基于粒子滤波的多普勒信息辅助目标定位跟踪算法

多基地声呐探测系统主要通过测量回波的时延和方位信息进行目标定位与跟踪,定位精度受声速、时延和方位测量误差的影响较大,可以通过多普勒信息辅助进一步提高定位跟踪精度。现有的多普勒信息辅助定位跟踪算法多适用于单基地声呐系统,多基地中的多普勒测量值与目标状态的关系更为复杂,需要研究新的融合方法。该文提出了一种适用于多基地声呐系统的多普勒信息辅助采样重要性重采样目标定位跟踪算法,将多普勒信息融入到粒子滤波的重采样过程,使重采样后的粒子集合更逼近目标的真实状态分布,从而提高了目标定位跟踪精度。数值仿真实验结果表明,提出的目标定位跟踪算法可以有效融合多普勒信息,提升目标定位跟踪精度。     

水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析

针对水下垂向运动目标具有瞬变运动特性、难以对其轨迹进行高精度和高帧率测量的问题,提出一种有水声信标的海底多基站声定位模型,基于高斯-牛顿法给出求解算法,证明了算法满足局部线性收敛条件。数值仿真和精度分析表明,基站站址误差、声速误差和信号时延估计误差通过测量斜距传播到目标位置参数,误差传播过程受接收基阵几何构型、目标相对位置及水声学约束条件等因素影响。在多个海底基站共面条件下,补充海面基站可改进垂向测量能力。利用该方法对全区域进行精度估计,获取了定位性能在空间分布上的细节特征。以水平范围1 km×1 km、水深60 m的海区计算,对于由13个海底基站和1个海面基站构成的14元测量阵,目标运动深度范围为35~60 m,在x,y,z三个方向的均方根误差(RMSE)平均值分别为0.30 m,1.47 m,0.34 m。本文工作为水下垂向运动目标定位提供了一种技术途径,可为测量系统的论证设计提供参考。      

水下目标跟踪系统中的抗多途专家系统

众所周知，水下声信道是相干多途信道，信号在信道中的多径传播使得接收信号序列复杂化，因而极大地增加了信号处理的难度。对于水下目标跟踪系统，从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲是系统正常工作的必要前提。本文着重介绍了系统软件的核心部分——专家系统，它用于实时跟踪系统的数据预处理，负责在多途干扰背景中提取定位解算所需的有效信息。通过计算机仿真、松花湖试验和海上试验的验证，专家系统可以准确地挑选出直达脉冲和最佳解算阵元，因而确保了系统的定位精度与测深精度。     

非合作线谱声源分布式定位方法

非合作目标定位是水声定位领域的研究热点。为充分挖掘并利用各类可观测参数,提高非合作目标定位能力,本文提出一种基于目标频率变化信息的非合作目标定位方法。该方法针对匀速直线运动目标的定位问题,首先根据多普勒频移原理,建立观测频率与目标辐射频率、目标运动速度、位置之间的函数映射关系,利用最小均方准则建立目标函数,通过优化算法估计分布式定位系统中各个测量单元与目标运动轨迹的致近点距离,最后综合各观测节点的测距结果,构建几何定位模型,求得目标运动轨迹的解析解。本文通过仿真分析,证明了该方法的有效性,并指出了该方法需要目标通过与各测量单元的致近点才能获得较好的距离估计能力。文中分析了不同频率估计精度对定位精度的影响,结果表明,提出的定位方法对测频精度具有一定的容限,是一种高精度的非合作线谱声源定位方法。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

