CN112131777B - 一种面向多uuv群组协同探测任务的阵型生成方法 - Google Patents

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CN112131777B CN202011018276.4A CN202011018276A CN112131777B CN 112131777 B CN112131777 B CN 112131777B CN 202011018276 A CN202011018276 A CN 202011018276A CN 112131777 B CN112131777 B CN 112131777B
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Abstract

本发明属于水下无人航行器阵型生成技术领域，具体涉及一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法。本发明解决了UUV在宽广海域或对高速机动目标进行探测时，无法满足单UUV或单一UUV群组成队形实现精准探测的任务需求。本发明以高探测和高精度为目标，结合多UUV群组的阵型结构特性、UUV机动特性、UUV群组任务使命、所携带声呐的工作特性以及探测海域电子海图，生成能够实现对大面积海域、高机动目标进行精准探测的特定阵型，有效提高了多UUV群组对宽广海域及机动目标的协同探测。

Description

一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法
技术领域
本发明属于水下无人航行器阵型生成技术领域，具体涉及一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法。
背景技术
水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作为民用和军用的探测非合作目标的重要手段，随着隐身技术的不断发展，水中非合作目标的噪声逐渐降低，单UUV对水下非合作目标的探测难度也随之增强；而针对宽广海域和高速机动的非合作目标的探测，单UUV更加显得能力不足。因此，多UUV群组构成一定探测阵型进行协同探测成为当前海洋探测的重要手段。
多UUV群组在组成探测阵型进行协同探测任务时，能够克服探测海域宽广、目标高速机动、目标辐射噪声低等问题。通过将多UUV成群组布放于探测海域的不同位置，获得不同角度的目标观测数据，达到低成本、大面积、高精度的探测目的。通过检索国内外相关文献及专利，《一种多声呐的无线探鱼器及其系统》通过将至少两个声呐成阵型布放于探测海域的不同位置，实现了对同一深度同时对多个鱼群进行探测的目的，但由于声呐的机动性差，该专利具有探测精度低、无法对高速机动目标的精确定位的缺点；《一种基于矢量水听器的主从式多UUV协同定位方法》通过提出利用主从UUV所携带的矢量水听器所探测的时钟时间差来完成协同定位，以减少定位误差，但该专利具有探测范围小，无法形成对大面积海域的探测，无法满足实际的工程需求。本专利结合多UUV群组的阵型结构特性、UUV机动特性、UUV群组任务使命、所携带声呐的工作特性以及探测海域电子海图生成能够实现对大面积海域、高机动目标进行精准探测的特定阵型。
发明内容
本发明的目的在于解决UUV在宽广海域或对高速机动目标进行探测时，无法满足单UUV或单一UUV群组成队形实现精准探测的任务需求，提供一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
步骤1：根据UUV指控系统下达的探测目标海域，调取相应区域的电子海图，获取参与生成UUV群组协同探测阵型的UUV成员数目；
所述的UUV群组协同探测阵型分为内外两层结构，内层为高精度定位层，采用一主多从模式的具有较高探测精度的单UUV群组作为基本构成单元，一主多从模式的单UUV群组由1个主UUV和N1个从UUV构成；外层为高探测率警戒层，采用主从式的一字形结构的单UUV群组作为基本构成单元，主从式的一字形结构的单UUV群组由1个主UUV和N2个从UUV构成；所述的UUV两侧搭载有舷侧阵声纳，舷侧阵声纳的探测开角为θ，探测半径为r；
步骤2：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)和内层单UUV群组的目标函数g(S1)；
步骤2.1：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)；
步骤2.1.1：计算外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)被该群组内任一UUV成员ci探测的概率P(xs,ys,ci)；
