基于TDOA的水下长基线声学定位技术研究

论文总字数：32382字

摘 要

水下声学定位技术因其在军事和民事上广泛的应用而成为水下定位领域的研究热点，并且随着国内外在水下定位技术领域的理论研究和技术水平的不断扩充，目前的研究已经涉及水声工程、信号处理、信号检测、算法实现和软件设计等相关领域。论文针对复杂的水下环境，对水下声学定位系统中存在的关键技术展开研究。

论文首先介绍了水下声学定位技术的背景意义、应用领域，接着简述了目前国内外的研究现状和水下声学定位系统的几种基本定位原理，并通过对几种基本原理的分析及对比确定了选用时间差作为系统的定位计算方式。由定位原理的确定而引出了经典定位算法的分析，通过对几种典型定位算法优缺点的比较提出了一种优化的定位算法，并选取了均方根误差和误差标准差两个参数作为水下声学定位系统的精度评估指标。在此基础上，对基于时间差的定位估计的多种算法进行分析对比，并和基于Chan算法和泰勒级数展开法相结合的优化定位算法一起比较，在Matlab仿真环境下对算法进行了实现。

仿真实验表明，优化定位算法在实验环境中具有较高的定位精度和稳定性，能够满足实际系统的要求。

关键词：TDOA，长基线，声学定位，时延估计

ACOUSTIC POSITIONING TECHNOLOGY OF UNDERWATER

LONG BASELINE BASED ON TDOA

Abstract

Underwater acoustic positioning technology is a hot spot in the field of domestic and foreign research. It has been widely used in the field of science experiment and civil field. Due to the complexity and variability of the underwater environment, underwater acoustic positioning technology is one of the most challenging technologies in the world today. In this paper, we study the key technology of underwater acoustic positioning system, and get the general method of acoustic positioning technology.

At first, the paper introduces the study of underwater acoustic positioning technology research background and the reality guiding significance, then briefly describes the current domestic and foreign research status and underwater acoustic positioning system of several main positioning method by analysis of several common location methods compared the final selection of time difference location method for the parameters studied. By positioning technology determine and leads to the analysis of the typical localization algorithms, and select the two in the evaluation algorithm commonly used two parameters of typical localization algorithm accuracy and stability were evaluated. This premise, the time difference positioning technology parameters of several algorithms for the comprehensive analysis and comparison of and based on the Chan algorithm and Taylor series expansion method combining optimized localization algorithm together, under the environment of MATLAB simulation of the algorithm is implemented.

Simulation results show that the optimization algorithm has better stability and accuracy than the classical location algorithm in the simulation environment, and can be applied to engineering practice.

KEY WORDS: Time Difference of Arrival，Long Baseline;Acoustic Localization，Time Delay Estimation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 论文的研究背景及意义 1

1.2 水下声学定位技术概述 1

1.2.1 长基线系统 1

1.2.2 短基线系统 2

1.2.3 超短基线系统 2

1.3 应用领域 2

1.4 国内外研究现状 3

1.5 论文研究的主要内容 4

第二章 水下定位系统及定位技术 5

2.1定位系统概述 5

2.2水下定位原理 5

2.2.1到达入射角定位技术（AOA） 6

2.2.2到达时间定位技术（TOA） 7

2.2.3到达时间差定位技术（TDOA） 8

2.2.4几种定位技术精度比较 9

2.3影响水下定位精度因素分析 9

2.4本章小结 10

第三章 基于TDOA的水下声学定位算法分析 11

3.1 TDOA模型 11

3.1.1TDOA时延值的获得 11

3.1.2TDOA定位模型 11

3.2典型定位算法分析 12

3.2.1加权最小二乘法（WLS） 12

3.2.2 Chan 算法 13

3.2.3 Taylor序列展开法 17

3.2.4 Fang算法 18

3.2.5 SI算法 19

3.3一种新的基于Chan和Taylor的优化定位算法 20

3.4本章小结 21

第四章 水下声学定位算法设计及仿真 22

4.1水下目标定位算法流程图 22

4.1.1 经典定位算法流程图 22

4.1.2 优化定位算法流程图 22

4.2算法性能评估 23

4.3经典算法与优化定位算法精度比较及MATLAB仿真 24

4.4本章小结 35

第五章 研究结论 36

5.1论文完成的任务 36

5.2不足与展望 36

致谢 37

参考文献：（References） 38

第一章 绪 论

1.1 论文的研究背景及意义

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