潛艇連續(xù)方位算法性能評估軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)?

（91388部隊(duì) 湛江 524000）

1 引言

潛艇指控系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定是潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定的重要組成部分，對指控系統(tǒng)的考核評定不僅具有自身的意義，還將直接關(guān)系到魚水雷武器系統(tǒng)的考核評定。目標(biāo)運(yùn)動要素解算算法是潛艇指控系統(tǒng)試驗(yàn)的重點(diǎn)項(xiàng)目，其中連續(xù)方位解算算法又是目標(biāo)運(yùn)動要素解算算法中的重難點(diǎn)考核評估項(xiàng)目。在連續(xù)方位算法中，純方位法具有典型代表性，其利用連續(xù)的目標(biāo)方位序列，通過濾波模型解算出目標(biāo)運(yùn)動要素。由于純方位法對解算所需的數(shù)據(jù)類型單一（綜合聲納被動工作方式下測得的方位數(shù)據(jù)），且能保持潛艇的隱蔽性，所以純方位法是潛艇隱攻解算目標(biāo)運(yùn)動要素諸多算法中所采用的常用算法。純方位法解算試驗(yàn)所需處理的數(shù)據(jù)量大，處理方法復(fù)雜，在試驗(yàn)中需要通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的處理，來判別有效航次以及有效收斂航次，從而為試驗(yàn)指揮人員對試驗(yàn)進(jìn)程的控制提供重要依據(jù)。因此，針對試驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理的實(shí)時、快捷的要求，編制一套數(shù)據(jù)處理軟件將為高效地完成指控系統(tǒng)試驗(yàn)任務(wù)發(fā)揮重要的作用。

2 功能需求分析

純方位解算算法的關(guān)鍵性能指標(biāo)有平均收斂時間、收斂率和解算精度等，為提供滿足上述指標(biāo)計算所需各類型數(shù)據(jù)，性能評估軟件需要完成任務(wù)有：由于DGPS測得的目標(biāo)與本艇坐標(biāo)參數(shù)可能存在野點(diǎn)和丟點(diǎn)，因此必須對坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行平滑和插值處理，然后計算目標(biāo)運(yùn)動要素的真值；由于目標(biāo)位置由DGPS測量，其所測量位置為其天線的位置，而非目標(biāo)聲中心位置，因此必須對目標(biāo)幾何中心位置進(jìn)行修正；由于指控系統(tǒng)中的算法都是在假設(shè)目標(biāo)等速直航的條件下進(jìn)行解算，因此必須對航次有效性進(jìn)行判斷；判斷統(tǒng)計航次的收斂性，以對收斂率指標(biāo)做出考核；找出航次收斂時刻，計算航次收斂時間，以對平均收斂時間做出考核；統(tǒng)計每個航次收斂后的12個收斂點(diǎn)，以對航路解算精度做出考核；為了便于事后對真實(shí)航路進(jìn)行分析和再現(xiàn)，需要顯示目標(biāo)與本艇航跡的靜態(tài)與動態(tài)圖。綜上所述，軟件應(yīng)具備以下功能模塊：

1）目標(biāo)、本艇航跡的平滑處理以及目標(biāo)運(yùn)動要素真值的計算（Vm、Cm、Dm）；

2）對目標(biāo)、本艇的坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行修正；

3）航次有效性判斷；

4）航次收斂性判斷；

5）收斂時間、時刻的計算；

6）目標(biāo)運(yùn)動要素解算精度的計算；

7）目標(biāo)與本艇航跡的靜態(tài)與動態(tài)再現(xiàn)。

3 設(shè)計思路及實(shí)現(xiàn)工具

軟件通過高級應(yīng)用軟件Matlab提供的編程語言設(shè)計而成。Matlab提供了各種功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，使得程序能夠完成復(fù)雜的運(yùn)算，處理大量的數(shù)值數(shù)據(jù)。軟件的主要流程圖1所示，下面對流程圖做簡要說明。

1）開始：啟動Matlab，對Matlab服務(wù)器初始化，運(yùn)行處理軟件程序，顯示圖形用戶界面窗口。

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^用戶界面窗口分別導(dǎo)入目標(biāo)真值數(shù)據(jù)、本艇真值數(shù)據(jù)以及本艇解算數(shù)據(jù)，人工鍵入的數(shù)據(jù)有坐標(biāo)修正參數(shù)、開始攻擊時刻及目標(biāo)初距。

