基于正交移动双水下自主潜航器的水下合作目标定位方法

利用水下自主潜航器(AUV)定位是水下大区域静止目标定位主要方法之一.针对单AUV定位存在的定位周期长,定位覆盖区域低,长时间定位误差累积大的缺陷,该文提出一种基于正交运动的双AUV的静止目标定位方法.每个AUV通过自身携带的惯性导航系统(INS)和多普勒计程仪进行自身定位,并在多次运动过程中通过与静止目标间的通信时延...     

基于主从式水下自主航行器移动组网的合作目标定位方法

利用水下自主航行器(AUVs)协同编队可以在未知水域中实现对目标的定位。针对AUV导航误差导致定位精度降低问题,该文提出一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的多AUV编队融合观测协同目标定位算法。AUV编队由一个装备有高精度惯性导航系统(INS)的领航AUV以及多个装配有低精度INS的跟随AUV组成。从跟随AUV中选取参考AUV和待测AUV,通过设置定位周期和观测间隔来分别对其进行不同的观测。参考AUV作为中转,接收来自高精度AUV位置参数后,向待测AUV传递自身位置参数,利用扩展卡尔曼滤波器完成对AUV集群的协同位置修正。仿真结果表明,该方法AUV集群自身定位精度高且误差随时间积累小,对领航AUV数量需求少,能够实现水下目标低功耗、远距离定位。     

面向水声传感网的自主水下航行器辅助定位动态路径规划

水声传感器网络(UASNs)节点由于洋流等因素长时间作用会出现位置偏移,故需要修正其位置信息。在水声传感器网络节点定位中将自主式水下潜器(AUV)作为移动锚点辅助定位可有效降低定位成本,但在AUV辅助定位过程中AUV的能量利用率仍有待提升。为了进一步提高AUV的能量利用率,该文提出一种面向水声传感网的AUV辅助定位动态路径规划方法。该方法中将节点位置修正过程看成节点位置信息熵减少的过程。在AUV动态路径规划时根据定位过程的节点位置信息和预计AUV能耗,规划AUV下一步移动目标位置。使用贪婪算法选取使信息增益期望和移动消耗能量比值最大的位置作为AUV下一步移动目标位置。仿真结果表明,该算法能够在保证节点定位精度的基础上有效提高AUV能量利用率。     

基于单目视觉的AUV 实时定位算法研究

在未知的环境中,自主水下航行器(AUV)运动未知的情况下,采用单目视觉不能对路标进行完全定位,存在尺度漂移。针对这种情况,研究了融合声纳测距信息的AUV定位方法,建立了AUV的运动模型,路标的初始化模型及相机的测量模型,采用扩展卡尔曼滤波对AUV位置进行估计;为了提高定位算法的实时性,提出了基于预测的特征匹配与误匹配点去除算法,既提高了匹配的效率,又提高了匹配的正确率。实验结果表明,该算法定位较准确,实现了AUV的三维定位。     

基于改进小波变换的MEMS陀螺信号去噪算法

为提高MEMS陀螺仪测量精度,抑制测量噪声对其造成的影响,该文分析了某型号MEMS陀螺仪误差特性,提出基于递归最小二乘法(RLS)多重小波分解重构的强追踪自反馈模型,建立新的软阈值函数。由于模型处理后的数据带有部分奇异值,该文提出了一种改进的中值滤波算法。对于陀螺仪零偏噪声问题,提出零偏不稳定性抑制算法,并对该算法模型进行了详细的描述。将某项目研究中列车姿态测量系统的实验数据应用到该算法模型中。测试实验分为静态、动态两组,其结果均表明：该算法减小了信号中的噪声,有效地抑制了MEMS陀螺仪随机漂移,提高了姿态解算的精度。肯定了该算法对陀螺仪输出信号噪声去除,以及使用精度提升的可行性和有效性。

     

The Distributed Flight Array

The Distributed Flight Array is a multi-rotor vehicle that is being developed at ETH Zurich. This vehicle consists of autonomous single-rotor modules that are able to drive, dock with its peers, and fly in a coordinated fashion. These modules are organized as distributed computational units with minimal sensory input. Experimental demonstrations in docking, driving, and flying have proven its feasibility as a research platform for investigating techniques in distributed estimation and control.     

