基于非等距線陣的水聲同步時(shí)延差定位算法

楊志權(quán), 尚　凡

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基于非等距線陣的水聲同步時(shí)延差定位算法

楊志權(quán), 尚凡

(中國人民解放軍91388部隊(duì) 94分隊(duì), 廣東 湛江, 524022)

針對水聲定位系統(tǒng)是水中兵器試驗(yàn)或水聲對抗任務(wù)所必須的基礎(chǔ)測量系統(tǒng), 提出了基于水平非等距線陣定位技術(shù)、相關(guān)波門修正時(shí)延差等技術(shù)設(shè)計(jì)魚雷水聲同步定位系統(tǒng)的快速定位算法, 介紹了該算法的工作原理和實(shí)時(shí)軌跡修正方法。經(jīng)Matlab仿真對比驗(yàn)證表明該算法正確可行。該非等距線陣定位系統(tǒng)具有布陣靈活、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn), 可在更廣泛的陣元載體平臺(tái)上安裝使用, 為設(shè)計(jì)魚雷中遠(yuǎn)程、短基線或超短基線水聲定位系統(tǒng)提供借鑒。

魚雷; 水聲同步定位系統(tǒng); 非等距線列陣; 時(shí)延差; 相關(guān)波門; 軌跡修正

0 引言

水聲定位系統(tǒng)是水中兵器或航行體進(jìn)行水下目標(biāo)探測的必備裝備, 是水中兵器或航行體進(jìn)行水下實(shí)時(shí)對抗的基礎(chǔ)測量系統(tǒng)。因而設(shè)計(jì)具備準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠、無距離模糊定位等性能的水聲定位系統(tǒng)是人們一直追求的目標(biāo)。在2D運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位領(lǐng)域, 線列陣型接收基陣因具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而在魚雷或艦載水聲定位系統(tǒng)中被廣泛采用。然而由于水聲同步定位系統(tǒng)通常采用周期性工作方式導(dǎo)致水聲定位系統(tǒng)固有的定位距離模糊問題又嚴(yán)重限制了水聲定位系統(tǒng)的無模糊定位測量范圍[1]。文獻(xiàn)[2]提出了基于水平等距線陣和相關(guān)波門修正時(shí)延差技術(shù)解決距離模糊方法, 由于水下運(yùn)動(dòng)載體的流線型外形通常使等距線列陣的安裝變得困難, 本文提出基于非等距線陣時(shí)延差定位的水聲同步定位算法, 并用Matlab程序仿真驗(yàn)證其可行性。

1 非等距線陣時(shí)延差定位原理

圖1 三元非等距線陣同步定位模型

在動(dòng)點(diǎn)和三元線陣所確定的平面內(nèi), 由余弦定理可知

聯(lián)立式(3)和式(4), 解得

把式(2)代入式(5)和式(6), 得

2 實(shí)時(shí)軌跡修正技術(shù)

2.1 軌跡異常分析

2.2 自動(dòng)軌跡修正

2.3 穩(wěn)態(tài)軌跡獲取

上節(jié)自動(dòng)軌跡修正技術(shù)實(shí)施的前提是已經(jīng)獲得了準(zhǔn)確的定位軌跡, 為此系統(tǒng)需要具備在無其他先驗(yàn)知識(shí)的情況下識(shí)別跨周期事件發(fā)生、鑒別軌跡真?zhèn)蔚哪芰? 以應(yīng)對定位系統(tǒng)即使在發(fā)生跨周期事件期間開機(jī)工作也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無距離模糊定位。

由于本文采用3元?jiǎng)傂跃€陣, 線陣外目標(biāo)距離線陣各個(gè)陣元的距離一般是同時(shí)增加或同時(shí)減小, 并且當(dāng)3個(gè)陣元接收時(shí)延的模糊周期數(shù)相同時(shí), 系統(tǒng)可以進(jìn)行無距離模糊準(zhǔn)確定位, 故不妨假定發(fā)生跨周期事件的陣元只有1個(gè)陣元, 因?yàn)槿粲?個(gè)陣元同時(shí)發(fā)生跨周期事件的情況可以以這2個(gè)陣元為基準(zhǔn)來修正另一個(gè)接收時(shí)延即可得到正確的時(shí)延差進(jìn)行定位。

基于以上認(rèn)識(shí), 可以設(shè)計(jì)一個(gè)專家系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行跨周期事件識(shí)別和修正, 輸出可以解算出穩(wěn)態(tài)軌跡的時(shí)延差序列, 其主要工作原理如下。

