基于誤差放大因子的多基地聲納定位誤差分析

李大龍，楊日杰，韓建輝

（海軍航空工程學(xué)院，山東　煙臺(tái)　264001）

基于誤差放大因子的多基地聲納定位誤差分析

李大龍，楊日杰，韓建輝

（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001）

摘要：研究了多基地聲納定位中的橢圓交叉定位與雙曲線交叉定位方法，由公式推導(dǎo)分析了輸入誤差對(duì)兩種定位結(jié)果的影響，給出了誤差放大因子的定義，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，比較了不同站位分置距離下，誤差放大因子的變化情況。同時(shí)，在相同陣型配置下，對(duì)比了橢圓交叉定位與雙曲線交叉定位的優(yōu)劣。結(jié)果表明，增大多基地各站址的分置距離，可以擴(kuò)大具有較好定位精度的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：基地聲納；橢圓交叉定位；雙曲線交叉定位；定位誤差；誤差放大因子

0　引言

多基地探潛系統(tǒng)的工作機(jī)制是：發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)，由多個(gè)接收機(jī)（如浮標(biāo)）接收潛艇目標(biāo)反射的回波信號(hào)［1～3]。目標(biāo)的位置信息可以由一些交叉定位的方法得到［4]。這種定位方法是建立在浮標(biāo)探測(cè)到目標(biāo)基礎(chǔ)上，根據(jù)浮標(biāo)信號(hào)/回波的波達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。由于聲納浮標(biāo)的位置誤差，目標(biāo)方位誤差和測(cè)量時(shí)間誤差等輸入誤差的存在，使得每次測(cè)量得到的目標(biāo)位置是不精確的［5]。為了使探測(cè)的信息有利用價(jià)值，定位誤差必須要足夠的小。

本文研究了多基地定位誤差與聲納浮標(biāo)位置誤差、方位誤差和時(shí)間誤差的關(guān)系，其主要目的是為了減小聲納浮標(biāo)的定位誤差，提高探測(cè)定位的精度。

圖1　橢圓交叉定位與雙曲線交叉定位示意圖Fig.1 The schematic diagram of el l iptic and hyperbol ic cross fixes

1　交叉定位原理

假設(shè)在一個(gè)多基地系統(tǒng)中，由一個(gè)主動(dòng)聲納作為發(fā)射器和兩個(gè)被動(dòng)聲納浮標(biāo)作為接收器，位置如圖1所示，分別為S、r1和r2，目標(biāo)的位置為T(mén)。

假設(shè)聲速c已知且為常數(shù)，聲線建模為直線，每個(gè)接收機(jī)能夠記錄從發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)直達(dá)波波達(dá)時(shí)間和從目標(biāo)反射回來(lái)的回波波達(dá)時(shí)間，于是得到下列時(shí)間差：

其中，tk代表回波到達(dá)第k個(gè)接收器的時(shí)間，tk，0代表直達(dá)波到達(dá)第k個(gè)接收器的時(shí)間。為第一個(gè)接收器與第二個(gè)接收器記錄回波的時(shí)間差，為第k個(gè)接收器記錄回波與記錄直達(dá)波的時(shí)間差。

由式（1）中的時(shí)間差可以得到目標(biāo)位置曲線方程：

式（2）定義了一條雙曲線，其焦點(diǎn)為r1和r2；式（3）和（4）定義了兩個(gè)橢圓，其中一個(gè)橢圓的焦點(diǎn)為S和r1，另一個(gè)橢圓的焦點(diǎn)為S和r2。

聯(lián)立式（3）和式（4），得：

通過(guò)式（5）完成定位的方法稱(chēng)為橢圓交叉定位法。

將式（2）與式（3）或式（4）聯(lián)立，得：

通過(guò)式（6）完成定位的方法稱(chēng)為雙曲線定位。

2　輸入誤差對(duì)交叉定位的影響

假設(shè)浮標(biāo)位置存在誤差，用S+dS，r1+dr1，r2+dr2代替浮標(biāo)的真實(shí)位置r1，r2，S，則求解出來(lái)的目標(biāo)估計(jì)位置T+dT應(yīng)滿足：