3）數(shù)據(jù)有效判斷：如數(shù)據(jù)格式不對、數(shù)據(jù)超出規(guī)定范圍，程序?qū)⑻崾据斎霟o效，返回重新輸入，否則程序往下執(zhí)行。

4）開始解算：當(dāng)按下開始處理鍵后，數(shù)據(jù)處理程序模塊開始運(yùn)行，包括目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)平滑處理，目標(biāo)速度、航向、距離真值解算，目標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)、航次收斂率及收斂時間計算，目標(biāo)運(yùn)動要素解算精度計算。

5）航次有效判斷：如檢驗(yàn)出目標(biāo)運(yùn)動不滿足穩(wěn)定性的條件，則判為航次無效，此航次數(shù)據(jù)處理結(jié)束，顯示處理結(jié)果，保存結(jié)果，返回進(jìn)行下一航次數(shù)據(jù)處理，否則程序往下執(zhí)行。

6）航次收斂判斷：如計算出解算值不收斂，則此航次數(shù)據(jù)處理結(jié)束，顯示處理結(jié)果，保存結(jié)果，返回進(jìn)入下一航次數(shù)據(jù)處理，否則程序往下進(jìn)行。

7）收斂時間、時刻計算：在航次收斂的情況下，計算本航次的收斂時間與收斂時刻。

8）解算精度計算：從收斂時刻開始，向后連續(xù)取12個點(diǎn)的目標(biāo)速度、航向、距離的解算值和對應(yīng)的真值，分別進(jìn)行二階原點(diǎn)距的計算，同時對野點(diǎn)進(jìn)行剔除。

9）數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示：將航次收斂判斷處理結(jié)果顯示到圖形用戶界面窗口中。包括航次有效性、航次收斂性、航次收斂時刻及收斂時間，目標(biāo)運(yùn)動要素解算精度。

10）航路再現(xiàn)：畫出目標(biāo)、本艇的原始航跡圖及平滑處理后的航跡圖，并且還將試驗(yàn)航路動態(tài)再現(xiàn)。

11）結(jié)果保存：將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果保存在選定的文件中，并提示存儲情況信息。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

4 軟件結(jié)構(gòu)及組成

軟件由用戶界面和計算服務(wù)器組成，見圖2。

用戶界面由試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)兩部分組成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)分為目標(biāo)真值數(shù)據(jù)、本艇真值數(shù)據(jù)、本艇解算數(shù)據(jù)、坐標(biāo)修正參數(shù)、開始攻擊時刻及目標(biāo)初距6個部分。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)分為航次有效性判斷、航次收斂性判斷、航次收斂時間、航次收斂時刻、航次解算精度結(jié)果、試驗(yàn)航路再現(xiàn)6個部分。

計算服務(wù)器包括五個主要模塊：試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取模塊、處理計算模塊，計算結(jié)果顯示模塊、動態(tài)航跡再現(xiàn)模塊和計算結(jié)果存儲模塊。

用戶通過用戶界面窗口導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器獲取導(dǎo)入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)按下“開始處理”鍵后，進(jìn)行處理計算模塊進(jìn)行處理處理，然后通過計算結(jié)果顯示模塊將結(jié)果顯示在用戶界面窗口中。用戶還可以通過航跡圖再現(xiàn)模塊對目標(biāo)和本艇的靜態(tài)和動態(tài)航跡再現(xiàn)。最后，用戶通過計算結(jié)果存儲模塊對處理結(jié)果進(jìn)行保存。

圖2 純方位算法性能評估軟件結(jié)構(gòu)框圖

5 關(guān)鍵軟件模塊的實(shí)現(xiàn)

5.1 數(shù)據(jù)文件格式要求

軟件輸入的文件數(shù)據(jù)有目標(biāo)和本艇航跡數(shù)據(jù)、本艇解算數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)讀取主要采用textread函數(shù)完成。讀取的數(shù)據(jù)格式要求見表1和表2。

表1 目標(biāo)和本艇航跡數(shù)據(jù)格式

表2 本艇解算數(shù)據(jù)格式

5.2 有效性判斷

航次有效性判斷的方法如下：在某一航次中，目標(biāo)速度和航向真值標(biāo)準(zhǔn)差與對應(yīng)的精度指標(biāo)的比值同時滿足不大于十分之一，則本航次有效，否則無效。

