楊光 張君義 朱昊 仲嘉維

摘 要：隨著國(guó)家在海洋方面投入的增加，水聲定位的研究吸引了越來(lái)越多人的關(guān)注。因此全國(guó)各大高校、研究所相繼投入了大量人力物力財(cái)力，各式各樣適用于不同環(huán)境且精度各有差異的定位算法層出不窮，這在某種程度上填補(bǔ)了我國(guó)在水聲定位方面的不足。文中基于MATLAB，LabVIEW及myDAQ等輔助工具對(duì)基于到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）算法進(jìn)行了優(yōu)化處理以提高定位的可靠性。通過(guò)分析仿真結(jié)果，文中設(shè)計(jì)的水聲定位系統(tǒng)性能完全可滿足設(shè)計(jì)初衷。

關(guān)鍵詞：MATLAB;LabVIEW;myDAQ;TDOA;水聲定位;系統(tǒng)仿真

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

在目前注重定位的時(shí)代，TOA，AOA，RSSI等定位理論層出不窮。但由于基于TDOA的定位具有定位精度高和復(fù)雜性低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。目前TDOA的基本算法主要由Chan算法、Kalman濾波算法、Taylor算法和Fang算法等組成，本項(xiàng)目采用的定位算法為Chan算法和Taylor算法。兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中Chan算法計(jì)算比較簡(jiǎn)單，無(wú)需初始迭代值，在高斯噪聲環(huán)境下定位結(jié)果比較準(zhǔn)確[1];Taylor算法能夠計(jì)算較多的數(shù)據(jù)，需要迭代初值，但對(duì)信道環(huán)境適應(yīng)性較高，在迭代初值接近真實(shí)值的情況下能夠獲得較為準(zhǔn)確的定位結(jié)果。本項(xiàng)目將TDOA定位技術(shù)運(yùn)用到三維環(huán)境當(dāng)中，以水聲信道傳播特性為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出海面反射和直線傳播情況下傳播路徑的距離方程，建立了深海多徑環(huán)境下TDOA定位的測(cè)量值方程，然后通過(guò)對(duì)TDOA測(cè)量值二次最值篩選得到聲波直線傳播的TDOA測(cè)量值，最終計(jì)算出聲源的大致位置。本項(xiàng)目將通過(guò)LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實(shí)現(xiàn)，利用myDAQ完成水下聲源仿真信號(hào)的采集。

1 NI myDAQ 簡(jiǎn)介

1.1 NI myDAQ 設(shè)備

DAQ為NI的數(shù)據(jù)采集，與傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)相比，基于PC的DAQ系統(tǒng)利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的處理、生產(chǎn)、顯示和連通能力，提供更強(qiáng)大、靈活且具有成本效益的測(cè)量解決方案[2]。DAQ通過(guò)USB與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接，使用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)接收處理傳輸程序，用來(lái)測(cè)量和分析實(shí)際信號(hào)。myDAQ通過(guò)USB接口將接收到的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中的LabVIEW，使電腦能夠分析并處理接收的數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠控制其進(jìn)程。

1.2 軟件配置

NI公司提供了一款功能豐富的配置工具軟件MAX（Measurement&Automation Explorer），其用途如下[3]：

（1）快速檢測(cè)及配置硬件和軟件，分配設(shè)備編號(hào);

（2）診斷硬件所處狀態(tài);

（3）建立新的通道、任務(wù)及接口等。

MAX會(huì)根據(jù)硬件設(shè)備類型的不同顯示不同的配置與測(cè)試窗口[4]。

1.3 分辨率

分辨率，即采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量值，表示如下：

分辨率=滿量程輸入值/2n

式中，n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)越多，分辨率越高[5]。

2 定位算法

2.1 常用算法

隨著水聲定位的發(fā)展，算法的精度尤為重要，由此，人們對(duì)定位算法的設(shè)計(jì)方式也不斷改進(jìn)。其中，運(yùn)用最廣的當(dāng)屬到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位。該定位是用多個(gè)信號(hào)到達(dá)待測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間差來(lái)確定該節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的技術(shù)。常見(jiàn)的TDOA算法有最小二乘（Least Square，LS）算法、Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)法及查恩（Chan）算法[6]。3種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)：LS算法運(yùn)算簡(jiǎn)單快速，求出的卻是次優(yōu)解;Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)法需要使用接近實(shí)際位置的初始值迭代運(yùn)算，否則收斂緩慢，甚至?xí)虺跏贾颠x擇不當(dāng)導(dǎo)致迭代結(jié)果發(fā)散，導(dǎo)致無(wú)法定位;Chan算法在時(shí)間差測(cè)量精度較高時(shí)定位結(jié)果誤差較小，當(dāng)基站位置出現(xiàn)偏差或者時(shí)間差測(cè)量精度不高時(shí)，其定位性能下降較快[7]。通過(guò)對(duì)兩種算法的優(yōu)劣進(jìn)行分析比較，衍生出本文主要介紹和應(yīng)用的算法。

