CN110471455A - 一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法，采用本发明所涉及的航路规划方法能使潜器发现声信标，引导潜器接近声信标，定位声信标坐标并有效提高定位精度。本发明所涉及的航路规划主要由三个阶段构成，即：信号搜索阶段、测向导引阶段及精确定位阶段。其中，信号搜索阶段采用梳形搜索路径，采用梳形搜索路径可保证较高的信号搜索效率及较低的漏扫概率；测向导引阶段采用弧形路径，目的是在不丢失目标的前提下，引导潜器快速接近目标；精确定位阶段采用圆形路径，保证了目标的定位精度。本发明可应用于飞机、舰船黑匣子搜索，失事潜艇、潜器营救等场景。

Description

一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法
技术领域
本发明属于黑匣子声信标搜探技术领域，特别是涉及一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法。
背景技术
黑匣子声信标搜探技术，指的是利用水下黑匣子声信标所发射的水声信号，对声信标进行搜索与定位的技术，可应用于于飞机、舰船黑匣子搜索，失事潜艇、潜器营救等场景。相对于基于舰船平台的水下声信标搜探，深潜器可以下潜至接近于声信标所在的水层，增强了所接收声信号，进而提高了搜索质量与定位精度。因此，更加适用于执行深远海黑匣子声信标搜探任务。
在黑匣子声信标搜探领域，现有的文献与专利主要集中于对搜探声纳阵的设计及对定位解算方法的研究，而很少涉及对航路规划方法的探索。实际上，黑匣子声信标搜探的搜探效率、搜探概率、定位精度等关键指标均与搜探航路密切相关。因此，有必要对黑匣子声信标搜探的航路规划问题进行研究，以进一步提高水下声信标搜探质量。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法，所述航路规划方法包括三个阶段：信号搜索阶段、测向导引阶段及精确定位阶段；
步骤一：首先进入信号搜索阶段，信号搜索阶段采用梳形路径，潜器沿该梳形路径行驶，利用水听器阵列载荷监听水声信号，一旦侦测到声信标所发射的水声信号，则转入下一步骤；
步骤二：测向导引阶段采用弧形路径，潜器在行驶过程中不断根据水声信号的时延及方位信息解算声信标位置，并根据解算结果实时更新航向，当潜器接近声信标到指定距离时，结束测向导引阶段，并转入精确定位阶段；
步骤三：精确定位阶段采用圆形轨迹，精确定位阶段用于解算声信标位置。
进一步地，所述信号搜索阶段的搜索效率为：
其中，
式中，hv为潜器所在水层的深度；hsea为声信标所在水层的深度；Rrange为水听器作用距离；2Rshu为梳形路径的间距；v为潜器行驶速度。
进一步地，在所述测向导引阶段引入可控系数k实现对定位精度与接近速度的均衡，引入可控系数k后，所述航向为：
式中：vv为垂向航向；vP为径向航向；rm为精确定位阶段的航路半径；s为潜器距离声信标的实时距离。
进一步地，基于可控系数k的测向导引阶段具体实现步骤为：
第一步：输入航路可控系数k，默认值为0.7；
第二步：进行声信标定位解算，并根据定位解算结果计算潜器距离声信标的实时距离s；
第三步：将实时距离s代入航向计算公式，计算航向；
第四步：判断实时距离s是否达到精确定位阶段航路半径rm，若达到该航路半径则转入精确定位阶段；若未达到该航路半径，则重复第二步至第四步直到达到精确定位阶段为止。
进一步地，所述可控系数k取值范围为0～1。
进一步地，所述声信标位置解算方法为基于时延差信息的长基线定位解算方法或基于方位信息的超短基线交汇定位解算方法。
本发明的有益效果为：当潜器采用本发明所涉及的航路规划方法进行声信标搜探时，可以有效提高搜探效率、搜探概率及定位精度。
附图说明
图1为梳形路径示意图；
图2为不同可控系数下的弧形测向导引路径图；
图3为圆形航路的定位精度分布图；
图4为实施算例航路规划结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法，所述航路规划方法包括三个阶段：信号搜索阶段、测向导引阶段及精确定位阶段；