5.3 收斂判定算法

在數(shù)據(jù)處理方法中，對航次收斂時刻的判定是方法如下：從指揮臺發(fā)出“開始攻擊”時刻作為零點(diǎn)。對第k航次錄取的數(shù)據(jù)，首先通過真值和解算值計算出各時刻的速度、航向、初距的一次差，然后判別連續(xù)有4個點(diǎn)進(jìn)入3б范圍之內(nèi)的點(diǎn)（三個量同時進(jìn)入），將其第1個點(diǎn)的時刻記為t3，接著判別連續(xù)有4個點(diǎn)進(jìn)入2б范圍之內(nèi)的點(diǎn)，將其第1點(diǎn)的時刻記為t2，再接著判別連續(xù)有4個點(diǎn)進(jìn)入б范圍之內(nèi)的點(diǎn)，將其第1點(diǎn)的時刻記為t1。同時在確定出t3之后，t1之前，若有點(diǎn)又跳出3б（或2б）范圍，則前面確定的t1（或t2）無效，重新確定t1（或t2）。最終確定出t1、t2、t3后，按國軍標(biāo)給出的計算公式 t=0.05×t1＋0.27×t2＋0.68×t3，來獲得本航次的收斂時刻。其中б為目標(biāo)運(yùn)動要素的精度指標(biāo)。該方法邏輯性強(qiáng)，編程實(shí)現(xiàn)繁瑣，程序冗長，本文在深刻理解此方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了一種簡便快捷的實(shí)現(xiàn)方法，即先判別是否有4個點(diǎn)進(jìn)入б范圍之內(nèi)，如果不存在，則此航次不收斂，如果存在，則此航次收斂，并找出t1，再以t1為起點(diǎn)向前找出t2、t3，這種方法極大地簡化了程序。

5.4 航跡復(fù)現(xiàn)

航跡復(fù)現(xiàn)主要包括靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)復(fù)現(xiàn)就是直接顯示出本艇和目標(biāo)的航跡曲線，描述兩者的運(yùn)動趨勢，如圖3所示；動態(tài)復(fù)現(xiàn)可以實(shí)時顯示本艇和目標(biāo)之間的相對態(tài)勢關(guān)系，并給出主要運(yùn)動態(tài)勢參數(shù)，如圖4所示。

圖3 本艇和目標(biāo)的航跡靜態(tài)復(fù)現(xiàn)圖

圖4 本艇和目標(biāo)的航跡動態(tài)復(fù)現(xiàn)圖

5.5 圖形用戶界面

Matlab為用戶開發(fā)圖形界面了一個方便、高效的集成環(huán)境—圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Graphical User Interface Development Environment，GUIDE）。本軟件的用戶界面也正是通過Matlab提供的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE進(jìn)行設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的。

界面制作包括兩部分工作內(nèi)容，分別為界面設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）對界面所需要實(shí)現(xiàn)的主要功能進(jìn)行分析，從而明確設(shè)計的方向和目標(biāo)；

2）從用戶的角度出發(fā)，預(yù)先對界面草圖進(jìn)行構(gòu)思，并在稿紙上繪制出來；

3）對照稿紙上預(yù)先繪制出的界面草圖，在電腦上首先制作靜態(tài)界面；

4）完成靜態(tài)界面實(shí)現(xiàn)后，接著編寫界面動態(tài)功能的程序，并進(jìn)行整體運(yùn)行、調(diào)試和檢查。

界面分為試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)，如圖5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)包括導(dǎo)入目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、導(dǎo)入本艇坐標(biāo)數(shù)據(jù)、導(dǎo)入解算值數(shù)據(jù)、坐標(biāo)修正參數(shù)、關(guān)鍵時間等；試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)包括航次有效性判斷結(jié)果、收斂性判斷結(jié)果、航次收斂時間、航次收斂時刻、目標(biāo)運(yùn)動要素解算精度和目標(biāo)與本艇的航跡再現(xiàn)。

圖5 軟件圖形用戶界面

6 結(jié)語

本文敘述了潛艇純方位算法性能評估軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的過程，文中首先對軟件的功能進(jìn)行了需求分析，在功能分析的基礎(chǔ)上，給出了軟件設(shè)計流程圖，并對流程圖作了說明。軟件的開發(fā)和設(shè)計環(huán)境選用了高級應(yīng)用軟件Matlab提供的編程語言。文中對數(shù)據(jù)文件讀取、收斂性判斷、收斂時間確定、航跡復(fù)現(xiàn)、圖形用戶界面等關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行了描述。該軟件的實(shí)現(xiàn)已為試驗(yàn)工程人員開展?jié)撏繕?biāo)運(yùn)動要素解算試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和性能指標(biāo)評定工作提供了不可或缺的輔助手段，取得了較好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。