CN105929405B - 异步时钟下水下移动目标协同定位方法 - Google Patents

异步时钟下水下移动目标协同定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种异步时钟下水下移动目标协同定位方法，包括以下步骤：四个潜器在水面上通过GPS进行自定位和时钟同步；1号潜器下潜到一定深度后进行自定位，估计水流速度并广播给其他潜器，随后继续下潜；另外三个潜器收到水流速度信息后下潜，并周期性地广播HELLO；目标收到HELLO后发送定位请求；每个潜器接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收编号在它之前的潜器发来的时间戳，当它确认接收到全部的时间戳后，将自身记录的时间戳发送给编号在它之后的潜器和目标；目标接收到四个潜器发送的时间戳后，发送终止信息，并根据水流速度定位补偿，获取自身位置，定位结束。本发明可以在异步时钟及水流环境中，实现较高精度的目标定位。

Description

异步时钟下水下移动目标协同定位方法
技术领域
本发明涉及水声传感器智能感知与控制技术领域，尤其是一种异步时钟下的水下移动目标协同定位方法。
背景技术
水下目标定位，旨在通过水声传感网络的通信与数据处理能力，来获取水下目标的位置信息。这项技术广泛应用于海洋水文观测、海洋工程和海洋科考等领域。然而，水下环境中难以实现时钟同步，同时水流作用使得目标呈现动态演化特性，这些因素给水下移动目标的定位带来了很大困难。如何在异步时钟以及水流环境下解决水下移动目标的定位成为一个具有挑战性的问题。
经检索发现，申请公布号为CN103823205A的中国专利申请公开了“一种水下定位导航***和方法”，该方法通过四个时钟同步的四个布置位置、状态均随意的基站和一个水下导航接收机实现定位。基站通过向水中广播导航信号，然后用伪随机码对导航信号进行扩频，扩频码同时充当测距码，通过接收基站的导航信号，解算出自身位置实现定位。但考虑到实际水下环境中，严格的时钟同步难以实现。因此，在采用这种方法进行定位时，异步时钟会对基站与接收机间的通信产生较大的影响，使得获取的信息难以达到精度甚至失效，进而使得定位难以实现。
又经检索发现，申请公布号为CN104039010A的中国专利申请号公开了“一种无时间同步的环路辅助水下定位方法”，这种方法通过节点与水面锚节点的通信实现定位。其中每个节点通过发送一次HELLO消息与一次性测距消息，完成链路对称性探测以及获取对称链路长度。然后，水面锚节点发送一次自身坐标 信息，利用距离与坐标信息完成部分节点的定位。上述方法假定定位过程中节点静止，忽略了水流作用下节点的被动移动，这些被动位移会给定位结果引入较大误差。并且上述方法实现过程比较复杂，实现节点的定位比较困难。因此，如何在异步时钟以及水流环境影响下，设计水下移动目标的协同定位方法，以提高水下移动目标定位的准确性，显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，设计一种异步时钟与水流环境影响下的水下目标定位算法，以提高对水下移动目标定位的准确性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在水下环境中，随机部署四个移动潜器，并分别编号为1,2,3,4，潜器之间采用水声通信方式进行信息交互，每个潜器均配备深度探测计；
(2)四个潜器在水面上通过GPS获得自身位置和同步时钟信息，之后1号潜器下潜到一定深度，2,3,4号潜器通过到达时间差理论(TDOA)辅助1号潜器获得其x轴和y轴的信息，z轴可以通过深度探测计获取，进而1号潜器获得当前位置的信息，随后1号潜器结合之前在水面上获得的位置信息，对水流速度μ进行估计；
(3)1号潜器向2,3,4号潜器广播估计出的水流速度μ，随后继续下潜，并且通过获得的水流速度对自身实时位置进行更新；2,3,4号潜器收到水流速度后下潜，并周期性的对外广播HELLO，在下潜过程中，同样根据水流速度更新自身的实时位置；
(4)目标接收到“HELLO”后，同时向四个潜器发送定位请求，以定位目标位置(xs,ys,zs)，设定目标发送定位请求的时刻为tss，每一个潜器接收到定位请求 信息后，进入等待模式，等待接收编号在它之前的潜器发来的时间戳，当这个潜器确认接收到全部的时间戳后，将自身记录的时间戳发送给编号在它之后的潜器和目标；
