(shí)延信息， 考慮到噪聲存在，并按噪聲最小的原則，由相關(guān)時(shí)延信息和計(jì)算得的時(shí)刻差值可求得目標(biāo) 定位開始時(shí)的位置(xs，ys，zs)，再根據(jù)定位過程中目標(biāo)的位移，可求得目標(biāo)定位結(jié)束時(shí)的實(shí) 時(shí)位置(Xs，Y s，Zs)。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 1、通過對水流速度的估計(jì)獲得目標(biāo)在定位過程中因水流作用產(chǎn)生的位移量，從而 補(bǔ)償了定位過程中因水流影響產(chǎn)生的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，提高了定位精度。
[0016] 2、通過異步算法解決了目標(biāo)與潛器間時(shí)鐘不同步的問題，實(shí)現(xiàn)了對于目標(biāo)的異步 定位，從而克服了水下環(huán)境中時(shí)鐘異步的影響。
[0017] 3、僅通過潛器間的通信即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位，擺脫了對水面基站的依賴，減少 了傳統(tǒng)定位方法中水面和水下因素對定位過程產(chǎn)生的影響，對水下環(huán)境有良好的適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明方法對于水下移動(dòng)目標(biāo)定位過程的流程圖。
[0019] 圖2表示定位過程中異步算法的實(shí)現(xiàn)過程。
[0020] 圖中:A代表目標(biāo)發(fā)出定位請求的時(shí)刻tss，B代表目標(biāo)接收到1號潛器發(fā)送的時(shí)間戳 的時(shí)刻tls，C代表目標(biāo)接收到4號潛器發(fā)送的時(shí)間戳的時(shí)刻t 4s，D代表1號潛器接收到定位請 求的時(shí)刻tsl，E代表1號潛器發(fā)出時(shí)間戳的時(shí)刻tn，F(xiàn)代表4號潛器接收到定位請求的時(shí)刻 ts4，G代表4號潛器接收到1號潛器發(fā)送的時(shí)間戳的時(shí)刻t14，H代表4號潛器發(fā)出時(shí)間戳的時(shí) 刻t 44，t代表目標(biāo)和潛器的位置隨著時(shí)間而變化。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0022]如圖1所示，本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0023] (1)在水下環(huán)境中，隨機(jī)部署四個(gè)移動(dòng)潛器，并分別編號為1，2,3,4。潛器之間采用 水聲通信方式進(jìn)行信息交互，每個(gè)潛器均配備深度探測計(jì)。
[0024] (2)四個(gè)潛器在水面上通過GPS獲得自身位置和同步時(shí)鐘信息，之后1號潛器下潛 到一定深度，2,3,4號潛器通過到達(dá)時(shí)間差理論(TD0A)輔助1號潛器獲得其x軸和y軸的信 息，z軸可以通過深度探測計(jì)獲取，進(jìn)而1號潛器獲得當(dāng)前位置的信息，隨后1號潛器結(jié)合之 前在水面上的位置Pi，通過公式：+ = 對水流速度y進(jìn)行估計(jì)。式中 V(t)為1號潛器的速度為潛器下潛之前的時(shí)刻，t。為下潛到一定深度時(shí)的時(shí)刻，PA1號 潛器在水面上的位置，P。為下潛到的位置
[0025] (3)1號潛器向2,3,4號潛器廣播估計(jì)出的水流速度y，隨后繼續(xù)下潛，并且通過獲 得的水流速度對自身實(shí)時(shí)位置進(jìn)行更新。2，3，4號潛器收到水流速度后下潛，并周期性的 對外廣播"HELLO"。在下潛過程中，1，2，3，4號潛器在水下的位置均由以下公式更新：
[0026] Pk = P, + { ViJ)dt -\-u{t,
[0027] 其中，Pk為潛器在水下的位置，Pd為潛器在水面時(shí)的位置，tk為潛器在水下各個(gè)位 置所對應(yīng)的時(shí)刻，td為潛器在下潛之前的時(shí)刻，y為已估計(jì)得的水流速度。
[0028] (4)目標(biāo)接收到"HELLO"后，同時(shí)向四個(gè)潛器發(fā)送定位請求，以定位目標(biāo)位置(Xs， ys，zs)。結(jié)合圖2所示，設(shè)定目標(biāo)發(fā)送定位請求的時(shí)刻為tssA。每一個(gè)潛器接收到定位請求信 息后，進(jìn)入等待模式，等待接收編號在它之前的潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)這個(gè)潛器確認(rèn)接收到 全部的時(shí)間戳后，將自身記錄的時(shí)間戳發(fā)送給編號在它之后的潛器和目標(biāo)。具體實(shí)現(xiàn)過程 如下：
[0029] 1號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻tslD接收到定位請求后，向2,3,4號潛器和目標(biāo) 發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含t sl、l號潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻tnE和1號潛器的實(shí)時(shí)位置(X1， yi,zi)；
