基于矢量水听器测向交汇的浮标定位系统设计

　　水声工程领域，常需要在较大范围内测量噪声目标的大地坐标。被动测量技术利用目标本身辐射的信号进行位置估计，有相当强的通用性和隐蔽性;同时，对连续噪声信号进行测量，可以获得比主动定位更高的数据率[1]。

　　三元阵定位是一种应用广泛的被动定位方法[2]，通过测量信号到达各个基元的时间差(TDOA)，计算目标的方位和距离。该方法由于基阵孔径和信号空间相关性的矛盾，作用距离有限，不适于对大范围内目标的测量。

　　从本质上，三元阵时间差定位也可看作双基元定向，双向交汇测距。随着矢量换能器[3,4]技术和卫星定位技术的成熟应用，采用单浮标矢量换能器实现对噪声信号的定向，多浮标定向交汇实现对目标的定位。

　　1定位系统的总体结构

　　定位系统由3部分组成：浮标分系统、主控分系统和辅助设备。系统组成如图1所示。

　　其中，浮标分系统由若干功能相同的测量浮标组成，每个浮标从功能上分为矢量水听器、罗经、DGPS、数据处理单元和无线电通信几部分。矢量水听器被动接收噪声信号，测量目标方位;罗经提供矢量水听器相对于大地坐标的三轴偏移，用于坐标变换修正;DGPS实现对浮标的定位，获得不同浮标之间的基线尺度;数据处理单元完成对水听器、罗经和GPS数据的采集存储，并通过无线电通信向主控分系统传输，同时接收主控的各种控制指令。主控分系统由主控计算机、DGPS和无线电通信组成，主要完成系统参数设置、定位解算、轨迹显示和数据存储，并通过无线电通信实现对浮标工作状态的控制和检查。系统辅助设备有电信号模拟和声信号模拟两部分，其中，在实验室条件下通过电信号模拟对浮标的数据处理单元、无线电通信和主控分系统进行自检;在海上工作条件下，利用声信号模拟对全系统功能进行检查。

　　2定位系统的关键技术

　　2.1 矢量传感器高精度方位估计

　　保证测量精度，必须提高矢量传感器的测向精度。 采取的主要技术措施有：

　　1)矢量信号预处理。 对于同一个矢量传感器，其声压和振速灵敏度不同，振速灵敏度随频率而变化，且声压与振速相位差的频率特性不同，必须分别予以补偿。

　　2)优化测向信号处理算法。 采用平均周期图加权互谱算法，对方位序列进行平均。

　　3)控制矢量传感器制造工艺及测试流程，优选矢量传感器。

　　4)在矢量传感器工作频段内，对多频点性能参数做精密测量。

　　2.2 时空关联技术

　　由于浮标阵基阵尺寸较大，目标可能在阵内或阵外，噪声信号传播到各个浮标的时间差较大。 对于运动目标，各浮标测量阵元在同一时刻测得的目标方位，并不对应于目标的同一位置，因此，用各阵元在相同时刻测得的目标方位计算得到的目标位置是有偏差的。 为此，在进行定位解算时，需要对目标方位数据进行时空关联[5]，找到目标同一时刻发出的信息在不同浮标数据方位序列中的位置，即对方位序列进行迭代运算实现时间关联，再用关联后的方位数据计算目标轨迹。