布站几何对深海时差定位精度分布特性的影响
发布时间：2021-08-04 08:13
为在深海较大区域实现海上无源目标的可靠水声定位,测量设计中需对预选布站几何条件下的精度和覆盖特性进行有效估计。针对这一问题,提出一种适用于多基站时差交会水声定位体制的精度分布特性仿真分析方法。以北太平洋中部海区的环境条件构设仿真场景,采用BELLHOP高斯束射线模型计算声场,应用Monte-Carlo方法迭加主要随机误差并传递到定位结果,通过网格化和大子样计算分别得出4基站、5基站和6基站3类典型几何构型的均方根误差（RMSE）空间分布。分析表明,在会聚区声信道条件下利用直达波与一次海底反射波进行定位性能有明显差异,前者精度相对较高,后者覆盖范围相对较大。直达波定位精度由阵中心区域向阵边缘区域逐渐减小,而一次海底反射波定位则在阵中心数千米区域出现一个精度下降区。在处于顶角位置的基站失效或位于中心位置的基站偏移2种情况下, RMSE呈非对称分布,仅在密集交会的局部区域有相对较高的精度,不能保证对全海区有效覆盖。与以往的研究相比,提出的方法满足深海条件下布站几何对精度分布和覆盖特性影响的评估与分析需求,可为测量系统的设计与应用提供参考。
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(02)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
仅由子基阵定位情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.8CoveragecharacteristicandRMSEdistributioninthecaseoflocalizationonlybysub-array
性的报道揭示了深海条件下双曲线交会呈现出与收-发条件和声传播相关的变异性[12],但对于测量海区全区域精度分布特性与布站几何的相关关系问题尚未开展研究。文中针对在深海数十千米范围内利用水下接收器到达时差定位水面声目标的工况,通过数值仿真方法分析得出直达波与一次海底反射波的覆盖特性与精度分布特性,初步建立了对深海声信道条件下的时差定位性能与布站几何关系的认识,提出的方法和得到的结果与以往浅海背景下的研究有较明显的不同。1工况条件假设假设测量作业的工况条件如图1所示。图1定位测量工况示意图Fig.1Schematicdiagramoflocalizationconditions1)要求对16km×16km测量海区内随机出现的、具有可识别声信号特征的水面目标进行定位,获取其二维位置坐标。2)以无人水面船作为测量基站,以吊放搭载的声接收器为测量载荷,将现场获取的到达目标声信号以及测量基站、海洋环境等测量信息实时传输至地面站进行快速求解,实现对随机水面目标的实时定位。其中,测量元素为目标声信号的到达时差(由接收声信号估计到达时间,每2个基站可形成一组到达时差);无人水面船位置信息由卫星导航定位设备提供,接收器与船体的相
2020年4月水下无人系统学报第28卷146JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn(d)~(f)为对应的RMSE分布。中心基站的位置变化对于相对高精度定位区域的分布影响明显,总体趋势是在基站相对密集的区域趋于压缩,在基站相对稀疏的区域趋于扩展,且与参与交会解算的基站数量密切相关。除基站密集交会的区域外,大部分顶角区域和基阵包络区域普遍精度较差。图63类单个基站失效情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.6CoveragecharacteristicandRMSEdistributionof3typicalobservationgeometrieswithoneinvalidbasestation图7中心基站偏移情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.7CoveragecharacteristicandRMSEdistributionundercentralbasestationshiftingcondition
【参考文献】：
期刊论文
[1]深海分层介质中的无源声定位时差交会特性[J]. 张旭. 科学通报. 2019(24)
[2]深海声传播信道和目标被动定位研究现状[J]. 杨坤德,李辉,段睿. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析[J]. 张旭,孙翱,韩旭,辛健. 声学学报. 2019(02)
[4]分布式基阵联合定位算法仿真分析[J]. 王志刚,陈韶华,王维. 水下无人系统学报. 2018(05)
[5]水下传感器网络定位技术发展现状及若干前沿问题[J]. 孙大军,郑翠娥,崔宏宇,张居成,韩云峰. 中国科学:信息科学. 2018(09)
[6]利用深海海底反射声场特征的水面声源被动测距[J]. 吴俊楠,周士弘,张岩. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(09)