[0030] 2號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts2接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收 1號潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)2號潛器在接收到1號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的時(shí)刻t 12接收到時(shí)間戳 后，向3,4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含ts2、t12、2號潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻t 22和 2號潛器的實(shí)時(shí)位置(X2，y2，z2);
[0031] 3號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts3接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收 1，2號潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)3號潛器分別在接收到1號、2號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的時(shí)刻t 13、 t23接收到時(shí)間戳后，向4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含七3、〖13、3號潛器發(fā)送時(shí)間 戳的時(shí)刻1：33和3號潛器的實(shí)時(shí)位置(13,73,23);
[0032] 4號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts4F接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接 收1，2,3號潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)4號潛器分別在接收到1號、2號、3號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的 時(shí)刻t14G、t24、t34接收到時(shí)間戳后，向4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含t s4、t14、t24、 t34、4號潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)亥ljt44H和4號潛器的實(shí)時(shí)位置(X4，y 4，z4)。
[0033] (5)目標(biāo)確認(rèn)接收到四個(gè)潛器發(fā)送的時(shí)間戳后，分別記錄下1，2,3,4號潛器發(fā)出的 時(shí)間戳到達(dá)的時(shí)刻匕8、匕、^、"(：，然后發(fā)送終止信息，終止定位過程。
[0034] (6)定位過程中，目標(biāo)除了在自身動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到水流的影響產(chǎn)生被動(dòng) 運(yùn)動(dòng)，在此，通過步驟(2)中估計(jì)的水流速度補(bǔ)償目標(biāo)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合目標(biāo)自身速度求 得目標(biāo)定位過程中的位移（A xi，A yi，A Zi):
[0035] (Av,.,,Az;.) = V(t)dt + -t^)
[0036] 其中，tls為目標(biāo)接收到第i個(gè)潛器發(fā)回時(shí)間戳的時(shí)刻，tss為目標(biāo)發(fā)出定位請求的 時(shí)刻，V(t)為目標(biāo)的速度，y為已估計(jì)得的水流速度。
[0037] 已知目標(biāo)與各潛器之間時(shí)鐘異步，因此目標(biāo)接收到的時(shí)間戳中各個(gè)時(shí)刻值存在偏 差，為了消除這些時(shí)鐘偏差，我們采用做差的方法，即如圖2所示的異步算法，對那些在同一 時(shí)鐘下的時(shí)刻值進(jìn)行如下做差處理：
[0038] A Tis= (tis-tss)-(tii-tsi),i = 1,2,3,4
[0039] ^Tki= itki -tsl) ~(tM - t^),k = 1,-1, Vi
[0040] 這樣就可以抵消時(shí)鐘偏差并得到兩組值。其中，A Tls為對目標(biāo)和第i號潛器的時(shí)間 戳進(jìn)行做差獲得的目標(biāo)與第i號潛器時(shí)間戳的差值，A Tkl為對目標(biāo)和第k號、第i號潛器的時(shí) 間戳進(jìn)行做差獲得的目標(biāo)與第k號、第i號潛器時(shí)間戳的差值，t ss為目標(biāo)發(fā)出定位請求的時(shí) 亥lj，tls為目標(biāo)接收到潛器發(fā)回時(shí)間戳的時(shí)刻，tsl、t sk為潛器接收到定位請求的時(shí)刻，tn、tkk 為潛器向其他潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻，tkl為潛器間發(fā)送的時(shí)間戳到達(dá)的時(shí)刻，Vf指 代任意一個(gè)潛器。
