魚雷水聲同步定位系統(tǒng)抗定位距離模糊算法及仿真

楊志權, 尚 凡

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魚雷水聲同步定位系統(tǒng)抗定位距離模糊算法及仿真

楊志權, 尚 凡

(中國人民解放軍 91388 部隊, 廣東 湛江, 524022)

實時準確定位是對魚雷水聲定位系統(tǒng)的基本要求, 研究了一種解決魚雷水聲同步定位系統(tǒng)定位距離模糊算法, 分析了定位距離模糊的原因, 提出了基于水平等距線陣同步定位、相關波門修正時延差等技術的快速定位方法, 并進行了仿真驗證。仿真結果表明, 該方法具有不明顯增加硬件成本、不窮舉全部模糊解和無需先驗位置信息等優(yōu)點, 可以為設計中遠程魚雷定位系統(tǒng)、短基線或超短基線水聲定位系統(tǒng)消除定位距離模糊、鎖定正確航跡提供借鑒。

魚雷; 水聲同步定位系統(tǒng); 抗定位距離模糊算法; 等距線陣; 時延差; 相關波門

0 引言

1 經(jīng)典的抗定位距離模糊方法

距離模糊是遠程高幀率魚雷水聲同步定位系統(tǒng)不可避免的問題, 以往的抗定位距離模糊方法分為硬件抗距離模糊法和軟件抗距離模糊法[2]。

1.1 硬件抗距離模糊方法

典型的硬件抗距離模糊法有哈爾濱工程大學在船載式魚雷測量系統(tǒng)中采用的幀同步加游標法。其原理是通過改造聲信標的聲源, 用2種頻率的信號分別代表幀同步碼和游標碼, 借助于長周期幀同步碼來判定模糊區(qū)間。此硬件抗距離模糊方法需設計專用的信號發(fā)射機和接收機, 增加了硬件復雜度和系統(tǒng)成本, 擴大了最大無模糊定位周期, 可解決一定測量區(qū)域內(nèi)的定位距離模糊問題, 但并未從根本上解決定位距離模糊問題。

1.2 軟件抗距離模糊方法

典型的軟件抗距離模糊法有窮舉全部模糊解建立歷史軌跡的舉手表決法、基于先驗位置信息的參考位置標示法等。其中窮舉全部模糊解法以增加軟件復雜度、降低定位實時性為代價, 參考位置標示法以降低系統(tǒng)適用性為代價, 對需要定位高速復雜機動的魚雷軌跡的定位系統(tǒng)來說均有局限性。

2 定位距離模糊問題分析

3 基于等距線陣時延差的同步定位方法

3.1 定位原理

圖1 三元等距線陣同步定位模型

在動點和三元線陣所確定的平面內(nèi), 由余弦定理可知

需要指出的是:

3) 式(13)采用的坐標系是以陣元2為原點的平面直角坐標系, 是相對坐標, 當基陣運動時, 定位魚雷目標的大地坐標需要進行坐標平移變換;

4) 魚雷3D軌跡的定位, 還需要定位系統(tǒng)在豎直方向安裝測量陣元, 通過空間距離公式解算坐標(本文略)。

3.2 相關波門技術

由式(2)~式(5)可知, 在同一同步時刻, 當相鄰陣元,的模糊周期不同時, 接收機相鄰陣元接收到的信號不屬于同一個軌跡點發(fā)出, 此時系統(tǒng)按式(3)計算時延差將是錯誤的, 這就是時延差的越界失真現(xiàn)象。要解決這一問題, 系統(tǒng)需要具備自動識別時延差錯誤并進行修正的功能, 本文采用相關波門技術進行異常點跡修正、鎖定正確軌跡, 從而實現(xiàn)無距離模糊的魚雷軌跡定位。

波門是脈沖體制雷達中常用的一項技術[4]。以時間波門為例, 人們將雷達連續(xù)2個發(fā)射脈沖之間的時間間隔分為若干長度相等的時間段, 每一個時間段稱為一個時間波門, 信號處理依次在每一個時間波門內(nèi)進行。用形象化的語言來說波門就是“窗口”。采用波門技術的好處是擬制波門以外的雜波和人為干擾。對魚雷水聲同步定位系統(tǒng)來說, 越界失真的信號也是一種干擾。由于目標是連續(xù)運動的, 定位系統(tǒng)接收到的目標時延或時延差也是連續(xù)的, 根據(jù)連續(xù)函數(shù)的有界性可知時延差也是有界的, 故可采用波門技術預測時延差的合理“窗口”[5]: 當接收機計算的時延差超出合理“窗口”, 系統(tǒng)即可自動判定該周期的時延差測量值錯誤, 而采用“預測值”代替測量值進行定位解算, 從而使系統(tǒng)避免出現(xiàn)因時延差越界失真而錯誤定位的現(xiàn)象。

