CN108761470B - 一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法，该方法建立了浅海环境下软性拖缆的水中典型稳态拖曳模型，首次通过解析拖缆形态方程组，求解获得拖缆斜向距离值与拖缆长度、拖体深度和纵向工角间的等效转化关系，判断拖缆形变约束解析式范围，得到不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值，结合船体实时位置信息、航向角度和波束间纵横摇姿态补偿，获得目标高精度定位信息，该方法有效提升拖曳式成像声纳在海上应用任务中的目标定位能力。

Description

一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法

技术领域

本发明属于拖曳式图像声纳目标定位技术领域，主要是一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法。

背景技术

拖曳式成像声纳在工作过程中，可实时输出海底地形地貌成像或者小目标探测成像结果，对于发现重点可疑目标，需要同时完成快速精确定位和应急处理。对于拖曳式成像声纳而言，必须先实现对拖体的准确定位，才能进一步完成对探测目标的定位信息输出。当拖体在水中拖曳时，由于拖缆在海水中受到自身重力、迎逆流、测流，放缆长度和拖曳速度的变化，会导致拖缆上下弯曲，左右偏移，频繁影响船体和拖体之间的距离估测值。

目前对水下拖体定位已存在三种方法：第一种是测试计算法，即在拖体、拖缆都明确的情况下，根据拖体和拖缆的线型图、布置图、结构图，进行重量、重心、浮力、浮心计算，确定它们的流体动力特性；再结合海水侧向流速，拖曳速度，导缆的阻力系数，进行模型匹配试验，根据拖体在水下力的平衡，求得拖缆和拖体连接处的拖缆张力和拖曳角，然后计算机软件仿真逐步逼近法计算各种放缆长度下的拖缆的张力、拖体的深度以及拖体在拖船后的距离等等。该方法优点是根据所需参数进行多次细致的计算机软件仿真，拖体定位比较精确，缺点是参数实时变化均会对软件仿真结果产生变化，无法贴近实际的应用环境。第二种是组合惯导推算法，即利用高精度的光纤惯性导航与多普勒计程仪进行组合导航，经过一系列内置算法实时推算拖体在水下的位置信息。这种方法优点是可不受海域海流、拖缆材质、重心、浮力、阻力等参数影响，输出定位信息比较准确，但是对多普勒计程仪要求标定准确，输出各维速度精度和稳定性要求较高，实际拖曳过程中，一方面经常遇到拖体姿态不理想时或海底过深后则导致多普勒计程仪测速信息持续不准，另一方面惯导定位存在定位误差大小随着历时长度而累积的缺点，采用常规航位推算后的拖体定位值误差不收敛，出现较大偏离。第三种是超短基线定位方法，即在水下载体上安装应答器，在母船底安装发射换能器和构成平面阵的多个接收水听器，利用询问-应答的方式获得水下载体的距离和应答信号到达多个水听器阵元的相位差，同时测算出水下载体的方位信息。这种方法输出的定位信息是最精确的，属于技术成熟度最高的方法，能满足绝大多数定位精度要求高，应用环境广的系统设备需求。但是需要在拖体上增加空间和硬件配置同时，在母船上安装发射、接收声基阵，并配套高精度船载姿态测量设备校准系统安装角度固定误差和测算实时方位角度，缺点是船只的更换都会要求重新测定系统安装误差，硬件成本偏高，对于配置条件紧张和工作环境受限的情况下，推广有限。