定義：

2.1橢圓交叉定位中的輸入誤差分析

在第一個(gè)線性近似系統(tǒng)中，式（7）等價(jià)于：其中

采用0m×n表示m×n的零矩陣，可以將式（9）寫(xiě)成矩陣形式有：

定義三個(gè)矩陣：

若F-1存在，則式（10）可以寫(xiě)為dT=F-1Qdq，且有：

其中A=QT（FFT）-1Q，為對(duì)稱(chēng)矩陣，其本征值為λk（k=1，…，6）。取相似變換矩陣M使得：

設(shè)構(gòu)成矩陣M的標(biāo)準(zhǔn)正交特征向量是有序的.定義誤差放大因子［6，7]為：

由上式可知：

其中，誤差放大因子ξ是由dS，dr1和dr2共同作用的，若式（7）中的dS和dr2為02×1，經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得到第一個(gè)接收器的誤差放大因子ξ1。同理可得第二個(gè)接收器和發(fā)射器對(duì)應(yīng)的誤差放大因子ξ2和ξ0。

引入向量dξ使得dq=Mdξ，代入式（13）得：

2.2雙曲線交叉定位中的輸入誤差分析

與雙橢圓交叉定位分析方法相似，有如下矩陣等式：

其中：

關(guān)于誤差放大因子ξ和λmax，與雙橢圓交叉定位有相同的形式。

3　仿真分析

對(duì)誤差放大因子ξ進(jìn)行數(shù)值分析需要下列方程：

聯(lián)立式（2）、（3）、（4）和（18）可得：

將式（19）代入式（11）和式（17）定義的矩陣F與Q.

仿真采用兩種參數(shù)進(jìn)行比較：

條件1：發(fā)射站坐標(biāo)S=（0，0）km，兩個(gè)接收站坐標(biāo)分別為r1=（-7，0）km，r2=（0，-7）km；

條件2：發(fā)射站坐標(biāo)S=（0，0）km，兩個(gè)接收站坐標(biāo)分別為r1=（-19，0）km，r2=（0，-19）km。

3.1橢圓交叉定位的誤差放大因子仿真聯(lián)立式（11）與式（19），得：

圖2　橢圓交叉定位方法中的誤差放大因子Fig.2 The er ror magni fication factor in the el l iptic cross fix

圖2中圓圈代表發(fā)射站坐標(biāo)位置，兩個(gè)方塊代表接收站坐標(biāo)位置，綠色方塊為r1位置，紅色方塊為r2位置。（a）為條件1的仿真結(jié)果；（b）為條件2的仿真結(jié)果。由圖2可以看出，相同配置陣型下，站位間不同分置距離所引起的誤差放大因子分布形狀一致，但取值相同的覆蓋范圍不同。具體地說(shuō)，對(duì)于給定的多基地浮標(biāo)陣型，增大多基地各站址的分置距離，可以擴(kuò)大具有較小誤差放大因子的區(qū)域。

3.2雙曲線交叉定位的誤差放大因子仿真

聯(lián)立式（17）與式（19）可得，當(dāng)k=1時(shí)，有：

當(dāng)k=2時(shí)，有：

圖3中的（a）與（b）都是在條件2下得到的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在相同的陣型配置，多基地各站址的分置距離相同的情況下，（a）與（b）中的兩類(lèi)雙曲線交叉定位在基線附近存在“盲區(qū)”，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的誤差放大因子數(shù)值很大，定位性能較差。再將圖3與圖2（b）作比較可以看到，在相同的陣型配置，多基地各站址的分置距離相同的情況下，橢圓交叉定位的誤差放大因子較小的區(qū)域要比雙曲線交叉定位的區(qū)域大。

4　結(jié)論

本文從橢圓交叉定位和雙曲線交叉定位的公式出發(fā)，分析和推導(dǎo)了輸入誤差對(duì)兩種類(lèi)型定位的影響，給出基于誤差放大因子分析定位性能的方法。通過(guò)仿真表明，對(duì)于給定的多基地浮標(biāo)陣型，增大多基地各站址的分置距離，可以擴(kuò)大具有較小誤差放大因子的區(qū)域。并且通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橢圓交叉定位要優(yōu)于雙曲線交叉定位。

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Analysis of the Mu ltistatic Sonar Positioning Errors Based on Error Magnification Factor

LI Da-long，YANG Ri-jie，HAN Jian-hui
（Naval Aeronau tical Eng ineering Institu te，Yan tai 264001，China）

Abstract：The elliptic and hyperbolic cross f xes in the multistatic sonar localization method is studied.By the formula derivation，the effect of input errors on the two positioning results is analyzed.We proposed the def nition of the error magnif cation factor，and compared the variety of error magnif cation factor for the same pattern conf guration but different separation distances by the simulation.Also the performance of the cross f xes between elliptic and hyperbolic is researched.The results indicate that the area where the error magnif cation factor is small can be enlarged by increasing the separation distance.

Key words：multistatic sonar；elliptic cross f x；hyperbolic cross f x；positioning error；error magnif cation factor