Figure BDA0002699825330000021
Figure BDA0002699825330000022
其中，外层单UUV群组中各UUV成员的探测能力相同；(xi,yi)为UUV成员ci的位置坐标，αi为UUV成员ci的航向，i＝0,1,...,N2，c0为主UUV；e为信号衰减因子；
步骤2.1.2：计算外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)被该UUV群组探测的概率P(xs,ys)；
Figure BDA0002699825330000023
步骤2.1.3：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)；
f(L)＝max(Pr(L))
Figure BDA0002699825330000024
As＝(N2*L+2r)*2r
其中，Pr(L)为外层单UUV群组最大探测覆盖率；As为外层单UUV群组的最大布控海域范围；L为外层单UUV群组中相邻的两个UUV之间的距离；
步骤2.2：计算内层单UUV群组的目标函数g(S1)；
Figure BDA0002699825330000025
Figure BDA0002699825330000026
其中，GDOP(S1)为内层单UUV群组的定位精度；
Figure BDA0002699825330000031
表示内层单UUV群组的定位精度误差的平均值；S1为内层单UUV群组的探测区域面积；/>
Figure BDA0002699825330000032
为内层单UUV群组的探测区域内任一点(xa,yb)到从UUV成员cj与主UUV之间距离测量误差的标准差；
步骤3：基于粒子群算法，求解外层单UUV群组的目标函数f(L)和内层单UUV群组的目标函数g(S1)，计算外层单UUV群组中相邻的两个UUV之间的距离L和内层单UUV群组的探测区域面积S1的最优值，并获取各单UUV群组中从UUV相对于主UUV的相对位置；所述的相对位置包括单组UUV群组组内UUV成员之间的角度、距离以及自身航向角；
步骤4：计算UUV群组协同探测阵型中外层需要的单UUV群组数量MO和内层需要的单UUV群组数量mo；
MO＝LS/(L*N2)
Figure BDA0002699825330000033
其中，LS为探测目标海域的周长；当Mo不为整数时，取Mo为不超过Mo+1的最大整数；S为探测目标海域的面积；当mo不为整数时，取mo为不超过mo+1的最大整数；
步骤5：生成UUV群组协同探测阵型，完成阵型生成任务；
对于外层高探测率警戒层，将MO个单UUV群组以L为群组中相邻的两个UUV之间的距离依次排放在所需探测海域的边缘，生成外层高探测率警戒层阵型；对于内层高精度定位层，将所需探测海域面积S进行mo等分，将每组单UUV群组排放在所分小范围海域的中心位置，生成内层高精度定位层阵型。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了UUV在宽广海域或对高速机动目标进行探测时，无法满足单UUV或单一UUV群组成队形实现精准探测的任务需求。本发明以高探测和高精度为目标，结合多UUV群组的阵型结构特性、UUV机动特性、UUV群组任务使命、所携带声呐的工作特性以及探测海域电子海图，生成能够实现对大面积海域、高机动目标进行精准探测的特定阵型，有效提高了多UUV群组对宽广海域及机动目标的协同探测。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为多UUV群组协同探测阵型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法，属于水下无人航行器阵型生成领域。本发明目的是解决UUV在宽广海域或对高速机动目标进行探测时，无法满足单UUV或单一UUV群组成队形实现精准探测的任务需求。本发明以高探测和高精度为目标，结合多UUV群组的阵型结构特性、UUV机动特性、UUV群组任务使命、所携带声呐的工作特性以及探测海域电子海图，生成能够实现对大面积海域、高机动目标进行精准探测的特定阵型，有效提高了多UUV群组对宽广海域及机动目标的协同探测。
一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法，包括如下步骤：
步骤一：根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，给出UUV群组协同探测阵型的阵型结构及单组UUV群组成员数目和UUV所携带声纳工作特性；
步骤二：根据所选择的阵型结构，给出单UUV群组的目标函数；
步骤三：根据所给出的目标函数，基于粒子群算法，给出单UUV群组中各UUV相对位置；