[0041] (7)目標(biāo)根據(jù)接收到的時(shí)間戳與位置信息獲得目標(biāo)與潛器、潛器之間的時(shí)延信 息，考慮到噪聲存在，并按噪聲最小的原則，由相關(guān)時(shí)延信息和計(jì)算得的時(shí)刻差值可求得目 標(biāo)發(fā)出定位請求時(shí)的位置(x s，ys，zs)，再根據(jù)定位過程中目標(biāo)的位移，可求得目標(biāo)定位結(jié)束 時(shí)的實(shí)時(shí)位置(1，1，1)。具體公式如下
[0042] 目標(biāo)與潛器、潛器間的傳輸時(shí)延Tsi、I由以下公式得到：
[0046]其中，dsl為目標(biāo)與潛器之間的距離，dkl為潛器之間的距離，（Xs，y s，Zs)為目標(biāo)的位 置，（燈，71<，21〇、（11，71，21)為潛器的實(shí)時(shí)位置。^ 1為目標(biāo)與第1號潛器之間的傳輸時(shí)延，^1 為第k號潛器和第i號潛器之間的傳輸時(shí)延，C為聲波在水中的傳播速度。
[0047]考慮噪聲存在的條件下，A Tls、A Tkl與相關(guān)時(shí)延間存在如下關(guān)系：
[0048] A Tis = Tsi+T 'si+wis
[0049] A Tki - Tsk+Tki_Tsi+Wki
[0050] 其中Wls、Wkl分別為目標(biāo)與潛器、潛器之間的測量值的噪聲與不確定值。？S1為目標(biāo) 的實(shí)時(shí)位置與潛器的實(shí)時(shí)位置間的傳播時(shí)延。
[0051] 遵循噪聲最小原則，目標(biāo)位置由如下公式得出：
[0053] 其中S為潛器在相同的測量標(biāo)準(zhǔn)下，每次測量值具有的偏差。對于公式的求解采用 窮舉法。
[0054] 最終，定位結(jié)束時(shí)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置(XS，YS，ZS)由如下公式得到：
[0055] (Xs，Ys，Zs) = (xs+ A X4，ys+ A y4，zs+ A Z4)
[0056] 其中（xs，ys，zs)為目標(biāo)發(fā)出定位請求時(shí)的位置，（Ax4, Ay4, Az4)為定位過程結(jié)束 時(shí)目標(biāo)的位移量。
[0057] 實(shí)施例一：當(dāng)目標(biāo)接收到四個(gè)潛器發(fā)送回的時(shí)間戳信息和各潛器的實(shí)時(shí)位置信息 后，目標(biāo)根據(jù)這些信息運(yùn)行異步算法計(jì)算自己的位置。
[0058] 由于各潛器之間、潛器與目標(biāo)間時(shí)鐘不同步，目標(biāo)接收到的時(shí)間戳之間存在時(shí)鐘 偏差，為了消除這一影響，采用對相同時(shí)鐘下的時(shí)刻值進(jìn)行做差的方法：
[0059] A Tis= (tis-tss)-(tii-tsi),i = 1,2,3,4
[0060] A7l = (/；i, -/ j),A: - 1,...,/--1, V/
[0061] 再結(jié)合圖2,在考慮噪聲的條件下，建立上述所得的時(shí)間差值與潛器之間、潛器與 目標(biāo)間傳輸時(shí)延的關(guān)系：
[0062] A Tis = Tsi+T 'si+wis
[0063] A Tki - Tsk+Tki_Tsi+Wki
[0064] 最后將這些關(guān)系帶入定位方程即可求得目標(biāo)的位置。
[0065] 由上所述的異步算法可以看出，該算法的實(shí)質(zhì)是通過對同一時(shí)鐘下的時(shí)刻值做差 來消除時(shí)鐘偏差，然后建立所得到的差值與潛器之間、潛器與目標(biāo)間傳輸時(shí)延的關(guān)系，進(jìn)而 建立測量到的時(shí)刻值與潛器、目標(biāo)的位置關(guān)系，以此來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的異步定位。該算法過程 考慮到了噪聲的影響，能夠有效提高定位結(jié)果的精度。