(5)目标确认接收到四个潜器发送的时间戳后，分别记录下1,2,3,4号潜器发出的时间戳到达的时刻t1s、t2s、t3s、t4s，然后发送终止信息，终止定位过程；
(6)定位过程中，目标除了在自身动力作用下运动，同时受到水流的影响产生被动运动，在此，通过步骤(2)中估计的水流速度补偿目标的被动运动，并结合目标自身速度求得目标定位过程中的位移(Δxi,Δyi,Δzi)，已知目标与各潜器之间时钟异步，因此目标接收到的时间信息中各个时刻值存在偏差，为了消除这些时钟偏差，我们采用做差的方法，即对那些在同一时钟下的时刻值做差，这样就可以抵消时钟偏差；
(7)目标根据接收到的时间戳与位置信息获得目标与潜器、潜器之间的时延信息，考虑到噪声存在，并按噪声最小的原则，由相关时延信息和计算得的时刻差值可求得目标定位开始时的位置(xs,ys,zs)，再根据定位过程中目标的位移，可求得目标定位结束时的实时位置(Xs,Ys,Zs)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过对水流速度的估计获得目标在定位过程中因水流作用产生的位移量，从而补偿了定位过程中因水流影响产生的被动运动，提高了定位精度。
2、通过异步算法解决了目标与潜器间时钟不同步的问题，实现了对于目标的异步定位，从而克服了水下环境中时钟异步的影响。
3、仅通过潜器间的通信即可实现对目标的定位，摆脱了对水面基站的依赖，减少了传统定位方法中水面和水下因素对定位过程产生的影响，对水下环境有良好的适应性。
附图说明
图1是本发明方法对于水下移动目标定位过程的流程图。
图2表示定位过程中异步算法的实现过程。
图中：A代表目标发出定位请求的时刻tss，B代表目标接收到1号潜器发送的时间戳的时刻t1s，C代表目标接收到4号潜器发送的时间戳的时刻t4s，D代表1号潜器接收到定位请求的时刻ts1，E代表1号潜器发出时间戳的时刻t11，F代表4号潜器接收到定位请求的时刻ts4，G代表4号潜器接收到1号潜器发送的时间戳的时刻t14，H代表4号潜器发出时间戳的时刻t44，t代表目标和潜器的位置随着时间而变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
(1)在水下环境中，随机部署四个移动潜器，并分别编号为1,2,3,4。潜器之间采用水声通信方式进行信息交互，每个潜器均配备深度探测计。
(2)四个潜器在水面上通过GPS获得自身位置和同步时钟信息，之后1号潜器下潜到一定深度，2,3,4号潜器通过到达时间差理论(TDOA)辅助1号潜器获得其x轴和y轴的信息，z轴可以通过深度探测计获取，进而1号潜器获得当前位置的信息，随后1号潜器结合之前在水面上的位置Pl，通过公式： 对水流速度μ进行估计。式中V(t)为1号潜器的速度，tl为潜器下潜之前的时刻，tc为下潜到一定深度时的时刻，Pl为1号潜器在水面上的位置，Pc为下潜到的位置
(3)1号潜器向2,3,4号潜器广播估计出的水流速度μ，随后继续下潜，并且通过获得的水流速度对自身实时位置进行更新。2,3,4号潜器收到水流速度后下潜， 并周期性的对外广播“HELLO”。在下潜过程中，1,2,3,4号潜器在水下的位置均由以下公式更新：
其中，Pk为潜器在水下的位置，Pd为潜器在水面时的位置，tk为潜器在水下各个位置所对应的时刻，td为潜器在下潜之前的时刻，μ为已估计得的水流速度。
(4)目标接收到“HELLO”后，同时向四个潜器发送定位请求，以定位目标位置(xs,ys,zs)。结合图2所示，设定目标发送定位请求的时刻为tssA。每一个潜器接收到定位请求信息后，进入等待模式，等待接收编号在它之前的潜器发来的时间戳，当这个潜器确认接收到全部的时间戳后，将自身记录的时间戳发送给编号在它之后的潜器和目标。具体实现过程如下：
1号潜器在接收到定位请求的时刻ts1D接收到定位请求后，向2,3,4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts1、1号潜器发送时间戳的时刻t11E和1号潜器的实时位置(x1,y1,z1)；