步骤一：首先进入信号搜索阶段，信号搜索阶段采用梳形路径，潜器沿该梳形路径行驶，利用水听器阵列载荷监听水声信号，一旦侦测到声信标所发射的水声信号，则转入下一步骤；
步骤二：测向导引阶段采用弧形路径，潜器在行驶过程中不断根据水声信号的时延及方位信息解算声信标位置，并根据解算结果实时更新航向，当潜器接近声信标到指定距离时，结束测向导引阶段，并转入精确定位阶段；
步骤三：精确定位阶段采用圆形轨迹，精确定位阶段用于解算声信标位置。
具体步骤一：信号搜索阶段采用梳形路径。
信号搜索阶段的主要目的是利用潜器平台的声纳阵载荷对一定区域进行扫描作业，探测声信标所发射的水声信号。因此，搜索效率是衡量声信标搜索能力的关键指标。
图1所示为采用梳形路径进行声信标搜索的示意图。图中，hv为潜器所在水层的深度；hsea为声信标所在水层的深度；Rrange为水听器声纳作用距离；2Rshu为梳形路径的间距；v为潜器行驶速度。
根据图1所示的几何关系，有：
则搜索效率为：
可见：
1)梳形路径是使搜索效率最大化的最优搜探路径；
2)提高声纳阵载荷的作用距离或增大潜器平台的运动速度可以有效提高搜索效率；
3)潜器深度越接近于声信标深度时，搜索效率越高。但在实际中，声信标往往布放于海底，而潜器的下潜深度有限，因此，在计算梳形路径及搜索效率时，仍应考虑深度不同所带来的影响。
正是基于以上考虑，本发明采用梳形路径进行信号搜索，并使梳形路径的深度保持在使潜器最接近于声信标深度的安全深度。
具体步骤二：测向导引阶段采用弧形路径。
测向导引阶段潜器的主要工作是实时解算声信标位置，避免错失目标，并引导潜器接近声信标。因此，对测向导引阶段的路径，即：潜器的实时航向提出了较高要求。一方面，从解算声信标位置的角度进行考虑，要求潜器航向尽量接近于垂向(垂直于潜器视线方向)；这样，不仅提高了声信号到达角度(direction of arrival)的估计精度，而且提高了基于声信号时延差(time difference of arrival)定位解算的精度。另一方面，从接近声信标的角度进行考虑，效率最高的接近方式为径向接近(沿着潜器视线方向)；然而径向行驶却是使定位精度最低的行驶方向。
进行测向导引阶段航路规划与航向设计时，必然是二者的兼顾。因为如果无法保证定位精度而一味追求接近效率，会使潜器快速接近于错误的声信标位置，最终“错失”真实目标位置；而如果单纯保证定位精度而采用垂向航向，则会导致潜器围绕声信标位置“绕圈”，无法接近声信标。
本发明引入可控系数k实现对定位精度与接近速度的均衡。引入可控系数k后，所设计的航向为：
式中：vv为垂向航向；vP为径向航向；rm为精确定位阶段的航路半径；s为潜器距离声信标的实时距离。采用不同可控系数k的测向导引阶段航路如图2所示。可见，通过调节可控系数k可产生不同的接近航路，以实现对定位精度与接近速度的均衡。当选择较大的可控系数k时，接近速度较快但定位精度偏低；相反，当选择较小的可控系数k时，接近速度较慢但定位精度更高。可控系数k的可选范围应为0～1。
基于可控系数k的测向导引阶段，实时航路规划更新方法为：
第一步：人为输入航路控制系数k，默认值为0.7。
第二步：进行声信标定位解算，并根据定位解算结果计算潜器距离声信标的实时距离s。
第三步：将实时距离s代入航向计算公式，计算设计航向。
第四步：判断实时距离s是否达到精确定位阶段航路半径rm。若达到该半径则转入精确定位阶段；若未达到该半径，则重复第二步至第四步直到达到精确定位阶段为止。
具体步骤三：精确定位阶段采用圆形路径。
精确定位阶段潜器的任务是解算声信标的位置。因此，精确定位阶段航路规划的目标是使定位精度最优化。在水声定位研究领域，常用的定位解算方式主要有两种，即：基于时延差(time difference of arrival,TDOA)信息的长基线定位解算与基于方位(direction of arrival,DOA)信息的超短基线交汇定位解算方法。图3所示为两种定位方式的定位精度分布。图中，圆圈所示为精确定位航路轨迹；星号所示为在航路轨迹上的典型解算点；图3(a)为长基线定位精度分布；图3(b)为超短基线交汇定位精度分布。