采用单水听器的匀速圆弧运动直升机三维参数估计算法

针对空中匀速圆弧运动目标激发的水下声信号,该文采用单水听器解决该动目标3维运动参数的估计问题。首先以直升机离散线谱为声源特征,在空气-水介质中建立声源线谱特征在匀速圆弧运动下3维多普勒传播模型。然后根据多普勒频移曲线、声源运动模型以及声线传播几何关系,选取3个时间观测点计算目标多普勒频移,推导了单水听器估计空中匀速圆弧运动声源的3维参数估计算法。最后,通过仿真单水听器所接收的水声信号,验证了该算法估计匀速圆弧运动声源飞行参数的有效性和精度。     

强干扰环境下水声时延估计技术研究

水声定位系统是现代深海作业必备的高精度水下定位装备,精确的时延估计是实现高精度水声定位的基础,但由于信号远距离传输以及强干扰的影响,水声定位系统时延估计精度较低。针对此问题该文提出一种基于子空间理论的宽带强干扰抑制方法,首先通过贝叶斯信息量准则估计子空间维度,然后推导了不同信号假设下的概率密度函数,求解未知参数的最大似然估计,构造广义似然比并通过最优匹配广义似然比检测法估计与期望信号最匹配的子空间,然后以此构造空间投影算子对接收数据进行线性投影,最终抑制干扰和噪声,提高时延估计精度。仿真结果表明该方法能够有效抑制干扰和噪声的影响,提高定位系统时延估计精度。     

基于扩展Kalman滤波的单领航者自主水下航行器协同导航判别式训练方法研究

单领航者自主水下航行器(AUV)协同导航算法中,系统模型是非线性的,扩展Kalman滤波(EKF)是针对非线性系统的很有影响力的滤波算法,但是,EKF算法的性能严格依赖于一系列模型参数,而这些参数往往需要花费很大的代价来捕获,并且常需要人工调整。该文应用一种能自动学习Kalman滤波噪声协方差参数的方法,通过仿真分析,证明了该学习算法可以完全自主并且高效、准确地输出Kalman滤波噪声参数,进一步提高了单领航者AUV协同导航系统的导航精度。     

采用单水听器匀速直线运动直升机三维参数估计算法

针对空中匀速飞行运动目标所激发的水声信号特征,该文将传统的2维平面内估计目标飞行高度、速度等参数的问题扩展到3维空间,可以求解飞行时偏航距离,更符合实际情况,解决了空中快速飞行目标状态3维参数估计问题。该文首先以直升机离散线谱为特征声源,建立其在空气-水两层介质中声学多普勒的3维传播模型,考虑了目标的飞行速度、高度和偏离水听器的偏航距离。然后根据多普勒频移曲线及其1阶、2阶导数的不对称性,推导出水下探空应用中飞行器的3维参数估计方法。最后,通过分析单水听器接收的实测信号,验证了文章构建3维空间多普勒频移飞行参数估计模型的合理性及APP-LMS算法相较于短时傅里叶瞬时频率估计算法能够更准确反演直升机的航行参数。     

量测不确定性条件下的箱粒子滤波目标跟踪方法

在复杂水下环境中,主动声呐的量测值在距离和方位分辨率上存在较大的不确定性,即一个目标回波的能量可能覆盖声呐距离-方位能量谱的多个相邻位置网格。并且,当环境中混响较强时,上述量测不确定性将引起多个区域性的杂波干扰。为了减小状态空间估计的偏差,基于粒子滤波(PF)的跟踪方法需要大量粒子来近似后验概率密度,跟踪的实时性急剧降低。针对上述问题,该文提出一种基于区间量测的箱粒子滤波跟踪方法(IBPF),对主动声呐量测值进行区间表示,即用一个表示距离和方位区间的箱粒子代替点值量测,用区间表示这种量测不确定性,在提高状态估计稳定性的同时,极大程度地减少了后验概率密度估计所需的粒子数,从而进一步提高计算效率。实验结果表明,所提IBPF与PF相比,能以更高的计算效率获得更优的跟踪性能,对目标的跟踪时间缩短了18.06%,跟踪成功帧数增加了4.29%。     

移动水声通信多径传输非一致多普勒估计方法研究

现有水声通信中的多普勒估计方法一般都假定多径信道每条路径的多普勒因子相等,当各路径多普勒因子存在差异时,该类方法往往无法正确估计出每径的多普勒因子,导致补偿后的信号存在较大误差。为此该文在分析水声信道稀疏特性的基础上,提出一种基于稀疏表示理论的非一致多普勒估计方法。该方法结合水声多径信道与非一致多普勒稀疏特性生成包含信道信息的超完备字典,将每径的非一致多普勒因子估计转化为基于超完备字典的稀疏重构求解,实现非一致多普勒因子的准确估计。仿真结果表明,所提方法不仅能估计出差异较大的非一致多普勒因子,而且对于大多普勒频偏的估计也相当有效,特别适合于高速移动水声通信中的多普勒估计。     