2号潜器在接收到定位请求的时刻ts2接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1号潜器发来的时间戳，当2号潜器在接收到1号潜器发出的时间戳的时刻t12接收到时间戳后，向3,4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts2、t12、2号潜器发送时间戳的时刻t22和2号潜器的实时位置(x2,y2,z2)；
3号潜器在接收到定位请求的时刻ts3接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1,2号潜器发来的时间戳，当3号潜器分别在接收到1号、2号潜器发出的时间戳的时刻t13、t23接收到时间戳后，向4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts3、t13、3号潜器发送时间戳的时刻t33和3号潜器的实时位置(x3,y3,z3)；
4号潜器在接收到定位请求的时刻ts4F接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1,2,3号潜器发来的时间戳，当4号潜器分别在接收到1号、2号、3号潜 器发出的时间戳的时刻t14G、t24、t34接收到时间戳后，向4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts4、t14、t24、t34、4号潜器发送时间戳的时刻t44H和4号潜器的实时位置(x4,y4,z4)。
(5)目标确认接收到四个潜器发送的时间戳后，分别记录下1,2,3,4号潜器发出的时间戳到达的时刻t1sB、t2s、t3s、t4sC，然后发送终止信息，终止定位过程。
(6)定位过程中，目标除了在自身动力作用下运动，同时受到水流的影响产生被动运动，在此，通过步骤(2)中估计的水流速度补偿目标的被动运动，并结合目标自身速度求得目标定位过程中的位移(Δxi,Δyi,Δzi)：
其中，tis为目标接收到第i个潜器发回时间戳的时刻，tss为目标发出定位请求的时刻，V(t)为目标的速度，μ为已估计得的水流速度。
已知目标与各潜器之间时钟异步，因此目标接收到的时间戳中各个时刻值存在偏差，为了消除这些时钟偏差，我们采用做差的方法，即如图2所示的异步算法，对那些在同一时钟下的时刻值进行如下做差处理:
ΔTis＝(tis-tss)-(tii-tsi),i＝1,2,3,4
这样就可以抵消时钟偏差并得到两组值。其中，ΔTis为对目标和第i号潜器的时间戳进行做差获得的目标与第i号潜器时间戳的差值，ΔTki为对目标和第k号、第i号潜器的时间戳进行做差获得的目标与第k号、第i号潜器时间戳的差值，tss为目标发出定位请求的时刻，tis为目标接收到潜器发回时间戳的时刻，tsi、tsk为潜器接收到定位请求的时刻，tii、tkk为潜器向其他潜器和目标发送时间戳的时刻，tki为潜器间发送的时间戳到达的时刻，指代任意一个潜器。
(7)目标根据接收到的时间戳与位置信息获得目标与潜器、潜器之间的时延 信息，考虑到噪声存在，并按噪声最小的原则，由相关时延信息和计算得的时刻差值可求得目标发出定位请求时的位置(xs,ys,zs)，再根据定位过程中目标的位移，可求得目标定位结束时的实时位置(Xs,Ys,Zs)。具体公式如下
目标与潜器、潜器间的传输时延τsi、τki由以下公式得到：
其中，dsi为目标与潜器之间的距离，dki为潜器之间的距离,(xs,ys,zs)为目标的位置，(xk,yk,zk)、(xi,yi,zi)为潜器的实时位置。τsi为目标与第i号潜器之间的传输时延，τki为第k号潜器和第i号潜器之间的传输时延，C为声波在水中的传播速度。
考虑噪声存在的条件下，ΔTis、ΔTki与相关时延间存在如下关系：
ΔTis＝τsi+τ'si+wis
ΔTki＝τsk+τki-τsi+wki
其中wis、wki分别为目标与潜器、潜器之间的测量值的噪声与不确定值。τ'si为目标的实时位置与潜器的实时位置间的传播时延。
遵循噪声最小原则，目标位置由如下公式得出：
其中δ为潜器在相同的测量标准下，每次测量值具有的偏差。对于公式的求解采用穷举法。
最终，定位结束时目标的实时位置(Xs,Ys,Zs)由如下公式得到：
(Xs,Ys,Zs)＝(xs+Δx4,ys+Δy4,zs+Δz4)