针对浅海环境下的拖曳式图像声纳目标定位技术要求，本成果提出了一种“一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法”，该方法避免在繁多的拖体、拖缆和海况参数下进行计算机仿真推算，同时能规避高昂硬件资源的制约，能够有效适应不同转载作业船只使用，该方法采用浅海环境下拖曳设备典型稳健模型分析，通过方程组求解得到拖缆斜向距离值与参数之间等效转化关系，根据拖缆形变约束解析式限定，得到不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值，完成多次海上实际数据验证，取得良好的目标定位效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。为了达到浅海环境下的拖曳式图像声纳目标高精度定位和工程适应性要求，本发明公开了一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法，通过分析水中拖缆的不同稳态拖曳受力模型，分别建立了拖缆形态方程组，利用佩亚诺型余项的麦克劳林公式进行展开，得到拖缆斜向距离值与拖缆长度、拖体深度和纵向工角之间的等效转化关系，根据拖缆形变约束解析式限定，得到不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值；结合船体实时位置信息、航向角度和波束间纵横摇姿态补偿，获得目标高精度定位信息，所述拖缆形态方程组，按照圆弧和三角几何模型，建立拖缆形态方程组：

该拖缆形态方程组已知拖缆长度L，拖体深度h，拖缆纵向工角α值,拖缆斜向距离方向与拖缆形变方向之间的夹角β，圆弧模型中的半径值R，按照佩亚诺型余项的麦克劳林公式进行展开后求解可获得不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值Dh。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能避免多参数多模态计算机仿真推算，突破高昂硬件资源的制约，有效适应不同转载作业船只使用，同时兼顾拖曳式图像声纳目标定位的高精度需求与稳健适用性。

(2)本发明采用浅海环境下拖曳设备典型稳健模型分析，覆盖典型速度下的不同拖缆形态，首次通过解析方程组求解得到拖体斜向距离估测值与参数之间等效转化关系，判断约束表达式范围获得不同拖缆形变条件下的斜向距离解析值，数值运算误差小，数值结果收敛唯一，可有效提升拖曳式成像声纳在浅海应用实时任务中的目标快速定位能力。

(3)本发明方法仅对重点参数设置、计算量小、算法宽容性好，对其它浅海工作环境下的拖曳式拖体的定位均适用。

附图说明

图1：水下探测目标定位方法原理流程示意图

图2：拖曳式声纳工作时相对位置示意图

图3：拖缆纵向工角示意图

图4：拖缆标准形态模型

图5：高速拖曳时拖缆形态模型

图6：低速拖曳时拖缆形态模型

图7：不同测线下拖体和目标定位结果图(未修正)

图8：不同测线下拖体和目标定位结果图(修正缆形+俯仰+横滚)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

为了达到浅海环境下的拖曳式图像声纳目标高精度定位和工程适应性要求，本发明提出了一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法。该方法建立了浅海环境下软性拖缆的水中典型稳态拖曳模型，首次通过解析拖缆形态方程组求解获得拖缆斜向距离值与拖缆长度、拖体深度和纵向工角间的等效转化关系，判断拖缆形变约束解析式范围，得到不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值，结合船体实时位置信息、航向角度和波束间纵横摇姿态补偿，获得目标高精度定位信息，该方法有效提升拖曳式成像声纳在海上应用任务中的目标定位能力。

本发明是通过以下技术方案获得拖体和拖船之间的斜向距离值：

(1)建立拖缆纵向XOZ平面受力分析图，其中X向为拖缆的前向，Z为天向，将拖缆在水下受力进行分析，拖缆一端固定在滚轮上，另一端连接自由拖体，拖缆受力达到平衡后，如图4所示，拖缆前后段在模型上表现为两组拽物线(悬链线的渐开线)组合，组合分界点假设F点，即

拖缆形变较小，拖缆斜向距离：Dh≈ω×L。

(2)当拖体被快速拖曳时，水阻力变大，后段拖缆拉力变大、拉力在垂直方向的分力变大，拖缆重力不变，后段拖缆上移带动拖体上移，拖缆上F点逐渐下移，线缆水阻力均非线性增大，拖缆重力对拖缆影响降低，滚轮处的牵引力水平分量增加，拖缆形态变为图5所示。