步骤四：根据所给出的UUV群组协同探测阵型的阵型结构，结合探测区域，给出多UUV群组协同探测阵型的所需的UUV群组数目；
步骤五：根据所给出的UUV群组协同探测阵型的阵型结构，结合探测区域与UUV群组数目，生成各UUV群组阵位组成多UUV协同探测阵型；
所述的步骤一的UUV群组协同探测阵型的阵型结构分为内外两层结构，内层为高精度定位层，采用一主多从模式的具有较高探测精度的单UUV群组作为内层定位层的基本构成单元；外层为高探测覆盖率警戒层，采用主从式的一字形结构的单UUV群组作为外层警戒阵型的基本构成单元；所有UUV采用两侧搭载舷侧阵声纳的方式，其中舷侧阵声纳的探测开角为θ，探测半径为r；一主多从模式的单UUV群组由1个主UUV和N1个从UUV构成；主从式的一字形结构的单UUV群组由1个主UUV和N2个从UUV构成；
步骤二具体包括：步骤二(A)确定外层高探测覆盖率警戒层的目标函数和步骤二(B)确定内层高精度定位层的目标函数；
步骤二(A1)：求解外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)的被单UUV群组内某UUV成员ci(i为外层单UUV群组中各UUV编号，主UUV为c0，从UUV从1开始进行编号至N2)探测的概率为
Figure BDA0002699825330000041
其中各UUV的探测能力相同，e为信号衰减因子，αi为航向，ci＝{xi,yi,αi}表示UUV成员ci的位置坐标与航向，/>
Figure BDA0002699825330000051
步骤二(A2)：求解外层单UUV群组布控区域内任意一点被单群组UUV探测的概率P(xs,ys)，假设布控区域内某一点被单群组UUV内任意UUV探测到即认定为被该群组UUV探测到，则
Figure BDA0002699825330000052
步骤二(A3)：求解外层高探测覆盖率警戒层单UUV群组的目标函数为：
f(L)＝max(Pr(L))
利用的公式如下：
因外层单UUV群组采用一字型阵型，故外层单UUV群组最大布控海域范围
Figure BDA0002699825330000053
其中L为单UUV群组中相邻两个UUV之间的距离，(xa,ya)、(xb,yb)表示该UUV群组边缘的两个UUVa、UUVb的坐标；
单UUV群组最大探测覆盖率
Figure BDA0002699825330000054
其中/>
Figure BDA0002699825330000055
表示单UUV群组最大布控海域内被探测到的面积；约束条件：/>
Figure BDA0002699825330000056
步骤二(B1)：求解内层高精度定位层单UUV群组的定位精度，基于时差定位法将单UUV群组内某一点到从UUV与主UUV之间的距离测量误差的标准差之和作为定位精度的评判标准，则内层单UUV群组的定位精度为
Figure BDA0002699825330000057
其中N1为内层单UUV群组中从UUV个数，/>
Figure BDA0002699825330000058
表示单UUV群组内某一点到从UUV成员cj与主UUV之间距离测量误差标准差；
步骤二(B2)：求解内层高精度定位层单UUV群组的目标函数为
Figure BDA0002699825330000059
其中/>
Figure BDA00026998253300000510
表示定位精度误差的平均值，S1表示内层单UUV群组指定探测区域面积；
步骤三具体包括：
基于粒子群算法，通过求解目标函数，获得各单UUV群组中从UUV相对于主UUV的相对位置,相对位置包括单组UUV群组组内UUV成员之间的角度和距离以及自身航向角；
步骤四具体包括：
步骤四(A)：求解外层高探测率警戒层的UUV群组数目MO：
MO＝LS/(L*N2)
其中LS表示给出的所需探测目标海域周长,为节约成本且不产生探测漏洞，当Mo不为整数时，取Mo为不超过Mo+1的最大整数；
步骤四(B)：求解内层高精度定位层的UUV群组数目mo：
Figure BDA0002699825330000061
其中S为所需探测目标海域面积，为节约成本且不产生探测漏洞，当mo不为整数时，取mo为不超过mo+1的最大整数；
所述的步骤五具体包括：
步骤五(A)：对于外层高探测率警戒层，将MO个UUV群组以L为群组间距依次排放在所需探测海域的边缘，生成外层高探测率警戒层阵型；
步骤五(B)：对于内层高精度定位层，将所需探测海域面积S进行mo等分，将每组单UUV群组排放在所分小范围海域的中心位置，生成内层高精度定位层阵型，组成多UUV群组协同探测阵型。
本发明的有益效果在于：本发明考虑到UUV在宽广海域或对高速机动目标进行探测时，单UUV或单一UUV群组成队形无法实现精准探测的任务需求。本发明以高探测和高精度为目标，结合多UUV群组的阵型结构特性、UUV机动特性、UUV群组任务使命、所携带声呐的工作特性以及探测海域电子海图，生成能够实现对大面积海域、高机动目标进行精准探测的特定阵型，有效提高了多UUV群组对宽广海域及机动目标的协同探测。