3) 同時(shí)對經(jīng)過時(shí)延鄰幀波門、時(shí)延鄰陣波門技術(shù)處理過的軌跡進(jìn)行基于時(shí)間波門[5]的軌跡質(zhì)量評估和離散點(diǎn)跡復(fù)位處理, 最終獲得穩(wěn)定、正確的定位軌跡。

3 仿真驗(yàn)證

由圖2可知, 仿真開始后的0~12 s, 各陣元的接收時(shí)延較真值減少1個(gè)周期0.1 s, 即均被“截?cái)唷? 在12 ~16 s間各陣元依次發(fā)生時(shí)延“跳變”之后, 時(shí)延才和真值相等; 由圖3知, 時(shí)延差僅在12 ~16 s時(shí)間段內(nèi)依次產(chǎn)生失真。接著, 系統(tǒng)采用時(shí)間波門技術(shù)對接收時(shí)延進(jìn)行修正(如圖4), 第12 ~16 s間的時(shí)延差失真已經(jīng)被消除。圖5是按第1節(jié)定位算法解算出目標(biāo)軌跡的極坐標(biāo)圖示, 可見已消除了因接收機(jī)周期清零機(jī)制所導(dǎo)致的距離模糊問題。以下各圖如無特別說明, 橫坐標(biāo)均表示同步時(shí)間。

圖2 陣元A, O, B接收到的時(shí)延示意圖

圖3 陣元A, O和O, B之間的時(shí)延差示意圖

圖4 采用波門技術(shù)修正后的時(shí)延差示意圖

圖5 系統(tǒng)解算出的極坐標(biāo)示意圖

圖6和圖7是在大地坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)軌跡與定位軌跡的對比圖。對比兩圖的仿真結(jié)果可知, 綜合利用水平非等距線陣定位技術(shù)、相關(guān)波門修正時(shí)延差技術(shù)可以解決魚雷水聲同步定位系統(tǒng)中的定位距離模糊問題。

4 結(jié)束語

本文分析基于水平非等距線陣定位技術(shù)、相關(guān)波門修正時(shí)延差技術(shù)設(shè)計(jì)魚雷水聲同步定位系統(tǒng)的新定位算法, 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(shí)延、解算軌跡的各種情況對比表明, 該方法正確、可行, 這種魚雷水聲同步定位系統(tǒng)抗距離模糊算法具有布陣靈活、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn), 可在更廣泛的陣元載體平臺(tái)上安裝使用, 為設(shè)計(jì)魚雷中遠(yuǎn)程、短基線或超短基線水聲定位系統(tǒng)提供技術(shù)支持, 具有良好的應(yīng)用前景。

圖6 未采用波門技術(shù)的定位軌跡圖

圖7 采用非等距線陣和波門技術(shù)的定位軌跡圖

[1] 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(shù)研究[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 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(05): 301-303.

[2] 楊志權(quán), 尚凡. 魚雷水聲同步定位系統(tǒng)抗定位距離模糊算法及仿真[J]. 魚雷技術(shù), 2014, 22(1):30-34. Yang Zhi-quan, Shang Fan. Anti Positioning Range Ambiguity Algorithm with Simulation for Underwater Synchronism Acoustic Positioning System of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(1): 30-34.

[3] 劉孟庵. 水聲工程[M]. 杭州: 浙江科學(xué)出版社, 2002.

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[5] 王云峰. 極坐標(biāo)下雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)[J]. 軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 12(2): 32-35.Wang Yun-feng. Rradar Multi-target Tracking and its Realization[J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2000, 12(2): 32-35.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)

An Algorithm with Time-delay Difference for Underwater Acoustic Syn- chronous Positioning System Based on Non-equidistant Line Array

YANG Zhi-quanSHANG Fan

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

Underwater acoustic positioning system is a basic measurement system for underwater weapon test or underwater acoustic countermeasure mission. This paper presents a fast positioning method for designing underwater acoustic synchronous positioning system for a torpedo based on horizontal non-equidistant line array positioning technology, correlation window corrected time-delay difference technology, etc., and introduces its principle and the real-time trajectory amendment method. Simulation with Matlab shows that this algorithm is feasible and correct. This non-equidistant line array positioning system has the advantages of flexible array deployment, and is economical and reliable, so it can be mounted on a wide range of array element carrier platforms. This study may provide a reference for designing torpedo’s underwater acoustic positioning systems with medium or long distance, and short or ultra-short baseline.

torpedo; underwater acoustic synchronous positioning system; non-equidistant line array; time-delay difference; correlation window; trajectory amendment

TJ630; TB56

A

1673-1948(2014)03-0184-05

2014-01-20;

2014-02-25.

楊志權(quán)(1971-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗暪こ碳夹g(shù).