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基于水下多基地声纳的TDOA定位方法研究

基于水下多基地声纳的TDOA定位方法研究

作者：范超郑州大学

学位级别：硕士

随着国际之间的交流往来日益密切,大国之间的竞争愈加激烈,而对于海洋的探索和发展是国与国之间的竞争中非常重要的一环,掌握了海洋主动权的国家,无疑将会在之后的竞争中更具优势。关于海洋的建设会涉及到很多相关的领域,而水下目标源... 详细信息

随着国际之间的交流往来日益密切,大国之间的竞争愈加激烈,而对于海洋的探索和发展是国与国之间的竞争中非常重要的一环,掌握了海洋主动权的国家,无疑将会在之后的竞争中更具优势。关于海洋的建设会涉及到很多相关的领域,而水下目标源的定位正是其中非常重要的一个方面,在民用中亦或是军事应用上,水下定位都占有举足轻重的地位。目前声波是进行海洋探索最合适的信号之一,而多基地声纳正是应用声波的相应原理制成的探测设备,同时利用多基地声纳进行定位是目前的水下定位中非常重要的方式。鉴于目前的发展形势,本文依托某军队科研项目,针对多基地声纳定位中比较具有实际意义的三种场景,分别提出对应的定位方法。论文的主要工作和创新如下:1.声波信号在海洋介质中的传播不同于电磁波在空气中的传播,通常电磁波的传播速度可以作为一个常量,而声波在海洋介质中的传播受到各种因素的影响,在海域情况复杂的情况下,有时需要将声速当作未知量处理。基于这种情况,本文在声速未知下提出了一种对声速和目标位置进行联合估计的定位算法。算法应用了最小二乘的相关思想,通过公式分析推导出了一个关于估计误差的方程,以此构造了一个具有约束等式的新模型,并利用拉格朗日乘子法进行了求解。提出的算法的定位估计性能在理论上可以达到最优,并且实验仿真也对其进行了验证。2.除了将声速当作完全未知量来对其与目标位置联合估计外,有时也可以通过测量得到声速的先验值,此时如果再将声速当作完全未知量处理,无疑会使算法的性能无法达到最优,此时需要研究应用声速先验信息的新算法。针对这种情况,本文将以信号到达时间差为观测量,以多基地声纳为定位模型,提出一种简单的两步算法。算法的第一步与第二步分别从不同的处理角度出发应用了加权最小二乘原理。相比于现有的闭式解算法来说不但更加简单,并且定位性能也不会下降,同时从理论推导和实验仿真两个方面对性能进行了验证和比较。3.对于现有的闭式解算法来说,在进行求解过程中通常都会忽略运算过程中产生的二阶误差项,这些被忽略的误差项可能会增大定位算法的估计偏置,因此有必要对算法偏置进行削减。本文针对现有的多基地声纳多步加权算法,通过分析得出导致其偏置增大的因素,从削减现有算法第一步的偏置以及减少算法计算步数的角度出发,提出了对应的偏置削减算法,同时通过理论推导和实验仿真证明了提出的算法可以对现有加权算法的偏置有效进行削减,同时也不会影响现有算法的估计均方误差。

关键词：多基地声纳到达时间差最小二乘估计拉格朗日乘子法

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多基地声纳定位误差最小的模板法

系统仿真学报 2011年第11期23卷 2465-2470页

作者：李嶷李启虎孙长瑜中国科学院声学研究所北京100190

研究了基于定位误差最小化的多基地声纳接收基地配置方法。根据定位误差的几何分布情况,提出了配置多基地声纳的"模板法"。"模板法"利用已布设网络提供的目标距离信息和新增接收基地的测量误差信息,对"定位精度几何扩散因子"的几何分布... 详细信息

研究了基于定位误差最小化的多基地声纳接收基地配置方法。根据定位误差的几何分布情况,提出了配置多基地声纳的"模板法"。"模板法"利用已布设网络提供的目标距离信息和新增接收基地的测量误差信息,对"定位精度几何扩散因子"的几何分布图进行特征提取,得到"模板"。将"模板"与真实的声纳环境匹配,可确定新增接收基地的布放位置。仿真分析说明,该方法可解决攻击模式下目标的更准确定位问题,运算量小,实时性高。