实施例1：
一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法，以计算机程序的方式嵌入到UUV群组指控系统中，具体包括以下几个步骤：步骤一根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，给出UUV群组协同探测阵型的阵型结构及单组UUV群组成员数目和UUV所携带声纳工作特性；步骤二根据所选择的阵型结构和UUV所携带的声纳工作特性，计算单UUV群组的目标函数；步骤三根据所给出的目标函数，基于粒子群算法，计算单UUV群组中各UUV相对位置；步骤四根据所给出的UUV群组协同探测阵型的阵型结构，结合探测区域，计算多UUV群组协同探测阵型的所需的UUV群组数目；步骤五根据所给出的UUV群组协同探测阵型的阵型结构，结合探测区域与UUV群组数目，得出各UUV群组阵位组成多UUV群组协同探测阵型；
结合图2，介绍所选的阵型结构及单组UUV数目和声呐工作特性。
步骤一所述的UUV群组协同探测阵型的阵型结构分为内外两层结构，内层为高精度定位层，采用一主多从模式的具有较高探测精度的单UUV群组作为内层定位层的基本构成单元；外层为高探测率警戒层，采用主从式的一字形结构的单UUV群组作为外层警戒阵型的基本构成单元；UUV采用两侧搭载舷侧阵声纳的方式，其中舷侧阵声纳的探测开角为θ，探测半径为r；
结合图2，介绍单组UUV目标函数的生成和单组UUV群组内成员位置关系和单组UUV阵型。
步骤二(A1)：求解外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)的被单UUV群组内某UUV成员ci(i为外层单UUV群组中各UUV编号，主UUV为c0，从UUV从1开始进行编号至N2)探测的概率为
Figure BDA0002699825330000071
其中各UUV的探测能力相同，e为信号衰减因子，αi为航向，ci＝{xi,yi,αi}表示UUV成员ci的位置坐标与航向，/>
Figure BDA0002699825330000072
步骤二(A2)：求解外层单UUV群组布控区域内任意一点被单群组UUV探测的概率P(xs,ys)，假设布控区域内某一点被单群组UUV内任意UUV探测到即认定为被该群组UUV探测到，则
Figure BDA0002699825330000073
步骤二(A3)：求解外层高探测覆盖率警戒层单UUV群组的目标函数为：
f(L)＝max(Pr(L))
利用的公式如下：
因外层单UUV群组采用一字型阵型，故外层单UUV群组最大布控海域范围
Figure BDA0002699825330000074
其中L为单UUV群组中相邻两个UUV之间的距离，(xa,ya)、(xb,yb)表示该UUV群组边缘的两个UUVa、UUVb的坐标；
单UUV群组最大探测覆盖率
Figure BDA0002699825330000075
其中/>
Figure BDA0002699825330000076
表示单UUV群组最大布控海域内被探测到的面积；约束条件：/>
Figure BDA0002699825330000077
步骤二(B1)：求解内层高精度定位层单UUV群组的定位精度，基于时差定位法将单UUV群组内某一点到从UUV与主UUV之间的距离测量误差的标准差之和作为定位精度的评判标准，则内层单UUV群组的定位精度为
Figure BDA0002699825330000078
其中N1为内层单UUV群组中从UUV个数，/>
Figure BDA0002699825330000079
表示单UUV群组内某一点到从UUV成员cj与主UUV之间距离测量误差标准差；
步骤二(B2)：求解内层高精度定位层单UUV群组的目标函数为
Figure BDA0002699825330000081
其中/>
Figure BDA0002699825330000082
表示定位精度误差的平均值，S1表示内层单UUV群组指定探测区域面积；
步骤三具体包括：
基于粒子群算法，通过求解目标函数，获得各单UUV群组中从UUV相对于主UUV的相对位置,相对位置包括单组UUV群组组内UUV成员之间的角度和距离以及自身航向角；
步骤四具体包括：
步骤四(A)：求解外层高探测率警戒层的UUV群组数目MO：
MO＝LS/(L*N2)
其中LS表示给出的所需探测目标海域周长,为节约成本且不产生探测漏洞，当Mo不为整数时，取Mo为不超过Mo+1的最大整数；
步骤四(B)：求解内层高精度定位层的UUV群组数目mo：
Figure BDA0002699825330000083