水下目标多平台协同定位和跟踪方法

提出了一种融合多平台方位观测数据的水下声学目标定位跟踪方法。该方法采用多级多假设跟踪对目标状态进行滤波和关联,第一级基于每个平台波束域检测结果独立使用多假设跟踪方法对目标方位角进行初级跟踪;第二级首先通过多平台联合似然概率估计多目标初始位置,再用多假设跟踪方法对不同平台初级跟踪的方位角航迹进行关联,最后通过关联的角度值和扩展卡尔曼滤波对多目标位置进行序贯估计。仿真结果证明,该方法能以更少计算量实现更优定位性能,优于单级多假设跟踪方法.海试数据处理结果表明,存在较多干扰的情况下,单级方法跟踪过程中丢失目标,而多级方法实现了对目标的全程跟踪,且收敛后定位误差在70m内。该方法可降低噪声干扰对数据关联及目标定位的影响,并通过多平台协同消除线阵的方位模糊,适用于移动多平台声学目标定位和跟踪场景。      

一种新型高速电影经纬仪

112高速电影经纬仪是一种新型的高速光电跟踪测量设备,可用于快速飞行目标的轨迹测量和姿态记录,单台完成定位,并有实时输出的功能。该设备与传统的电影经纬仪相比,具有明显的特点,它采用双反射镜跟踪的结构方式,减少了运动部分的惯量,并提高同步数据采集处理速率到200次/秒和高速同步摄影频率到200f/s,有利于高速跟踪测量。该设备采用电视跟踪、计算机程序控制、单杆操纵等多种跟踪方式,可根据不同的目标特性方便地选用或组合使用,可靠地完成对目标的自动捕获和跟踪测量,最大跟踪速度为90°/秒,最大跟踪加速度为90°/秒²。本文还介绍了该设备在靶场使用情况。     

基于组合线阵的近程运动小目标被动定位跟踪

针对水下运动小目标被动探测与定位问题,提出了分段组合子阵联合处理探测方法,各探测子阵采用相互垂直结构布局,克服了单阵方位模糊及无法定位等问题。研究了分段组合子阵的宽带最小方差无畸变失真响应近场聚焦目标定位方法,实现了近程蛙人等水下小目标被动高精度定位。在此基础上,采用卡尔曼滤波算法对目标运动轨迹进行预测估计,将目标定位信息与跟踪轨迹信息进行匹配,实现高背景噪音下的运动小目标的跟踪处理。理论分析及仿真结果表明,分段子阵联合处理能有效对水下运动小目标进行定位和跟踪,海试试验进一步验证了该方法的有效性。     

不等间距非直线三元阵在水声平面声源被动定位中的应用

根据实际实验环境和布放需求,在对称直线阵被动定位基本理论基础上,推导了不等间距非直线三元阵进行水声被动定位的精确显式公式,将非直线阵形误差角用于修正测距、测向过程,并采用平均法和卡尔曼滤波法对实测数据的中间处理结果和最终结果进行后置处理。海上试验结果验证了算法的正确性,在近距离有效范围内取得较为满意的目标定位结果。     

一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法

超短基线定位系统的定位精度和准确度是评价系统性能的重要指标, 通常采用固定点的定位重复度来评价定位精度, 采用其他解算方法作为真值参考评价定位准确度. 本文首先分析了以误差椭圆理论为基础的超短基线精度评价方法, 给出了理论推导公式, 证明了观测数据和理论误差椭圆的关系. 本文提出了一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法, 通过长基线交汇模型求解目标的真实位置评价系统的准确度. 根据该方法解算得到的待定目标位置作为真值参考, 能够反应系统误差的修正情况. 最后采用该方法进行海试数据处理, 处理结果表明该方法能够较好的反应定位精度, 进一步修正了系统偏差, 修正系统偏差后和修正前相比定位精度提高了0.2%, 具有良好的工程应用价值.     

Analysis and implementation of cross sync period underwater acoustical positioning techniques for underwater targets

I.IlltroductionWhenanactiveunderwateracousticalpositioningsystemissearchingforanunderwatertarget,itisnecessaryforittocompleteatransmittingandreceivingcycIewithineachworkingperiodinordertofindoutthelocationofthetargetcorrectly.Forexample,whenanunder-wateracoustica1synchronouspositioningsystemistrackinganunderwatertargetwithagivensynchr0nizingperiod,thepropagati0ntimeofthepositioningsignaltravellingfr0mthetaJrgettothearrayofthesystemshouldbelessthanthesynchronizingperiod0therwisetargetdis-tance…     

