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基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)架構(gòu)概述

水下定位系統(tǒng)根據(jù)陣列定位基線的長度分為三類:長基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng),這三類系統(tǒng)各有利弊。長基線陣列可以獨立于水深實現(xiàn)高精度定位;超短基線定位系統(tǒng)優(yōu)點為短程定位精度高、尺寸小、重量輕、安裝方便,其缺陷之處在于定位精度與斜距有關(guān),距離越遠定位精度越低。

本系統(tǒng)擬采用長基線實現(xiàn)水下聲源的三維坐標位置追蹤,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如下所示:

基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

本方案選項使用某公司數(shù)據(jù)采集平臺構(gòu)建。配合嵌入式控制器、高速率信號采集模塊采集水聽器信號,GPS模塊實現(xiàn)GPS位置與GPS絕對時鐘同步,實現(xiàn)多個分布式終端之間的時鐘信號同步采集,進而實現(xiàn)多水下三維追蹤運算。

其中,多個Target分布式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲,追蹤運算在上級系統(tǒng)的堅固型服務(wù)器上進行,堅固型計算機與各個終端之間通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

分布式采集基站與處理服務(wù)器陣列分布示意圖

為了提高空間定位精度,各個采集基站分布如上圖所示,組成3*2的陣列冗余采集分布,采集基站之間距離約為150m到200m左右。每個采集基站同步采集三個水聽器信號,每兩個水聽器水深差距約為50m到100m,整體系統(tǒng)成一個3*3*2的三維陣列,從而實現(xiàn)被測對象的三維定位。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

TDOA算法原理示意圖

軟件核心部分選用TDOA算法,TDOA定位是一種利用時間差進行定位的方法。通過測量信號到達監(jiān)測站的時間,可以確定信號源的距離。利用信號源到各個監(jiān)測站的距離(以監(jiān)測站為中心,距離為半徑繪制圓或者球),就能確定信號平米或者空間的三維坐標位置。

潛水水聽器的排布注意事項

多個采集站點分布呈現(xiàn)2*3的矩形陣列方式排布于水面,每個采集基站同步采集三個下沉到不同的深度的水聽器信號,系統(tǒng)運行時候共有3*(2*3)=18個通道的水聽器信號被同步采集。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

水聽器水下矩陣分布示意圖

由于該系統(tǒng)是通過TDOA算法為基礎(chǔ)來定位水下目標的坐標,該算法的最基礎(chǔ)就是聲源的信號到達不同水聽器的時間是有一些時間差的。為了能夠正確的捕捉到該具有時間差(波形相位差)的信號,就需要確保兩點:

(1)各個基站之間信號采集是要同時開始,且節(jié)拍一致。這一部分通過GPS信號同步可以實現(xiàn),同步精度可以達到100ns,完全滿足系統(tǒng)要求。

(2)連接各個水聽器到采集板卡的信號線纜長度需要一樣。電信號雖然速率很快,但長距離傳輸還是會引入部分誤差,這一部分很容易被忽略,需要特殊注意。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

(a)多通道分布式高速采集同一瞬態(tài)信基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

(b)不同位置采集結(jié)果放大后對比(短時時延)

某短時時延信號脈沖信號不同高速采集展示

精確定位系統(tǒng)中多徑效應(yīng)干擾及多普勒效應(yīng)分析

1、多徑效應(yīng)原理及影響分析

在基于水聲信號的主動定位系統(tǒng)中,用于定位的聲音頻段一般是幾kHZ到幾十kHZ,由發(fā)射器輸出聲音信號,然后用水聽器陣列來計算聲源的位置。如果不考慮煤質(zhì)邊界影響,水聲信號的傳播條件主要視聲速度場的狀況而定。聲速場的參數(shù)又取決于水體中每一點的溫度、鹽度和壓力值分布情況,同時水體的物理場的時空變化也會導(dǎo)致聲速場的相應(yīng)變化。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