2.2 算法設(shè)計(jì)

當(dāng)基站位置出現(xiàn)偏差或者時(shí)間差測(cè)量精度不高時(shí)，Chan算法定位性能下降較快。Taylor算法初始迭代值的設(shè)置對(duì)定位結(jié)果的精度有較大影響，如果初始值選取不合適，可能導(dǎo)致算法不收斂[8]。由此本文提出先通過(guò)Chan算法根據(jù)測(cè)量時(shí)間差進(jìn)行初步定位，將定位結(jié)果作為Taylor算法的迭代值進(jìn)行進(jìn)一步定位。同時(shí)，為減小單次定位可能出現(xiàn)較大誤差從而對(duì)最終定位結(jié)果產(chǎn)生影響，本算法需對(duì)TDOA測(cè)量值進(jìn)行多次采集，將每次采集到的信號(hào)分別定位，然后對(duì)定位結(jié)果求和計(jì)算均值，最終得出最接近真實(shí)聲源的坐標(biāo)。

2.3 程序仿真

圖1、圖2分別為單獨(dú)運(yùn)用Chan算法進(jìn)行定位的定位場(chǎng)景與誤差曲線。圖3、圖4分別為Chan算法與Taylor算法聯(lián)合定位的定位場(chǎng)景與誤差曲線。其中圖1、圖3中圓點(diǎn)和方點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于參考基站坐標(biāo)和其余基站坐標(biāo)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，Chan算法單獨(dú)定位結(jié)果和Chan算法與Taylor算法聯(lián)合定位結(jié)果在精度上存在明顯差異，顯然Chan算法與Taylor算法聯(lián)合定位精度遠(yuǎn)高于Chan算法單獨(dú)定位。

3 定位平臺(tái)搭建

3.1 LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序?yàn)榭驁D形式[9]。

與傳統(tǒng)的文本編程模式不同，LabVIEW采用獨(dú)特的編程方式，其根據(jù)程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序[10]。

LabVIEW具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）可以實(shí)現(xiàn)除儀器廠商提供的功能以外的功能;

（2）與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用連接比較方便;

（3）可以通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)、直接地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器或打印機(jī)[11];

（4）虛擬儀器價(jià)格較低，可以節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

程序框圖如圖5所示。

3.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)的算法中預(yù)留的輸入輸出端口與LabVIEW對(duì)應(yīng)端口對(duì)接，通過(guò)LabVIEW設(shè)計(jì)的界面將TDOA測(cè)量值、運(yùn)行次數(shù)、基站數(shù)目輸入，然后選擇對(duì)應(yīng)算法，運(yùn)行完成后軟件顯示仿真結(jié)果，并通過(guò)誤差曲線與三維散點(diǎn)圖更直觀地展示定位精度。使用LabVIEW調(diào)用myDAQ組件搭建定位平臺(tái)，先對(duì)DAQ采集到的時(shí)間差進(jìn)行處理，然后再傳入另一個(gè)DAQ，以此將時(shí)間差從一臺(tái)電腦傳輸?shù)搅硪慌_(tái)電腦，最后通過(guò)LabVIEW搭建的定位平臺(tái)對(duì)接收的時(shí)間差進(jìn)行定位，構(gòu)建一個(gè)完整的水聲接收定位平臺(tái)。在搭建實(shí)物時(shí)，將2個(gè)DAQ對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入輸出口（DIO）相連接，并分別將2個(gè)USB接口連接到2臺(tái)電腦上完成實(shí)物搭建。

前面板界面如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用目前常用的TDOA定位算法及界面編輯與仿真軟件完成對(duì)水下聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析仿真結(jié)果，本論文所設(shè)計(jì)的水聲定位仿真系統(tǒng)的性能完全可滿足最初的設(shè)計(jì)要求。

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