关键词：信息处理技术多基地声纳定位误差配置算法攻击模式

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多基地声纳系统探测性能研究

多基地声纳系统探测性能研究

中国声学学会水声学分会2021～2022年学术会议

作者：周子凌尹宣紫黄志浩李新波哈尔滨工程大学水声技术重点实验室海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学)工业和信息化部哈尔滨工程大学水声工程学院

相较于单基地声纳系统,多基地声纳系统具有更好的隐蔽性、更强的抗干扰性、更远的探测距离以及更灵活的节点配置,是未来应对水下安静型目标的有效手段之一。为此,本文提出了一种基于累积探测概率的多基地声纳系统融合检测算法,比较了正... 详细信息

相较于单基地声纳系统,多基地声纳系统具有更好的隐蔽性、更强的抗干扰性、更远的探测距离以及更灵活的节点配置,是未来应对水下安静型目标的有效手段之一。为此,本文提出了一种基于累积探测概率的多基地声纳系统融合检测算法,比较了正三角形分布、菱形分布以及正六边形分布三种声纳节点布置形式的探测性能,并结合矢量水听器具有的空间增益进行进一步研究。探测性能是通过声纳系统检测概率在检测门限以上的探测范围来量化分析的。该研究对大范围水下目标探测具有一定的参考价值。

关键词：累积探测概率多基地声纳融合检测矢量水听器

来源： cnki会议评论

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多基地声纳距离信息定位算法研究及精度分析

系统仿真学报 2009年第6期21卷 1570-1572,1586页

作者：王成王英民陶林伟甘甜西北工业大学西安710072

在双基地声纳系统的定位方法[1]基础上推导了基于距离信息的多基地声纳系统的定位方程及定位误差的表达式,讨论了多基地声纳系统利用距离信息进行定位的定位原理,讨论了站址测量误差和时间测量误差对系统定位精度的影响,并对不同站址布... 详细信息

在双基地声纳系统的定位方法[1]基础上推导了基于距离信息的多基地声纳系统的定位方程及定位误差的表达式,讨论了多基地声纳系统利用距离信息进行定位的定位原理,讨论了站址测量误差和时间测量误差对系统定位精度的影响,并对不同站址布局下,系统的误差分布特点进行了研究,得出了使定位精度达最高的一种站址布局方案。

关键词：多基地声纳站址测量误差时间测量误差定位精度站址布局

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多基地声纳搜索性能模型研究

系统仿真学报 2014年第6期26卷 1315-1319页

作者：肖超超杨日杰韩建辉海军航空工程学院电子信息工程系烟台市264001

针对评估水下传感器多基地系统水下监测能力时,经常缺少解析形式的搜索性能模型的问题,建立了一种目标航迹给定、传感器位置服从随机分布的多基地声纳搜索性能模型。该模型基于接收器探测距离的上边界得到系统成功搜索概率的计算方法。... 详细信息

针对评估水下传感器多基地系统水下监测能力时,经常缺少解析形式的搜索性能模型的问题,建立了一种目标航迹给定、传感器位置服从随机分布的多基地声纳搜索性能模型。该模型基于接收器探测距离的上边界得到系统成功搜索概率的计算方法。以声源/接收器位置服从均匀分布为例,计算了多基地系统的成功搜索概率解析解。将不同声源/接收器数目与探测次数条件下,该解析解的计算结果与蒙特卡洛仿真结果进行比较。仿真结果表明,二者具有很强的一致性,建立的搜索性能模型合理有效,可以为工程参数设计提供指导意义。

关键词：多基地声纳搜索性能蒙特卡洛法成功搜索概率

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T^2-R型多基地声纳定位精度研究

兵工学报 2014年第7期35卷 1052-1059页

作者：徐景峰舒象兰韩树平马鑫海军潜艇学院水声中心山东青岛266042

建立一种T2-R型多基地声纳定位的几何模型,提出利用时间-方位信息进行目标定位(MTBL)算法,并给出算法定位误差的几何分布。通过数值仿真,重点研究了基线长度、声源配置和测量误差对算法定位精度的影响,并对其他影响因素也作了定性分析... 详细信息