[0066] 以上所述的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方 案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 在水下環(huán)境中，隨機(jī)部署四個(gè)移動(dòng)潛器，并分別編號為1，2,3,4，潛器之間采用水聲 通信方式進(jìn)行信息交互，每個(gè)潛器均配備深度探測計(jì)； (2) 四個(gè)潛器在水面上通過GPS獲得自身位置和同步時(shí)鐘信息，之后1號潛器下潛到一 定深度，2,3,4號潛器通過到達(dá)時(shí)間差理論輔助1號潛器獲得其X軸和y軸的信息，z軸可以通 過深度探測計(jì)獲取，進(jìn)而1號潛器獲得當(dāng)前位置的信息，隨后1號潛器結(jié)合之前在水面上獲 得的位置信息，對水流速度μ進(jìn)行估計(jì)； (3) 1號潛器向2,3,4號潛器廣播估計(jì)出的水流速度μ，隨后繼續(xù)下潛，并且通過獲得的 水流速度對自身實(shí)時(shí)位置進(jìn)行更新;2，3，4號潛器收到水流速度后下潛，并周期性的對外廣 播HELLO，在下潛過程中，同樣根據(jù)水流速度更新自身的實(shí)時(shí)位置； (4) 目標(biāo)接收到HELLO后，同時(shí)向四個(gè)潛器發(fā)送定位請求，以定位目標(biāo)位置(Xs，ys，z s)， 設(shè)定目標(biāo)發(fā)送定位請求的時(shí)刻為tss，每一個(gè)潛器接收到定位請求信息后，進(jìn)入等待模式，等 待接收編號在它之前的潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)這個(gè)潛器確認(rèn)接收到全部的時(shí)間戳后，將自 身記錄的時(shí)間戳發(fā)送給編號在它之后的潛器和目標(biāo)； (5) 目標(biāo)確認(rèn)接收到四個(gè)潛器發(fā)送的時(shí)間戳后，分別記錄下1，2,3,4號潛器發(fā)出的時(shí)間 戳到達(dá)的時(shí)刻匕、^、^、^，然后發(fā)送終止信息，終止定位過程； (6) 定位過程中，目標(biāo)除了在自身動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到水流的影響產(chǎn)生被動(dòng)運(yùn) 動(dòng)，在此，通過步驟(2)中估計(jì)的水流速度補(bǔ)償目標(biāo)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合目標(biāo)自身速度求得 目標(biāo)定位過程中的位移（Α Χι，Δ yi，Δ Zl)，已知目標(biāo)與各潛器之間時(shí)鐘異步，因此目標(biāo)接收 到的時(shí)間信息中各個(gè)時(shí)刻值存在偏差，為了消除這些時(shí)鐘偏差，采用做差的方法，即對那些 在同一時(shí)鐘下的時(shí)刻值做差，以抵消時(shí)鐘偏差； (7) 目標(biāo)根據(jù)接收到的時(shí)間戳與位置信息獲得目標(biāo)與潛器、潛器之間的時(shí)延信息，考慮 到噪聲存在，并按噪聲最小的原則，由相關(guān)時(shí)延信息和計(jì)算得的時(shí)刻差值可求得目標(biāo)定位 開始時(shí)的位置(x s，ys，zs)，再根據(jù)定位過程中目標(biāo)的位移，可求得目標(biāo)定位結(jié)束時(shí)的實(shí)時(shí)位 置(Xs，Ys，Zs)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，在所述 步驟(2)中，對水流速度的估計(jì)方法如下：式中V(t)為1號潛器的速度為潛器下潛之前的時(shí)刻，t。為下潛到一定深度時(shí)的時(shí)刻， Pi為1號潛器在水面上的位置，P。為下潛到的位置，μ為需要估計(jì)的水流的速度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，在所述 步驟(3)中，求得水流速度后，1，2,3,4號潛器在水下的位置均可由以下公式得到：其中，Pk為潛器在水下的位置，Pd為潛器在水面時(shí)的位置，tk為潛器在水下各個(gè)位置所 對應(yīng)的時(shí)刻，td為潛器在下潛之前的時(shí)刻，y為已估計(jì)得的水流速度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，在所述 步驟(4)中，具體過程如下： 1號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻tsl接收到定位請求后，向2,3,4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí) 間戳，該時(shí)間戳包含tsl、l號潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻tn和1號潛器的實(shí)時(shí)位置(X1， yi，Z1); 2號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts2接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收1號 潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)2號潛器在接收到1號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的時(shí)刻t12接收到時(shí)間戳后， 向3,4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含ts2、tl2、2號潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻t22和2號 潛器的實(shí)時(shí)位置( X2，y2，z2); 