[發明專利]基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度估計方法

有效

• 申請號: 201910677308.2
• 申請日: 2019-07-25
• 公開（公告）號: CN110501694B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 李德識;黃威;陳健;劉鳴柳;孟凱濤;陳浩樂
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S11/14
• 分類號: G01S11/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

1.一種基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，設當前進行第k次定位，建立基于到達時間差TDOA的定位模型，獲得第k-1次定位過程中水下的傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，計算第k-1次定位過程傳感節點定位位置；

步驟2，根據步驟1所得傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，以及第k次定位過程傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，測量多普勒頻移；

步驟2實現方式如下，

設第k次定位過程中，傳感節點p發送定位請求信息時刻為待定位位置為參考浮標節點b_n接收定位請求信息時刻為參考位置為參考浮標節點b_n發送定位響應信息時刻為傳感節點p接收參考浮標節點b_n的定位響應信息時刻為

根據步驟1得到在第k次定位過程傳感節點p的定位位置估計值在第k次定位過程和第k-1次定位過程中，傳感節點p發送定位請求信息時間差為發送定位請求信息頻率為參考浮標節點b_n接收定位請求信息時間差為接收定位請求信息頻率為傳感節點p和參考浮標節點b_n之間與定位請求信息相關的多普勒頻移為，

其中，表示節點相對位置靠近，表示節點相對位置遠離；

步驟3，根據步驟2所得多普勒頻移測量值，以及第k-1次定位過程和第k次定位過程中參考浮標節點實際運動速度矢量，計算傳感節點實際運動速度矢量在第k-1次定位過程中傳感節點位置與參考浮標節點位置連線上的投影分量；

步驟3實現方式如下，

在第k次定位過程和第k-1次定位過程期間，參考浮標節點b_n實際運動速度矢量為：

參考浮標節點b_n實際運動速度矢量在第k-1次定位過程中傳感節點p估計位置和參考浮標節點b_n的參考位置連線上的投影為：

其中為傳感節點p估計位置和參考浮標節點b_n參考位置連線與水平面的夾角，

在第k次定位過程與第k-1次定位過程中，由于傳感節點和參考浮標節點隨水流被動運動速度較慢，在時間內，被動運動距離遠遠小于傳感節點和參考浮標節點之間的距離，構成遠場條件，定位請求信息傳播軌跡近似平行；

定位請求信息傳播路程差為：

其中為傳感節點p實際運動速度矢量在第k-1次定位過程中傳感節點p的估計位置和參考浮標節點b_n的參考位置連線上的投影分量；

定位請求信息傳播相位差為：

其中為通信載波波長，c為聲速，f為載波頻率，式(13)的多普勒頻移的第二種表示為：

聯合式(17)(18)(19)，得到傳感節點p實際運動速度矢量在第k-1次定位過程中傳感節點p的估計位置和參考浮標節點b_n的參考位置連線上的投影分量的計算表達式：

步驟4，根據步驟3所得傳感節點和各參考浮標節點之間的實際運動速度矢量的投影分量，估計傳感節點從第k-1次定位過程到第k次定位過程的實際運動速度矢量；

步驟4實現方式如下，

將步驟3所述傳感節點p實際運動速度矢量的投影分量寫為矢量形式：

其中為的絕對值，為第k-1次定位過程中傳感節點p的估計位置和參考浮標節點b_n的參考位置連線上的單位方向矢量，取值為：

其中分別為坐標軸x,y,z方向的單位向量；

經過傳感節點p所在位置且與傳感節點p實際運動速度矢量的投影分量垂直的平面方程的一般表達式為：

其中為平面方程參數，x,y,z表示坐標軸，平面方程法向量可表示為：

傳感節點p實際運動速度矢量的投影分量實質上為滿足式(23)的平面的一組法向量，令

則平面方程參數為：

平面方程的一般表達式(23)經過傳感節點p實際運動速度矢量的投影分量的端點以矢量形式表示為：

將矢量端點表示的坐標代入平面方程的一般表達式(23)，得到平面方程參數

當n＝1,2,...,N時，將多組平面方程以矩陣形式表達：

其中為平面方程參數矩陣，為平面方程交點，是傳感節點p以位置為起點的實際運動速度矢量的終點，表示為：

所涉及的節點需要滿足節點位置約束條件：至少有3個參考浮標節點不位于同一直線上；以最小二乘法求解式(29)，得到傳感節點p以位置為起點的實際運動速度矢量估計值的終點坐標

其中，Ψ為待求參量，包含傳感節點p水平位置信息；

在第k-1次定位和第k次定位期間，傳感節點p的實際運動速度矢量估計值為：

步驟5，根據步驟4所得傳感節點實際運動速度矢量估計值，得到第k次定位過程到第k+1次定位過程期間傳感節點實際運動速度矢量預測值，并預測節點實時位置，直到新的定位過程開始；

步驟5實現方式如下，

在第k次定位和第k+1次定位期間，傳感節點p的實際運動速度矢量預測值為：

在第k次定位和第k+1次定位期間，傳感節點p的定位預測值為：

其中為第k次定位傳感節點p的定位估計值，為傳感節點p在其發送定位請求信息時刻后經過的時間，當滿足時，表示傳感節點p第k+1次定位和第k次定位之間的任意時刻；

步驟6，返回步驟1，循環執行步驟1-5進行下一次定位，持續進行運動速度估計。