聲速與水深典型分布參考曲線

影響聲波傳輸?shù)囊蛩兀劫|(zhì)本身聲散射層、聲速躍變層、含氣泡的表面水層之外,還有其邊界即海面、海底對聲波傳播的影響。在分析水聲信號時,通常視海水聲速場為分層非均勻媒質(zhì),而分層非均勻媒質(zhì)各層中聲速不等,當(dāng)聲速不同的各層邊界變遷時,聲線軌跡發(fā)生彎曲,即所謂的聲線折射現(xiàn)象。聲線的軌跡向聲速值較小的那一層彎曲。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

淺水區(qū)域聲道跨度D、掠射角X與深度Z之間的關(guān)系示意圖

非均勻媒質(zhì)中非均勻性隨著時間和空間起伏變化,輻射聲線彎曲(折射)的性質(zhì)也隨之不斷地發(fā)生變化,小規(guī)模非均勻性和媒質(zhì)的垂直層化都將導(dǎo)致垂直面上產(chǎn)生聲束折射。另外還有海面、海底對聲波信號的反射作用,使得到達接收點的聲線不只一束,而是若干束折射或媒質(zhì)邊界反射的聲線。

因此,可在接收點上觀察到聲線數(shù)量及其入射角大小不斷變化的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為信號多徑傳播效應(yīng)簡稱多徑效應(yīng)。在實際條件下,到達接收點的信號與發(fā)射信號差別很大,而到達接收點上的入射波束數(shù)和波束的時間間隔,即多徑效應(yīng)的強弱,主要取決于聲源和聲接收器的相對位置,以及它們與媒質(zhì)邊界的相對位置。

2、多普勒效應(yīng)估算

多普勒效應(yīng)Doppler effect是為紀念奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高(藍移blue shift);在運動的波源后面時,會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長,頻率變得較低(紅移red shift);波源的速度越高,所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

多普勒效應(yīng)原理示意圖

在本系統(tǒng)中,被定位單元預(yù)計運動速度在25m/s以內(nèi),而水聲速度假定為1000m/s,工程上可以認為運動速度“遠小于”水聲傳播的速度,計算時候?qū)⒍嗥绽招?yīng)忽略。

3、猝發(fā)模式白噪聲

多徑效應(yīng)主要引起平滑衰落,其表現(xiàn)形式為隨機時間間隔內(nèi)信號振幅完全消失或急劇降落。信號的相位失真與海洋媒質(zhì)的時空特性有關(guān), 與振幅變化的關(guān)系卻不明顯。水聲信號的振幅和相位失真還伴隨有頻率失真。其中,相位失真程度將直接影響三維定位的精度。

為了盡量減小多徑效應(yīng)等多種信號干擾情況,發(fā)聲單元信號以猝發(fā)白噪聲方式發(fā)聲為佳,猝發(fā)白噪聲為模式如下圖所示。一般情況下,猝發(fā)周期可以設(shè)置為0.3~1S左右,持續(xù)時間設(shè)置為0.05~0.5S左右,具體周期參數(shù)與發(fā)聲單元特性和項目最終需求為準。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

猝發(fā)激勵示意圖基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

發(fā)聲信號波形示意圖基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

接收到的信號(處理后)

水聲信號示意圖

分布式采集基站同步原理及精度分析

1、信號同步采集機制介紹

系統(tǒng)同步采集與我們常規(guī)上的同時采集不同,它不僅僅是要同時開始,還需要開始之后,每一個數(shù)據(jù)點都是對齊的。通過共享定時和同步可以實現(xiàn)系統(tǒng)同步,能大大提高測量精度,實現(xiàn)高級觸發(fā)方案,或者將多個設(shè)備同步作為一臺整體設(shè)備運行,適用于需要極高通道數(shù)、或者分布式終端采集的應(yīng)用。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)采樣同步原理

(1)系統(tǒng)時基對齊

時基就是時間基準的意思,電子線路中主要用來表示數(shù)字電路中的基準時鐘;系統(tǒng)時基決定特定采集或者運算的節(jié)奏。時基信號對齊,可以使得不同的系統(tǒng)終端信號節(jié)拍一致,不會由于運行時間過長而產(chǎn)生累積誤差。

如果兩個系統(tǒng)共享時基,或者時基完全對齊,就可以保證系統(tǒng)運行終端同步穩(wěn)定。

(2)系統(tǒng)共享觸發(fā)