基于水下连续波体制的捕获跟踪技术研究

针对水下高速潜器回收导引过程中实现实时测量位置与传输指控信息的问题,该文提出基于水下连续波体制的捕获跟踪技术。利用连续波体制实现测距与通信的同步解析,通过并行处理结构压缩数据捕获时长,并基于锁相环原理设计出适应水声环境与高速背景的最佳环路跟踪策略。从理论仿真与松花湖试验结果来看,算法的捕获时间从传统匹配算法的83.87 s缩短至0.66 s,计算量缩小为时域算法的2.36%。信号跟踪技术在匀速模型和加速度模型下都具有良好的性能,从通信角度讲跟踪算法能够准确无误地传输数据,从参数估计角度讲,基于跟踪结果输出的参数估计精度高且随速度变化缓慢,但传统检测精度随速度增大而变差。该方法实现了对多普勒频偏的精确估计与动态调整,保证了声学测量与指控信息传输的连续性与稳定性,对水下高速潜器的实时回收导引具有重要意义。     

水声信道中的迭代分组判决反馈均衡器

与传统的时域均衡相比,频域均衡为单载波传输系统提供了一种计算更为有效的方法。该文对有大多径时延和多普勒频移的水声信道中的频域分组迭代判决反馈均衡器(IB-DFE)进行了研究,提出了一种联合迭代均衡和频域信道估计(JECE)算法,分析了JECE算法的性能以及不同数据参数对IB-DFE性能的影响,并计算了IB-DFE的计算复杂度。仿真结果表明,所提出的JECE算法对时变水声信道有更好的适应性。与TD-DFE相比,IB-DFE有3.6 dB以上的信噪比增益和约19%的复杂度增益,而且随着多径时延和多普勒频移的增加,这种性能增益会进一步增加。     

新型水下电视系统的研制和应用

指出了水下电视系统的主要技术关键及设计与使用时需注意的问题，给出了水下电视和应用的实例。     

自适应Alpha-beta修正的线谱检测后置处理方法

矩形包络的单频信号时域频率方差等于频域有效带宽,且频率方差为信噪比的函数,在信噪比下降时,线谱方位权值计算误差变大,频率方差线谱检测器丢失目标。传统Alpha-beta滤波的增益恒定,不能有效修正频率估计。该文提出后置处理方法,将每个方位下多次求得的功率谱叠加后得到功率谱-频率曲线作为该方位下各频率对应的增益。当频率观测值对应的增益大时,新息在递推过程中占的比重大,当频率观测值对应的增益小时,预测值在递推过程中起的作用大,对滤波后频率估计值计算方差来修正方位谱输出。仿真和实验处理结果证明在低信噪比情况下,修正后的线谱检测后置处理算法抗干扰性强,能够实现弱线谱的提取,同时压低了干扰背景。     

平坦响应空域滤波器和在DOA估计中的应用

本文依据半无穷维二次优化技术提出了一个设计平坦响应空域滤波器（ＳＦ）的新方法，基本思想是使用线性泛函不等式约束夺感兴趣的空域范围内保证ＳＦ响应的平坦性，同时使输出噪声功率最小化，由于使用了硬的线性泛函约束，ＳＦ响应总可以控制在充许的误差范围之内，最后研究了基于平坦响应的信号到达方向（ＤＯＡ）估计问题，计算机模拟结果和分析表明本文提出的基于平坦响应ＳＦ的ＤＯＡ估计性能优于其它有关方法的估计性能。     

一种改进的2×1-D维纳滤波器OFDM信道估计器

本文对OFDM系统中广泛应用的一种导频辅助的信道估计器-2×1-D维纳滤波器进行了改进,以ML信道估计代替了其中的频域滤波,并将改进的估计器与2×1-D维纳滤波器在IEEE 802.16e OFDM系统中的BER、MSE性能及计算复杂度进行了比较。仿真结果表明,在802.16e OFDM系统下,改进的估计器能够以较低的复杂度达到优于2×1-D维纳滤波器的性能。此估计器也可以应用于其他基于导频估计的OFDM系统。