已知拖缆长度L，拖体深度h，拖缆与水平方向纵向工角α值,按照三角和圆弧几何模型，建立拖缆形态方程组：

如图5、6所示，β为拖缆斜向距离与拖缆形变方向之间的夹角，R为圆弧模型计算中的半径值，推导得到:

公式展开：

将cos(α|2β)进行佩亚诺型余项的麦克劳林公式展开：

展开误差估计:

当α取最大值pi/2时。

得到：

时，得到：

当拖体低速拖曳时，拖体升力、线缆水阻力均非线性减小，拖缆重力对拖缆影响加大，滚轮处的牵引力水平分量减小，拖缆上F点逐渐上移，拖缆形态变为图6所示，拖缆逐渐接近圆弧状。

已知L，h，α值，建立拖缆形态方程组：

得到：

进一步展开转化成：

其中将

进行佩亚诺型余项的麦克劳林公式展开：

展开误差估计:

当

时，

综上推导建立拖曳形态约束解析表达式，

设定工角门限σ，取滚轮上纵向工角可分辨的最小角度。

ω根据经验测算选取，范围0.95～0.99。

拖曳式成像声纳水下探测目标定位方法原理流程示意图1所示：

(1)计算母船的轨迹航向角度

海上拖曳式声纳工作时相对位置如图1所示，海上局部测量时采用平面直角坐标系来近似代替地球坐标系，从母船不同空间处的位置信息，可推算出母船轨迹航向角度。设定母船的最新位置

历史位置

母船轨迹航向角度θ_boat，根据经纬度差值变化关系得到如下推算结果：

(2)计算拖缆纵向工角

沿着滚轮圆周标定均匀间隔的角度标记，如图3所示，由于承力拖缆与滚轮呈现弦切线关系，可以数读出标记与固定的垂直支撑柱之间角度差，即为拖缆的纵向工角α值。

(3)匹配拖缆水下阵形

建立拖曳状态形变约束解析式：

设定工角门限σ，取为滚轮上纵向工角可分辨的最小角度。

ω根据经验测算选取，范围0.95～0.99。

(4)计算拖体和目标定位值

由获得的Dh值，结合拖体深度，滚轮离水面高度值，可以得到滚轮和拖体间的水平距离，并得到拖体经纬度值JD_tow,WD_tow计算值：

由拖体位置进一步推算得到目标位置，表达式如下，其中横摇角度γ，纵摇角度φ，目标成像位于波束μ，目标折算等效距离为r，处理滞后长度Sh，获得目标经纬度值JD_target,WD_target：

试验验证结果：选用某海区海上试验数据进行分析处理并验证目标定位算法，海区海深约为60米，拖缆放置长度为38米，不同的测线下拖缆纵向工角为30度，以下分别给出了处理前后拖体位置和目标位置。通过在不同海区的多测线数据对目标定位结果表明：采用这种方法运算量小，算法宽容性好，能实时有效的获得拖体和目标的水下精确定位信息，对其它浅海工作环境下的拖曳式拖体的定位均适用。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于拖缆形态方程解析的目标定位方法，其特征在于：通过分析水中拖缆的不同稳态拖曳受力模型，分别建立了拖缆形态方程组，利用佩亚诺型余项的麦克劳林公式进行展开，得到拖缆斜向距离值与拖缆长度、拖体深度和纵向工角之间的等效转化关系，根据拖缆形变约束解析式限定，得到不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值；结合船体实时位置信息、航向角度和波束间纵横摇姿态补偿，获得目标高精度定位信息；

所述拖缆形态方程组，按照圆弧和三角几何模型，建立拖缆形态方程组：

该拖缆形态方程组已知拖缆长度L，拖体深度h，拖缆纵向工角α值,拖缆斜向距离方向与拖缆形变方向之间的夹角β，圆弧模型中的半径值R，按照佩亚诺型余项的麦克劳林公式进行展开后求解可获得不同拖缆形变条件下的拖缆斜向距离数值Dh。

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