觸發(fā)類似一個通知信號,當(dāng)各個終端接收到觸發(fā)信號之后,就開始采集;只要保證觸發(fā)信號能夠同時到達不同的系統(tǒng)終端,就能保證每個終端的開始是完全對齊的。

觸發(fā)信號一般以物理上升沿電平最為常見、實用;當(dāng)終端接收到觸發(fā)信號之后,就開始在下一個時鐘周期開始的時候,正式采集信號。

只要能夠保證分布式終端共享時基(或者同步時鐘信號),然后再去讓這些終端在某一個時刻開始采集,就能夠保證每個采集得到的點在時間上都是對齊的。這樣的采集過程才是我們所說的同步采集,才能保證系統(tǒng)同步精度和運行的穩(wěn)定性。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

常見同步性能指標對比

以上圖中展示了幾種常見的同步方式的同步精度介紹,不同的同步方式,所能達到的精度不同。以同步實現(xiàn)方式而言,大致可以分為兩類:

(1)基于信號的同步

(2)基于時間的同步

2、基于信號的同步機制

基于信號的同步機制中最典型的就是PXI機箱內(nèi)部的同步方式。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

PXI機箱定時與同步原理示意圖

3、基于GPS時間的同步:本系統(tǒng)采用基于GPS時鐘的同步方式

GPS同步是以GPS衛(wèi)星系統(tǒng)為絕對時間基準的定時實現(xiàn)方法,它提供一個準確的參考時間,將多個獨立的系統(tǒng)的時間同步在一起。GPS信號實現(xiàn)的同步是基于時間同步的典型代表,除此之外,還有1588等其他更多的同步機制。

(1)GPS同步 – 開始采集

由于每一個系統(tǒng)終端中可以通過GPS讀取到當(dāng)前的絕對時間,因此,可以設(shè)定一個時刻(比如:15:30:15.000開始采集),系統(tǒng)就不斷的去判斷時間是否到了設(shè)定時刻,當(dāng)?shù)竭_時刻之后,就開始采集。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

獲取當(dāng)前絕對時刻

(2)GPS同步 – 時鐘同步

每一個終端雖然可以通過GPS絕對時刻值來控制終端觸發(fā)開始,實現(xiàn)同一時刻開始采集,但僅僅這樣還是不夠的。系統(tǒng)同步除了觸發(fā)之外,還需要一個同步時基,保證后續(xù)采集的節(jié)拍一致,不會產(chǎn)生累積誤而同步效果。

因此,每一個終端還需要有一個時鐘對齊功能,不斷將自己的采樣時鐘信號與GPS信號中的時鐘去對齊,從而控制后續(xù)每個終端的節(jié)拍都與GPS信號一致。以NI 9467為例,它則在FPGA中提供了一套對齊機制,保證各個終端后續(xù)采集同步。基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

采集基站時鐘與GPS對齊

軟件系統(tǒng)工作邏輯定義

依據(jù)需求,定制軟件系統(tǒng),實現(xiàn)水下目標的三維軌跡定位。由于分布式采集站點距離較遠,雖然可以建立wifi網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)各個終端之間以及終端與服務(wù)器之間的互通互聯(lián);但由于信號衰減,wifi網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)所有通道數(shù)據(jù)的實時上傳。這種情況下,可以設(shè)計以下離線定位模式,先采集數(shù)據(jù),然后再離線上傳計算運動軌跡,系統(tǒng)大致運行邏輯如下:基于長基線定位(TDOA)的水下三維坐標追蹤系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)軟件工作(離線定位)邏輯定義

如果希望實現(xiàn)實時定位,可以組建有線網(wǎng)絡(luò),或者設(shè)法增強無線網(wǎng)絡(luò)帶寬即可。有線網(wǎng)絡(luò)的解決方案一般有光纖網(wǎng)絡(luò)可以選擇,除了必要的通信部件之外,在網(wǎng)絡(luò)接口部分需要做相應(yīng)的防護。增加無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的方式是使用定向天線或者增加網(wǎng)絡(luò)中繼、或者增加無線發(fā)射器的功率,具體情況考慮項目實施的各個因素,選擇最優(yōu)方式即可。不過一般情況下,搭建有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的成本較高。

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