其中(xs,ys,zs)为目标发出定位请求时的位置，(Δx4,Δy4,Δz4)为定位过程结束时 目标的位移量。
实施例一：当目标接收到四个潜器发送回的时间戳信息和各潜器的实时位置信息后，目标根据这些信息运行异步算法计算自己的位置。
由于各潜器之间、潜器与目标间时钟不同步，目标接收到的时间戳之间存在时钟偏差，为了消除这一影响，采用对相同时钟下的时刻值进行做差的方法：
ΔTis＝(tis-tss)-(tii-tsi),i＝1,2,3,4
再结合图2，在考虑噪声的条件下，建立上述所得的时间差值与潜器之间、潜器与目标间传输时延的关系：
ΔTis＝τsi+τ'si+wis
ΔTki＝τsk+τki-τsi+wki
最后将这些关系带入定位方程即可求得目标的位置。
由上所述的异步算法可以看出，该算法的实质是通过对同一时钟下的时刻值做差来消除时钟偏差，然后建立所得到的差值与潜器之间、潜器与目标间传输时延的关系，进而建立测量到的时刻值与潜器、目标的位置关系，以此来实现对目标的异步定位。该算法过程考虑到了噪声的影响，能够有效提高定位结果的精度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内 。

Claims (6)

1.一种异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在水下环境中，随机部署四个移动潜器，并分别编号为1,2,3,4，潜器之间采用水声通信方式进行信息交互，每个潜器均配备深度探测计；
(2)四个潜器在水面上通过GPS获得自身位置和同步时钟信息，之后1号潜器下潜到一定深度，2,3,4号潜器利用到达时间差信息辅助1号潜器获得其x轴和y轴的信息，z轴信息可以通过深度探测计获取，进而1号潜器获得当前位置的信息，随后1号潜器结合之前在水面上获得的位置信息，对水流速度μ进行估计；
(3)1号潜器向2,3,4号潜器广播估计出的水流速度μ，随后继续下潜，并且通过获得的水流速度对自身实时位置进行更新；2,3,4号潜器收到水流速度后下潜，并周期性的对外广播HELLO，在下潜过程中，同样根据水流速度更新自身的实时位置；
(4)目标接收到HELLO后，同时向四个潜器发送定位请求，以定位目标位置(xs,ys,zs)，设定目标发送定位请求的时刻为tss，每一个潜器接收到定位请求信息后，进入等待模式，等待接收编号在它之前的潜器发来的时间戳，当这个潜器确认接收到全部的时间戳后，将自身记录的时间戳发送给编号在它之后的潜器和目标；
(5)目标确认接收到四个潜器发送的时间戳后，分别记录下1,2,3,4号潜器发出的时间戳到达的时刻t1s、t2s、t3s、t4s，然后发送终止信息，终止定位过程；
(6)定位过程中，目标除了在自身动力作用下运动，同时受到水流的影响产生被动运动，在此，通过步骤(2)中估计的水流速度补偿目标的被动运动，并结合目标自身速度求得目标定位过程中的位移(△xi,△yi,△zi)，已知目标与各潜器之间时钟异步，因此目标接收到的时间信息中各个时刻值存在偏差，为了消除这些时钟偏差，采用做差的方法，即对那些在同一时钟下的时刻值做差，以抵消时钟偏差；
(7)目标根据接收到的时间戳与位置信息获得目标与潜器、潜器之间的时延信息，考虑到噪声存在，并按噪声最小的原则，由相关时延信息和计算得的时刻差值可求得目标定位开始时的位置(xs,ys,zs)，再根据定位过程中目标的位移，可求得目标定位结束时的实时位置(Xs,Ys,Zs)。
2.根据权利要求1所述的异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，对水流速度的估计方法如下：
式中V(t)为1号潜器的速度，tl为潜器下潜之前的时刻，tc为下潜到一定深度时的时刻，Pl为1号潜器在水面上的位置，Pc为下潜到的位置，μ为需要估计的水流的速度。
3.根据权利要求1所述的异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，求得水流速度后，1,2,3,4号潜器在水下的位置均可由以下公式得到：
其中，Pk为潜器在水下的位置，Pd为潜器在水面时的位置，tk为潜器在水下各个位置所对应的时刻，td为潜器在下潜之前的时刻，μ为已估计得的水流速度。
4.根据权利要求1所述的异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，具体过程如下：
