本發(fā)明屬于目標(biāo)參數(shù)估計領(lǐng)域，涉及到一種分頻段處理的多水下自主航行器(Autonomousunderwatervehicle)被動相互定位方法。

背景技術(shù)：
水下AUV等無人航行器自組網(wǎng)技術(shù)是目前海洋工程領(lǐng)域的研究熱點之一。在自組網(wǎng)過程中，某個AUV需要知道自身和別的AUV所處的位置，以便獲得最優(yōu)的自組網(wǎng)效果。多AUV在組網(wǎng)過程中的相互定位方法主要分為并行式和主從式兩種(張立川,劉明雍,徐德民等.基于水聲傳播延遲的主從式多無人水下航行器協(xié)同導(dǎo)航定位研究.兵工學(xué)報,2009；30(12):1674-1678.徐博,白金磊,郝燕玲等.多AUV協(xié)同導(dǎo)航問題的研究現(xiàn)狀與進展.自動化學(xué)報,2015；41(3):445-461.)。1)并行式。系統(tǒng)中每個AUV使用自身的定位系統(tǒng)進行相互定位，利用水聲通信技術(shù)共享位置信息；2)主從式。系統(tǒng)中少量主AUV裝備性能好、精度高的定位系統(tǒng)以實時進行自身定位，大量從AUV裝備低成本低精度定位系統(tǒng)，通過獲得主AUV發(fā)送過來的位置信息提高定位精度，并利用水聲通信共享自己在系統(tǒng)中的位置。但是已有的方法在相互定位時所使用的發(fā)射信號之間容易產(chǎn)生干擾，且某AUV在對其它AUV進行測角的同時難以進行測距。此外，部分定位方法在測距時需要增加應(yīng)答器，會導(dǎo)致成本的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是：為了克服已有的多AUV相互定位方法的不足，本發(fā)明提出利用分頻段處理的測角測距的方法。該方法中每個AUV發(fā)射不同頻段的信號，保證在某個頻段內(nèi)只有單個目標(biāo)的信號存在(即在該頻段內(nèi)目標(biāo)數(shù)為1)，因此在目標(biāo)數(shù)為1的前提下使用MUSIC法在該頻段上對其它AUV進行測角；對準(zhǔn)測角結(jié)果進行波束形成，從波束形成輸出提取一組離散頻率分量，并在目標(biāo)數(shù)為1的前提下使用MUSIC法進行測距。該方法克服了傳統(tǒng)方法中難以同時進行被動測角、測距的缺點，并將MUSIC算法同時運用到測角和測距，為水下多AUV組網(wǎng)中的相互定位提供了新的思路。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種分頻段處理的多水下自主航行器被動相互定位方法，包括以下步驟：步驟一：初始化參數(shù)設(shè)定：設(shè)有M個多水下自主航行器AUV(M大于等于2)，每個AUV上攜帶1個發(fā)射陣元和N元接收陣；設(shè)計P個覆蓋不同頻段的信號，且P個波形與M個AUV一一對應(yīng)，即P＝M，且第m(m＝1,2,…,M)個AUV上的發(fā)射陣元發(fā)射第p(p＝1,2,…,P)個頻段的信號，具體為：第1個AUV發(fā)射第1個頻段的信號，第2個AUV發(fā)射第2個頻段的信號，…，第M個AUV發(fā)射第P個頻段的信號；步驟二：完成M個AUV上信號的發(fā)射和采集；在某一時刻，所有AUV上的發(fā)射陣元發(fā)射信號，同時所有AUV上的接收陣元開始采集信號；且每個AUV上的接收陣元都采集到其它M-1個AUV所發(fā)射的信號；設(shè)第m(m＝1,2,…,M)個AUV上第n(n＝1,2,…,N)個接收陣元所采集的信號為可表示為：其中，σp代表第p個發(fā)射信號的幅度，代表第m'(m'與m有相同的意義，滿足m'＝1,2,…,M，m'≠m)個AUV上的發(fā)射陣元到第m個AUV上第n個接收陣元的距離，c代表水下聲速，為第m個AUV中第n個接收陣元上的噪聲；第m個AUV上的第n個接收陣元上信號的時延為：其中，為第m’個AUV上的發(fā)射陣元到第m個AUV上N元ULA幾何中心的距離，d為N元接收ULA的陣元間距，θm'為第m’個AUV相對于第m個AUV上N元ULA法線方向的夾角；步驟三：利用傅里葉變換獲得每個AUV上所采集到的其余M-1個AUV所發(fā)射信號的頻域輸出；對第m個AUV中N元ULA上的采集信號進行傅里葉變換，獲得頻域輸出Xm，可表示為：其中，(n＝1,2,…,N)代表第m個AUV中第n個接收陣元上采集信號的頻域輸出，f代表頻率；按照P個發(fā)射信號所占據(jù)的頻段，將整個頻域輸出Xm劃分為P塊，即可以表示為：其中，(p＝1,2,…,P)表示第m個AUV上采集信號的第p塊頻域輸出；剩下的P-1塊頻域輸出中，第p塊頻域輸出在N元ULA上的表達式為：其中，代表第m個AUV中第n個接收陣元上采集信號頻域輸出的第p塊，bp代表第p(p≠m)個發(fā)射信號所對應(yīng)的頻段；步驟四：對第m個AUV上采集的信號進行分頻段處理，每個頻段僅包含1個AUV所發(fā)射的信號成分，可直接在目標(biāo)數(shù)為1的前提下使用MUSIC算法獲得與該頻段所對應(yīng)的AUV的測角和測距結(jié)果，包括以下子步驟：子步驟一：利用前三步獲得的參數(shù)進行測角：進行測角時，先構(gòu)建協(xié)方差矩陣其中，為第m個AUV上第p塊信號頻域輸出所構(gòu)建的協(xié)方差矩陣，[]H代表共軛轉(zhuǎn)置；對進行特征分解，得到：其中,和分別為的特征向量和特征值矩陣；由于第p個頻段內(nèi)僅有1個AUV所發(fā)射的信號成分，因此直接設(shè)目標(biāo)數(shù)為1；取出與N-1個小特征值對應(yīng)的特征向量組成與噪聲對應(yīng)的特征向量矩陣利用MUSIC算法的測角表達式為：其中，為第m個AUV對第m'(m'≠m)個AUV進行測角所獲得的空間譜，為N元ULA的陣列掃描向量，fp為第p個頻段的中心頻率，θ為掃描角度；搜索空間譜峰值所在角度，即可獲得第m'個AUV的測角結(jié)果；子步驟二：利用前三步獲得的參數(shù)進行測距：獲得第m'(m'＝p)個AUV的測角結(jié)果后，對準(zhǔn)該測角結(jié)果進行波束形成，獲得該角度上的頻域波束輸出；從該頻域波束輸出中提取L個頻率分量，處理L個頻率分量獲得第m'個AUV的測距結(jié)果；這L個頻率分量的頻率均包含在第p個頻段內(nèi)，且相鄰分量之間的頻率間隔為△f；第p個頻段內(nèi)的頻域波束輸出所提取的L個頻率分量，可表示為：其中，為在第p個頻段內(nèi)的頻域波束輸出上所提取的第l(l＝1,2,…,L)個頻率分量，表示在第p個頻段上所提取的第l個頻率分量所對應(yīng)的頻率；利用構(gòu)建協(xié)方差矩陣對進行特征分解，得到：其中,和分別為的特征向量和特征值矩陣；由于第p個頻段內(nèi)僅有1個AUV的信號成分，因此直接設(shè)目標(biāo)數(shù)為1；取出與N-...