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原文传递基于Wave Glider平台的目标定位方法研究

论文题名：	基于Wave Glider平台的目标定位方法研究
关键词：	波浪滑翔机;声呐平台;目标被动定位;扩展卡尔曼滤波
摘要：	随着水声学者对海洋目标信息需求的增多，基于“集群”的声呐平台研究逐渐受到水声学者的重视。波浪滑翔机(Wave Glider,WG)作为一种新型的海洋移动观测平台，可实现长时间、远距离的海洋观测，并且其自噪声低，是一种理想的声学搭载平台。由于WG自身能力的制约，搭载其上的声学系统要求不宜过大且不能过重，因此小尺度阵成为一种较佳的WG声呐选择。本文的研究目的是基于搭载在WG平台的小尺度四元标量阵开展目标被动定位技术研究，为目标的深层确认提供更多的信息。　　首先，考虑到四元阵在设计过程中，水听器的幅频、相频不一致，接收通道滤波放大单元的幅频、相频不一致，以及阵元位置误差等因素都将导致接收信号幅度和相位误差，相关因素的存在将引起目标方位解算误差。因此本文首先从目标方位估计方法出发，研究了声强估计法和互谱法测向基本原理，并数值仿真分析相关测向性能;接着进行了理论和数值仿真分析分别引入阵元位置误差和幅相误差时测向与目标频率、方位角以及阵元间距对两种测向方法的影响;之后研究基于辅助源的阵校正方法原理，并通过数值仿真证明和海试数据验证该方法的有效性，为接下来基于目标方位的WG平台定位技术研究奠定基础。　　其次，单WG平台利用目标方位信息进行目标定位时，一般要求观测平台至少作一次有效的机动。针对这一问题，本文从基于声场特征的目标径向速度估计方法出发，通过数值仿真给出了不同线谱频率在不同目标速度时利用线谱相位声场特征估计径向速度的最佳时间间隔。在此基础上，研究了方位-径向速度联合估计的扩展卡尔曼滤波（Bearing-Velocity Extended Kalman Filter,BVEKF）目标定位方法，以克服观测平台机动的要求，并通过数值仿真和海试数据验证了BVEKF法可定位出目标位置。　　最后，相比于静止观测平台，一方面移动平台自身坐标在观测过程中随时间变化，选用什么样参考坐标有利于提高定位精度是一个值得探讨的问题;另一方面，移动平台的目标方位估计结果随着目标与观测平台之间的相对距离发生变化，进而导致BOT定位结果发生改变，选用什么样的BOT定位策略亦是值得研究的问题。本文针对WG“集群”探测中出现的典型站形配置（一般以三角型、直线型为两种常见的形式），开展了观测平台数目、阵型几何配置等因素对多WG平台目标定位性能的数值仿真研究。将全局最小二乘(TLS)应用于多WG平台定位，通过理论研究和数值仿真分析得到当笛卡尔坐标原点选择在多WG平台几何中心处时可使估计偏差最小化，即有利于提升多WG目标定位性能;针对BOT定位策略问题，采用了目标速度修正的定位方法，并与传统BOT、目标位置速度联合估计、纯方位扩展卡尔曼滤波方法(Bearing-Only Extended Kalman Filter,BOEKF)进行数值仿真和海试数据处理对比，结果表明目标速度修正的定位方法性能相对更佳。
作者：	赵冲
专业：	船舶与海洋工程
导师：	师俊杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021