1号潜器在接收到定位请求的时刻ts1接收到定位请求后，向2,3,4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts1、1号潜器发送时间戳的时刻t11和1号潜器的实时位置(x1,y1,z1)；
2号潜器在接收到定位请求的时刻ts2接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1号潜器发来的时间戳，当2号潜器在接收到1号潜器发出的时间戳的时刻t12接收到时间戳后，向3,4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts2、t12、2号潜器发送时间戳的时刻t22和2号潜器的实时位置(x2,y2,z2)；
3号潜器在接收到定位请求的时刻ts3接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1,2号潜器发来的时间戳，当3号潜器分别在接收到1号、2号潜器发出的时间戳的时刻t13、t23接收到时间戳后，向4号潜器和目标发送时间戳，该时间戳包含ts3、t13、t23、3号潜器发送时间戳的时刻t33和3号潜器的实时位置(x3,y3,z3)；
4号潜器在接收到定位请求的时刻ts4接收到定位请求后，进入等待模式，等待接收1,2,3号潜器发来的时间戳，当4号潜器分别在接收到1号、2号、3号潜器发出的时间戳的时刻t14、t24和t34接收到时间戳后，向目标发送时间戳，该时间戳包含ts4、t14、t24、t34、4号潜器发送时间戳的时刻t44和4号潜器的实时位置(x4,y4,z4)。
5.根据权利要求1所述的异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，目标从发送定位请求到接收到潜器发回时间戳这段时间的位移为(△xi,△yi,△zi)：
其中，tis为目标接收到第i号潜器发回时间戳的时刻，tss为目标发出定位请求的时刻，V(t)为目标的速度，μ为已估计得的水流速度；
对于目标接收到的时刻值，进行如下做差处理：
△Tis＝(tis-tss)-(tii-tsi),i＝1,2,3,4
其中，△Tis为对目标和第i号潜器的时间戳进行做差获得的目标与第i号潜器时间戳的差值，△Tki为对目标和第k号、第i号潜器的时间戳进行做差获得的目标与第k号、第i号潜器时间戳的差值，tss为目标发出定位请求的时刻，tis为目标接收到潜器发回时间戳的时刻，tsi、tsk为潜器接收到定位请求的时刻，tii、tkk为潜器向其他潜器和目标发送时间戳的时刻，tki为潜器间发送的时间戳到达的时刻，指代任意一个潜器。
6.根据权利要求1所述的异步时钟下水下移动目标协同定位方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，目标的最终实时位置(Xs,Ys,Zs)可通过如下公式获得：
目标与潜器、潜器间的传输时延τsi、τki由以下公式得到：
其中，dsi为目标与潜器之间的距离，dki为潜器之间的距离,(xs,ys,zs)为目标的位置，(xk,yk,zk)、(xi,yi,zi)为潜器的实时位置，τsi为目标与第i号潜器之间的传输时延，τki为第k号潜器和第i号潜器之间的传输时延，C为声波在水中的传播速度；
考虑噪声存在的条件下，△Tis、△Tki与相关时延间存在如下关系：
△Tis＝τsi+τ'si+wis
△Tki＝τsk+τki-τsi+wki
其中，wis表示目标与潜器之间的不确定测量噪声，wki表示潜器之间不确定测量噪声,τsk为目标与第k号潜器之间的传输时延，τ'si为目标的实时位置与潜器的实时位置间的传播时延；
遵循噪声最小原则，目标位置由如下公式得出：
其中δ为潜器在相同的测量标准下，每次测量值具有的偏差，对于公式的求解采用穷举法；
最终，定位结束时目标的实时位置(Xs,Ys,Zs)由如下公式得到：
(Xs,Ys,Zs)＝(xs+△x4,ys+△y4,zs+△z4)
其中(xs,ys,zs)为目标发出定位请求时的位置，(△x4,△y4,△z4)为定位过程结束时目标的位移量。
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