3號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts3接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收1，2 號潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)3號潛器分別在接收到1號、2號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的時(shí)刻t13、t23接 收到時(shí)間戳后，向4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含t s3、t13、3號潛器發(fā)送時(shí)間戳的 時(shí)刻丨33和3號潛器的實(shí)時(shí)位置(13,73,23); 4號潛器在接收到定位請求的時(shí)刻ts4接收到定位請求后，進(jìn)入等待模式，等待接收1，2， 3號潛器發(fā)來的時(shí)間戳，當(dāng)4號潛器分別在接收到1號、2號、3號潛器發(fā)出的時(shí)間戳的時(shí)刻t14、 t24和t34接收到時(shí)間戳后，向4號潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳，該時(shí)間戳包含"山4山 4山4、4號 潛器發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻t44和4號潛器的實(shí)時(shí)位置( X4，y4，z4)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，在所述 步驟(6)中，目標(biāo)從發(fā)送定位請求到接收到潛器發(fā)回時(shí)間戳這段時(shí)間的位移為（A Xl，Ayi， A zi)：其中，tls為目標(biāo)接收到第i號潛器發(fā)回時(shí)間戳的時(shí)刻，tss為目標(biāo)發(fā)出定位請求的時(shí)刻，V (t)為目標(biāo)的速度，μ為已估計(jì)得的水流速度； 對于目標(biāo)接收到的時(shí)刻值，進(jìn)行如下做差處理： A Tis= (tis-tss)-(tii-tsi) ,1 = 1,2,3,4其中，△ Tls為對目標(biāo)和第i號潛器的時(shí)間戳進(jìn)行做差獲得的目標(biāo)與第i號潛器時(shí)間戳的 差值，△ Tkl為對目標(biāo)和第k號、第i號潛器的時(shí)間戳進(jìn)行做差獲得的目標(biāo)與第k號、第i號潛器 時(shí)間戳的差值，t ss為目標(biāo)發(fā)出定位請求的時(shí)刻，tls為目標(biāo)接收到潛器發(fā)回時(shí)間戳的時(shí)刻， tsl、tsk為潛器接收到定位請求的時(shí)刻，tn、tkk為潛器向其他潛器和目標(biāo)發(fā)送時(shí)間戳的時(shí)刻， tkl為潛器間發(fā)送的時(shí)間戳到達(dá)的時(shí)刻，Vi指代任意一個(gè)潛器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步時(shí)鐘下水下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位方法，其特征在于，在所述 步驟⑴中，目標(biāo)的最終實(shí)時(shí)位置(Xs，Ys，Z s)可通過如下公式獲得： 目標(biāo)與潛器、潛器間的傳輸時(shí)延isi、I由以下公式得到：其中，dsl為目標(biāo)與潛器之間的距離，dkl為潛器之間的距離，（Xs，y s，zs)為目標(biāo)的位置， (xk，yk，zk)、^，5^，2：〇為潛器的實(shí)時(shí)位置，1^為目標(biāo)與第；[號潛器之間的傳輸時(shí)延，1：1^為第 k號潛器和第i號潛器之間的傳輸時(shí)延，C為聲波在水中的傳播速度； 考慮噪聲存在的條件下，A Tls、△ Tkl與相關(guān)時(shí)延間存在如下關(guān)系： ATls-Tsi+T si+Wis A Tki - Tsk+Tki_Tsi+Wki 其中，Wls、Wkl分別為目標(biāo)與潛器、潛器之間的測量值的噪聲與不確定值，目標(biāo)的 實(shí)時(shí)位置與潛器的實(shí)時(shí)位置間的傳播時(shí)延； 遵循噪聲最小原則，目標(biāo)位置由如下公式得出：其中S為潛器在相同的測量標(biāo)準(zhǔn)下，每次測量值具有的偏差，對于公式的求解采用窮舉 法； 最終，定位結(jié)束時(shí)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置(Xs，Ys，zs)由如下公式得到： (Xs，Ys，Zs) - (Xs+A X4，ys+ A y4, Zs+ A Z4) 其中（Xs，ys，zs)為目標(biāo)發(fā)出定位請求時(shí)的位置，（ΔΧ4, Ay4, ΔΖ4)為定位過程結(jié)束時(shí)目 標(biāo)的位移量。
【文檔編號】G01S7/52GK105929405SQ201610237937
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】閆敬, 張曉寧, 羅小元, 李鑫濱, 關(guān)新平
【申請人】燕山大學(xué)