建立一种T2-R型多基地声纳定位的几何模型,提出利用时间-方位信息进行目标定位(MTBL)算法,并给出算法定位误差的几何分布。通过数值仿真,重点研究了基线长度、声源配置和测量误差对算法定位精度的影响,并对其他影响因素也作了定性分析。仿真分析结果表明:随着基线长度增加,大部分区域定位精度提高;在一定的声源配置方式下,算法精度对时间测量误差比较敏感,而方位测量误差对定位精度影响较小;合理进行声源配置,可以提高探测区域的平均定位精度。该研究为T2-R型多基地声纳的水下定位提供了理论依据。

关键词：声学多基地声纳几何分布误差定位精度

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一种新的两步多基地声纳TDOA定位算法

信息工程大学学报 2023年第1期24卷 26-34页

作者：范超杨宾姜祖青邓杰信息工程大学河南郑州450001 国家数字交换系统工程技术研究中心河南郑州450001

针对水下多基地声纳定位系统中声速先验已知的情况,以到达时间差为系统观测量,提出一种新的两步闭式解定位算法。首先,通过引入辅助变量,将非线性观测方程转化为伪线性方程进行处理,求得一个初始估计解;其次,根据第一步中引入的辅助变... 详细信息

针对水下多基地声纳定位系统中声速先验已知的情况,以到达时间差为系统观测量,提出一种新的两步闭式解定位算法。首先,通过引入辅助变量,将非线性观测方程转化为伪线性方程进行处理,求得一个初始估计解;其次,根据第一步中引入的辅助变量与目标源位置的关系,以初始解中对于目标源的估计误差为待估计量建立伪线性方程并求解;最后,将第一步初始解中对于目标源位置的估计减去第二步的估计解就是最终对目标源位置的估计。推导了算法的估计均方误差,从理论上证明其可以达到相应的克拉美罗界。通过仿真实验验证了估计均方误差的理论分析,并与现有算法进行比较,证明了所提算法与现有算法相比具有优越性。

关键词：多基地声纳声速先验已知到达时间差辅助变量

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T—RN型多基地声纳声源配置研究

T—RN型多基地声纳声源配置研究

中国声学学会水声学分会2021～2022年学术会议

作者：徐景峰韩树平李智忠胡耀辉海军潜艇学院

爆炸声源和多个声纳接收站结合可构成T—R型多基地探测,声源配置位置对多基地声纳目标定位具有重要影响。通过建立定位模型,研究了约束条件下的声源配置规律及各因素的影响。仿真结果表明:符合约束条件的声源位置,往往位于目标和接收站... 详细信息

爆炸声源和多个声纳接收站结合可构成T—R型多基地探测,声源配置位置对多基地声纳目标定位具有重要影响。通过建立定位模型,研究了约束条件下的声源配置规律及各因素的影响。仿真结果表明:符合约束条件的声源位置,往往位于目标和接收站连线延长线附近,且接收站数量增加,声源可配置的区域增大;随着时间测量误差和方位测量误差同时增大,可配置的声源区域明显变小。

关键词：多基地声纳定位声源配置

来源： cnki会议评论

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基于多维分配的多基地声纳目标数据关联

系统仿真学报 2009年第11期21卷 3329-3331,3345页

作者：宋元章新华郭徽东许林周海军大连舰艇学院信息与通信工程系大连116018

建立了多基地多目标航迹关联的多维分配模型,利用基于辅助量最小二乘方法对目标状态进行位置估计,建立多基地被动目标关联多维分配模型,将位置估计模型的结果结合到求解多维分配问题的拉格朗日松弛算法求解中,提高了多维分配的关联准确... 详细信息

建立了多基地多目标航迹关联的多维分配模型,利用基于辅助量最小二乘方法对目标状态进行位置估计,建立多基地被动目标关联多维分配模型,将位置估计模型的结果结合到求解多维分配问题的拉格朗日松弛算法求解中,提高了多维分配的关联准确率。在不同声纳精度下对多目标关联问题进行了比较,给出算法时间和关联准确率。

关键词：多维分配数据关联多基地声纳被动定位