Details

Цель работы: Оценка эффективности алгоритма определения местоположения в гидроакустическом канале. Задачи: 1. Обзор классических методов определения местоположения источников излучения. 2. Анализ стохастических моделей гидроакустических каналов. 3. Разработка математической модели гидролокационной системы. 4. Анализ эффективности разностно-дальномерного алгоритма местоположения методом статистического моделирования в гидроакустическом канале. Работа проведена на базе ВШПФиКТ СПбПУ «Петра Великого». Выполнены теоретический анализ моделей гидроакустического канала и численное моделирование алгоритма локализации. Разности времён прихода (TDOA) оценивались взаимной корреляцией и её модификацией с фазовым взвешиванием (GCC-PHAT); многолучёвость описывалась методом изображений; скорость звука и поглощение рассчитывались по формулам Маккензи и Айнсли-МакКолма. Оптимизационная задача решалась алгоритмом Нелдера-Мида. Моделирование методом Монте-Карло (500 испытаний на точку, SNR от -20 до +30 дБ, число лучей от 1 до 5) показало, что при SNR ≥ 0 дБ медианная ошибка локализации не превышает 1 м независимо от числа лучей. В переходной зоне SNR = -10 дБ многолучёвость повышает долю грубых выбросов с 0 до 9 % и СКО ошибки с 1 до 16 м, а GCC-PHAT с полосовым ограничением снижает долю выбросов относительно стандартной корреляции. Точность ограничивается геометрией приёмной системы: при линейном расположении приёмников геометрический фактор возрастает примерно втрое. Результаты применимы при проектировании гидроакустических систем позиционирования подводных объектов.

Goal: To evaluate the performance of a localization algorithm in a hydroacoustic channel. Tasks: 1. Review of a classical methods for localizing radiation sources. 2. Analysis of stochastic models of hydroacoustic channels. 3. Development of a mathematical model of a sonar system. 4. Analysis of the TDOA localization algorithm performance via statistical simulation in hydroacoustic channel. The study was carried out at Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. Theoretical analysis of hydroacoustic channel models and numerical simulation of the localization algorithm were performed. Time differences of arrival (TDOA) were estimated with cross-correlation and its phase-weighted modification (GCC-PHAT); multipath propagation was modelled by the image method; sound speed and absorption were computed from the Mackenzie and Ainslie-McColm formulas. The optimization problem was solved with the Nelder-Mead algorithm. Monte Carlo simulation (500 trials per point, SNR from -20 to +30 dB, 1 to 5 rays) showed that for SNR ≥ 0 dB the median localization error stays below 1 m regardless of the number of rays. In the transition region SNR = -10 dB multipath raises the gross-outlier rate from 0 to 9 % and the error standard deviation from 1 to 16 m, while band-limited GCC-PHAT lowers the outlier rate relative to plain cross-correlation. The accuracy is limited by the receiver geometry: a collinear array increases the geometric dilution of precision about threefold. The results are applicable to the design of hydroacoustic positioning systems for underwater vehicles.