可见，在航路轨迹内的大部分区域均具有较高的定位精度，其定位精度优于10m。同时，部分区域为定位解算盲区，在盲区内的定位精度较差。采用圆形轨迹可有效克服盲区影响。随着潜器沿着圆形轨迹航行，解算点与定位解算盲区均沿着轨迹圆心旋转。进而，在整个精确定位航行时间内，可选择有利于定位解算的时间来避免盲区影响。
实施算例：
仿真潜器搜探声信标过程，参数如下：潜器速度1m/s，潜器深度300m；海深800m，且声信标位于海底；声纳作用距离3500m。黑匣子坐标为[0,0]m，潜器在坐标[28000,-20000]m处开始搜探作业。
步骤一：梳形路径阶段。
将场景信息参数与声纳参数带入(2)式，计算得到的梳形路径间距为6928m，对应的搜探速率为6928m2/s。根据该参数规划的航路如图4(a)所示，路径为梳形路径，在路径终点，接收到声信标信号，随机转入测向导引阶段。
步骤二：测向导引阶段。
令可控系数k为0.7，则测向导引阶段的弧形路径如图4(b)所示。测向导引阶段路径长度为7412m，在测向导引阶段终点处的定位误差为24.12m。
步骤三：精确定位阶段。
假设采用超短基线交汇的定位解算方式，所规划的圆形航路如图4(c)所示，相应的定位精度为3.6m。
通过该实施算例可见，采用本发明所设计的航路规划方法，能正确引导潜器发现并定位声信标，有效提高了搜索效率，实现了高精度声信标定位，使最终定位精度优于5m。
以上对本发明所提供的一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于深潜器的黑匣子声信标搜探航路规划方法，其特征在于：所述航路规划方法包括三个阶段：信号搜索阶段、测向导引阶段及精确定位阶段；
步骤一：首先进入信号搜索阶段，信号搜索阶段采用梳形路径，潜器沿该梳形路径行驶，利用水听器阵列载荷监听水声信号，一旦侦测到声信标所发射的水声信号，则转入下一步骤；
步骤二：测向导引阶段采用弧形路径，潜器在行驶过程中不断根据水声信号的时延及方位信息解算声信标位置，并根据解算结果实时更新航向，当潜器接近声信标到指定距离时，结束测向导引阶段，并转入精确定位阶段；
步骤三：精确定位阶段采用圆形轨迹，精确定位阶段用于解算声信标位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述信号搜索阶段的搜索效率为：
其中，
式中，hv为潜器所在水层的深度；hsea为声信标所在水层的深度；Rrange为水听器作用距离；2Rshu为梳形路径的间距；v为潜器行驶速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述测向导引阶段引入可控系数k实现对定位精度与接近速度的均衡，引入可控系数k后，所述航向为：
式中：vv为垂向航向；vP为径向航向；rm为精确定位阶段的航路半径；s为潜器距离声信标的实时距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：基于可控系数k的测向导引阶段具体实现步骤为：
第一步：输入航路可控系数k，默认值为0.7；
第二步：进行声信标定位解算，并根据定位解算结果计算潜器距离声信标的实时距离s；
第三步：将实时距离s代入航向计算公式，计算航向；
第四步：判断实时距离s是否达到精确定位阶段航路半径rm，若达到该航路半径则转入精确定位阶段；若未达到该航路半径，则重复第二步至第四步直到达到精确定位阶段为止。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述可控系数k取值范围为0～1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述声信标位置解算方法为基于时延差信息的长基线定位解算方法或基于方位信息的超短基线交汇定位解算方法。
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