基于水声信道传播特性实现三元阵三维定位研究

三元阵通常被用来完成测距任务,要实现三维定位需要与其他设备合作或增加阵元数来完成。针对常规三元阵三维定位问题,本文基于水声信道传播特性,通过虚拟阵元实现三元阵的全方位被动三维定位;同时,本文通过对三元阵进行非直线布阵来解决直线三元阵对 轴方向定位的左右模糊问题,实现全方位三维定位。数值分析和仿真表明该方法能够很好的完成三元阵全方位三维定位问题,尤其对浅海近程目标。     

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

Underwater target localization using long baseline positioning system

The absolute position of an underwater target is difficult to pinpoint because the global positioning system (GPS) cannot penetrate water bodies. The long baseline (LBL) positioning system can extend GPS using high-precision calibrated underwater beacons as references. While traditional LBL systems give the target position without considering calibration error of deployed beacons. To solve this problem, we propose a method different from previous works, that combining the errors of observations together. We use GPS outputs as true values to evaluate the localization performance. An LBL system with four beacons was installed in deep sea to test the results. The positioning accuracy in deep sea improves nearly 5 m. The results suggest that beacon positioning errors have a great impact on localization precision, that is significant in high-precision positioning tasks.     

基于双目视觉的室内定位标定新方法

随着全球导航卫星系统的发展,位置服务日渐成为人们生活工作之中必不可少的一部分,越来越多的人习惯使用定位技术。随着室内导航应用需求的不断增加,基于多目视觉原理的室内定位导航技术已经成为目前很多技术领域的研究热点,并日趋成熟。在室内导航定位前,相机的标定过程是重中之重,标定精度对最终定位精度有着决定性作用。然而,当有气液界面存在时,由于视线在传播过程中发生折射,现有的线性标定技术不再适用,并成为制约室内特殊场景定位(如水下机器人作业)的主要技术障碍。针对有气液界面的条件提出了一种新的标定方法,对界面位置进行精确定位,并修正了线性针孔模型,能够有效解决有气液界面存在条件下不能准确标定的难题,克服了封闭体内测量时无法进行现场标定的困难。为验证标定方法的可行性与可靠性,进行了数值模拟,模拟结果显示,此方法误差较小,满足室内定位中的标定精度要求。     

基于通用数据采集卡的水声应答器设计

水声应答器(Acoustic Transponder/Responder)是一类常用的水声设备,主要功能是完成水下设备的定位和导航,广泛应用在水声系统测试、目标模拟以及水声科学试验中。本文以NI公司的PCI-6052采集卡和工控机构成信号处理模块,设计出了一种可灵活配置的水声应答系统(ESRAE,Extensible Sound Responder for Acoustic Experiments),通过环境噪声电平的跟踪估计和脉冲判决技术实现了复杂海洋条件下脉冲检测、回发功能,并在海洋水声信道测量试验中得到了成功的应用。     

基于深度约束的声速估算方法*

高精度的声速剖面数据是提高水下定位精度的关键。在无法精确获得声速剖面数据的情况下,该文提出了一种基于深度约束,同时根据浮标与水下目标的空间几何距离进行有效声速估算的方法。通过仿真模拟,将该文提出的方法与加权平均声速法、泰勒级数展开法和等效声速剖面法的定位结果进行对比分析。结果表明,新方法不需要依靠声速剖面数据,通过深度约束可有效地估算出声速值,其定位精度与等效声速结果相当,极大地提高了无声速剖面数据下的水下定位精度。     

基于声矢量传感器的分布式定位系统在水下宽带声源定位中的应用

提出了基于声矢量传感器的分布式浮标网络定位系统,研究了不同应用背景下单个声矢量传感器的测向算法,推导了目标DOA估计的Cramer-Rao界,给出了分层海水介质中多个声矢量传感器的几何定位算法。数值仿真结果表明:(1)系统的定位性能强烈依赖于接收信噪比;(2)该系统适用于单一强声源的定位。