其中S为所需探测目标海域面积，为节约成本且不产生探测漏洞，当mo不为整数时，取mo为不超过mo+1的最大整数；
所述的步骤五具体包括：
步骤五(A)：对于外层高探测率警戒层，将MO个UUV群组以L为群组间距依次排放在所需探测海域的边缘，生成外层高探测率警戒层阵型；
步骤五(B)：对于内层高精度定位层，将所需探测海域面积S进行mo等分，将每组单UUV群组排放在所分小范围海域的中心位置，生成内层高精度定位层阵型，组成多UUV群组协同探测阵型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种面向多UUV群组协同探测任务的阵型生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据UUV指控系统下达的探测目标海域，调取相应区域的电子海图，获取参与生成UUV群组协同探测阵型的UUV成员数目；
所述的UUV群组协同探测阵型分为内外两层结构，内层为高精度定位层，采用一主多从模式的具有较高探测精度的单UUV群组作为基本构成单元，一主多从模式的单UUV群组由1个主UUV和N1个从UUV构成；外层为高探测率警戒层，采用主从式的一字形结构的单UUV群组作为基本构成单元，主从式的一字形结构的单UUV群组由1个主UUV和N2个从UUV构成；所述的UUV两侧搭载有舷侧阵声纳，舷侧阵声纳的探测开角为θ，探测半径为r；
步骤2：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)和内层单UUV群组的目标函数g(S1)；
步骤2.1：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)；
步骤2.1.1：计算外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)被该群组内任一UUV成员ci探测的概率P(xs,ys,ci)；
Figure FDA0003994946670000011
Figure FDA0003994946670000012
其中，外层单UUV群组中各UUV成员的探测能力相同；(xi,yi)为UUV成员ci的位置坐标，αi为UUV成员ci的航向，i＝0,1,...,N2，c0为主UUV；e为信号衰减因子；
步骤2.1.2：计算外层单UUV群组布控区域内任一点(xs,ys)被该UUV群组探测的概率P(xs,ys)；
Figure FDA0003994946670000013
步骤2.1.3：计算外层单UUV群组的目标函数f(L)；
f(L)＝max(Pr(L))
Figure FDA0003994946670000014
As＝(N2*L+2r)*2r
其中，Pr(L)为外层单UUV群组最大探测覆盖率；As为外层单UUV群组的最大布控海域范围；L为外层单UUV群组中相邻的两个UUV之间的距离；
步骤2.2：计算内层单UUV群组的目标函数g(S1)；
Figure FDA0003994946670000021
Figure FDA0003994946670000022
其中，GDOP(S1)为内层单UUV群组的定位精度；
Figure FDA0003994946670000023
表示内层单UUV群组的定位精度误差的平均值；S1为内层单UUV群组的探测区域面积；
Figure FDA0003994946670000024
为内层单UUV群组的探测区域内任一点(xa,yb)到从UUV成员cj与主UUV之间距离测量误差的标准差；
步骤3：基于粒子群算法，求解外层单UUV群组的目标函数f(L)和内层单UUV群组的目标函数g(S1)，计算外层单UUV群组中相邻的两个UUV之间的距离L和内层单UUV群组的探测区域面积S1的最优值，并获取各单UUV群组中从UUV相对于主UUV的相对位置；所述的相对位置包括单组UUV群组组内UUV成员之间的角度、距离以及自身航向角；
步骤4：计算UUV群组协同探测阵型中外层需要的单UUV群组数量MO和内层需要的单UUV群组数量mo；
MO＝LS/(L*N2)
Figure FDA0003994946670000025
其中，LS为探测目标海域的周长；当Mo不为整数时，取Mo为不超过Mo+1的最大整数；S为探测目标海域的面积；当mo不为整数时，取mo为不超过mo+1的最大整数；
步骤5：生成UUV群组协同探测阵型，完成阵型生成任务；
对于外层高探测率警戒层，将MO个单UUV群组以L为群组中相邻的两个UUV之间的距离依次排放在所需探测海域的边缘，生成外层高探测率警戒层阵型；对于内层高精度定位层，将所需探测海域面积S进行mo等分，将每组单UUV群组排放在所分小范围海域的中心位置，生成内层高精度定位层阵型。
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