4 仿真驗證

由圖2可知, 仿真開始后的0 ~5 s, 各陣元的接收時延較真值減少1個周期0.1 s, 即被“截斷”; 在5 ~7 s間各陣元依次發(fā)生時延“跳變”之后, 時延才和真值相等。由圖3可知, 時延差僅在5~7 s間產(chǎn)生失真。接著, 系統(tǒng)采用時間波門技術對接收時延進行修正(見圖4), 第5~7 s間的時延差失真已經(jīng)被消除。圖5是按3.1節(jié)定位方法解算出目標軌跡的極坐標圖示, 可見已消除了因接收機周期清零機制所導致距離模糊。

圖6和圖7為大地坐標系下設計軌跡與定位軌跡的對比圖。對比可知, 綜合利用水平等距線陣定位技術、相關波門修正時延差技術可以較好地消除魚雷水聲同步定位系統(tǒng)中的定位距離模糊問題。特別是, 圖7右下角一小段未重合的軌跡是系統(tǒng)發(fā)生左右舷模糊的情形, 在實際應用中是不會發(fā)生的, 這是因為在實際艦載魚雷定位系統(tǒng)中左側的陣元不會接收到右舷目標的信號, 而文中仿真未加這一限制。

圖2 陣元1~3 接收到的時延

圖3 陣元1, 2和2, 3之間的時延差

圖4 采用波門技術修正后的時延差

圖5 系統(tǒng)解算出的目標軌跡極坐標分量

圖6 未采用波門技術的定位軌跡圖

圖7 采用等距線陣和時間波門技術的定位軌跡圖

5 結束語

本文分析了魚雷水聲定位應用中產(chǎn)生定位模糊問題的根本原因, 提出了基于水平等距線陣定位技術、相關波門修正時延差技術設計魚雷水聲同步定位系統(tǒng)的快速定位算法, 并介紹了該方法抗定位距離模糊的工作原理。經(jīng)Matlab仿真定位系統(tǒng)的接收時延、解算軌跡的各種情況對比表明, 文中方法正確、可行, 該魚雷水聲同步定位系統(tǒng)抗距離模糊算法具有不明顯增加硬件成本、不窮舉全部模糊解、無需先驗位置信息等優(yōu)點, 可為設計魚雷中遠程定位系統(tǒng)、短基線或超短基線水聲定位系統(tǒng)消除定位距離模糊、實時鎖定正確航跡提供借鑒, 具有良好的應用前景。

[1] 劉孟庵. 水聲工程[M]. 浙江: 浙江科學出版社, 2002.

[2] 梁國龍, 楊春, 陳曉忠, 等. 同步水聲跟蹤定位系統(tǒng)軟件抗距離模糊技術研究[J]. 應用聲學, 2005, 24(5): 301- 303.Liang Guo-Long, Yang Chun, Chen Xiao-Zhong, et al. On Resolving Range Ambiguities by Software in Synchronous Underwater Acoustic Tracking System[J]. Applied Acoustics, 2005, 24(5): 301-303.

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(責任編輯: 楊力軍)

Anti Positioning Range Ambiguity Algorithm with Simulation for Underwater Synchronous Acoustic Positioning System of Torpedo

YANG Zhi-quanSHANG Fan

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The reason why positioning range ambiguity problem is created in an underwater synchronous acoustic positioning system of torpedo is analyzed, and an anti positioning range ambiguity algorithm is proposed to completely solve this problem. Accordingly, a quick positioning method is proposed for the underwater synchronous acoustic positioning system of torpedo based on the horizontal equidistant line array technology and the correlative wave gate technology for correcting time-delay difference. Simulation result shows that this method has such advantages as less addition in hardware cost, non-exhaustion of all fuzzy solutions, and non-prior position information. It may be applied to eliminating range ambiguity and locking tracked target in design of medium- and long-range positioning system of torpedo, and to design of short/ultra-short baseline underwater acoustic positioning system.

torpedo;underwater synchronous acoustic positioning system; anti positioning range ambiguity algorithm; horizontal equidistant line array; time-delay difference; correlative wave gate

TJ630.2; TB52.9

A

1673-1948(2014)01-0030-05

2013-08-12;

2013-09-17.

楊志權(1971-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水聲工程技術.