[7]时延差双曲面定位方法在鱼雷入水点测量中的应用[J]. 李韦华,薛飞,马锦垠. 鱼雷技术. 2015(06)
[8]任意四元阵的定位盲区讨论及误差影响[J]. 金磊磊,马艳. 探测与控制学报. 2015(02)
[9]高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用[J]. 陈连荣,彭朝晖,南明星. 声学学报. 2013(06)
[10]用双直角三角形阵对声目标定位的研究[J]. 顾晓辉,王晓鸣. 声学技术. 2003(01)
本文编号：3321348
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(02)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
仅由子基阵定位情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.8CoveragecharacteristicandRMSEdistributioninthecaseoflocalizationonlybysub-array
性的报道揭示了深海条件下双曲线交会呈现出与收-发条件和声传播相关的变异性[12],但对于测量海区全区域精度分布特性与布站几何的相关关系问题尚未开展研究。文中针对在深海数十千米范围内利用水下接收器到达时差定位水面声目标的工况,通过数值仿真方法分析得出直达波与一次海底反射波的覆盖特性与精度分布特性,初步建立了对深海声信道条件下的时差定位性能与布站几何关系的认识,提出的方法和得到的结果与以往浅海背景下的研究有较明显的不同。1工况条件假设假设测量作业的工况条件如图1所示。图1定位测量工况示意图Fig.1Schematicdiagramoflocalizationconditions1)要求对16km×16km测量海区内随机出现的、具有可识别声信号特征的水面目标进行定位,获取其二维位置坐标。2)以无人水面船作为测量基站,以吊放搭载的声接收器为测量载荷,将现场获取的到达目标声信号以及测量基站、海洋环境等测量信息实时传输至地面站进行快速求解,实现对随机水面目标的实时定位。其中,测量元素为目标声信号的到达时差(由接收声信号估计到达时间,每2个基站可形成一组到达时差);无人水面船位置信息由卫星导航定位设备提供,接收器与船体的相
2020年4月水下无人系统学报第28卷146JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn(d)~(f)为对应的RMSE分布。中心基站的位置变化对于相对高精度定位区域的分布影响明显,总体趋势是在基站相对密集的区域趋于压缩,在基站相对稀疏的区域趋于扩展,且与参与交会解算的基站数量密切相关。除基站密集交会的区域外,大部分顶角区域和基阵包络区域普遍精度较差。图63类单个基站失效情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.6CoveragecharacteristicandRMSEdistributionof3typicalobservationgeometrieswithoneinvalidbasestation图7中心基站偏移情况下的覆盖特性及RMSE分布Fig.7CoveragecharacteristicandRMSEdistributionundercentralbasestationshiftingcondition
【参考文献】：
期刊论文
[1]深海分层介质中的无源声定位时差交会特性[J]. 张旭. 科学通报. 2019(24)
[2]深海声传播信道和目标被动定位研究现状[J]. 杨坤德,李辉,段睿. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析[J]. 张旭,孙翱,韩旭,辛健. 声学学报. 2019(02)
[4]分布式基阵联合定位算法仿真分析[J]. 王志刚,陈韶华,王维. 水下无人系统学报. 2018(05)
[5]水下传感器网络定位技术发展现状及若干前沿问题[J]. 孙大军,郑翠娥,崔宏宇,张居成,韩云峰. 中国科学:信息科学. 2018(09)
[6]利用深海海底反射声场特征的水面声源被动测距[J]. 吴俊楠,周士弘,张岩. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(09)
[7]时延差双曲面定位方法在鱼雷入水点测量中的应用[J]. 李韦华,薛飞,马锦垠. 鱼雷技术. 2015(06)
[8]任意四元阵的定位盲区讨论及误差影响[J]. 金磊磊,马艳. 探测与控制学报. 2015(02)
[9]高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用[J]. 陈连荣,彭朝晖,南明星. 声学学报. 2013(06)
[10]用双直角三角形阵对声目标定位的研究[J]. 顾晓辉,王晓鸣. 声学技术. 2003(01)
本文编号：3321348
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