CN112596047A - 轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统和方法，目标航行轨迹建模，形成典型轨迹数据库；建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，形成合作信标时延参数；根据目、源、水声环境三维空间位置与关系，形成水面和水底为主的反射特性模拟参数。按照合作信标编码原则，在线输出复杂轨迹动态模拟合作信标。产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，解决静态合作信标下对动态真实环境自检条件的缺失性。使水下轨迹跟踪系统自检输入更接近真实条件，弥补静态声源自检条件下系统输入对于复杂环境信息的缺失，提高自检方法的科学性，检验跟踪系统对水声反射的识别和剔除能力，提高系统测试输入的完整性和自我检验能力。

Description

轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统和方法

技术领域

本发明涉及水声技术、同步合作信标、水下轨迹跟踪、信号处理等领域。具体为轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统和方法。

背景技术

水下目标轨迹跟踪十分重要，在水下产品性能测试，UUV跟踪定位，水下目标打捞保障等领域广泛应用。

水下目标轨迹跟踪系统测量原理有主动方式，被动方式，合作信标方式等。其中同步合作信标方式的跟踪范围和跟踪精度相对较高，应用也较为广泛。传统的同步式水下目标跟踪系统，在调试及自检过程中，通常使用静态同步合作信号作为声源为。静态同步合作信号包含两个理想化条件，一是声源与测量基阵相对位置固定，而真实情况下目标与测量基阵的位置关系是相对运动的。二是缺乏真实水声环境下的反射特性。

水下目标轨迹跟踪与大气中目标轨迹跟踪相比，最大的差别就是环境不同，水下环境复杂性给水声设备开发带来极大干扰，环境适应性是水下目标轨迹跟踪系统研制的技术难点所在。

静态声源第一不能体现运动目标发射声源到达测量基阵的连续时延变换特性，第二不能充分反映水下多途传播特性。使得系统测试的边界条件得不到充分覆盖，导致测试存在遗漏区域。通常情况下通过动态试验可以在一定程度上进行验证，但是动态试验成本较高，且机会与有限。

为了解决上述问题，本文提出一种基于逼真环境复杂轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪系统自检方法，通过复杂轨迹的动态合作信标模拟，水声环境反射路径模拟，逼真反映水下目标与测量基阵、水声环境之间的关系。使水下轨迹跟踪系统自检输入更接近真实条件，弥补静态声源自检条件下系统输入对于复杂环境信息的缺失，提高自检方法的科学性，检验跟踪系统对水声反射的识别和剔除能力，提高系统测试输入的完整性和自我检验能力。

发明内容

本发明提出一种基于逼真环境复杂轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪系统自检方法。首先对目标航行轨迹建模，形成典型轨迹数据库。其次建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，推算直达波时延参数。根据目标、测量基阵、水面，水底三维空间位置与关系，形成水面和水底的反射特性模拟参数。最后在线输出体现直达波、反射波的复杂轨迹动态模拟合作信标，产生反映时间、空间、水声环境的动态模拟信标。通过复杂轨迹的动态合作信标模拟，可以逼真反映水下目标与测量基阵之间关系，使水下轨迹跟踪系统自检输入更接近真实条件，解决静态合作信标下对动态真实环境自检条件的缺失问题，充分覆盖自检边界条件，大大提高系统自检能力。

本发明是这样实现的：

轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统，包括对目标航行轨迹建模的轨道数据库、测量基阵、直达波时延参数计算模块、轨迹跟踪系统输入接口(6、)轨迹跟踪系统输出接口(8)、轨迹跟踪系统测量单元(7)、还包括：在线动态轨迹数据库生成单元(1)，用于从轨道数据库中提取并生成典型轨迹和用户定制轨迹两种轨迹数据作为输入信号，并能输出目标出轨迹坐标至动态轨迹合作信标参数产生单元(2)和环境反射特性参数生成单元(4)；动态轨迹合作信标参数产生单元(2)，用于获取目标在测量基阵中的空间位置信息，并同步合作信标将目标与测量基阵的空间位置反映在信标的时延编码，频率编码、相位编码中，得动态连续轨迹参数；环境反射特性参数生成单元(4)，用于获取测量基阵向水面、水底发射水面反射与水底反射的脉冲，并将反射路径的时延反映在脉冲的时延编码，频率编码、相位编码中，得真实水声环境反射参数；环境逼真动态信标模拟单元(5)，用于将动态连续轨迹参数和真实水声环境反射参数同时体现在在合作信标的各种相应特征编码中，产生模拟输出信号；数据库输入轨迹与系统输出轨迹比对单元(9)，用于将模拟输出信号和输入信号进行吻合度比对，小于轨迹偏差容忍度参数为自检成功，否则自检失败，输出比对结果。

进一步的，还包括，水声环境建模单元(3)，用于利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立。

进一步的，环境反射特性参数生成单元(4)，还用于接收水声环境建模单元(3)输出的数学模型建立，根据目标与水面、水底、接收基阵位置推算反射路径，及其对应的水面反射时延、水底反射时延。

本发明的另一方面，提供了轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检方法，包括以下步骤：

S1、获取航行目标的动态轨迹数据的输入信号；

S2、通过测量基阵建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，以及目标到每个阵元的直达波声程对应的时延、目标经水面反射到测量阵元声程对应的时延、目标经水底反射到测量阵元声程对应的时延；得合作信标时延参数，

S3、根据目、源、水声环境三维空间位置与关系，形成水面和水底为主的反射特性模拟参数、利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立；

S4、按照合作信标编码原则，基于反射特性模拟参数、数学模型在线输出复杂轨迹动态模拟合作信标，产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，为输出信号；

S5、水下轨迹跟踪系统输出轨迹与数据库输入轨迹吻合度比对进行自检。

进一步的，所述步骤S2中，还包括：根据目标轨迹(x_in,y_in,z_in)与接收基阵位置(Pi(xi,yi,zi))关系计算声程及其对应的时延t_in_i。

进一步的，所述步骤S2中，还包括：由输入信号获取的轨迹坐标(x_in,y_in,z_in)，和数学模型根据目标与水面、水底、接收基阵位置推算反射路径，得对应的水面反射时延t_fu_i，水底反射时延t_fu_i。

进一步的，所述步骤S2中，还包括：将目标输出时延t_in_i、水面反射时延t_fu_i和水底反射时延t_fd_i，通过编码体现在合作信标中，输出合作信标。

进一步的，所述步骤S4中，还包括：由水声环境建模单元(3)接收在线动态轨迹数据库生成单元(2)的输出轨迹，水声环境(1)输出的参数，水声环境下反射路径参数再生成模块(3)输出反射参数。

进一步的，水下轨迹跟踪系统计算单元(7)通过轨迹跟踪系统输入接口(6)接收模拟合作信标，经过解算，从轨迹跟踪系统输出接口(8)输出目标轨迹坐标。

本发明的工作原理为：

自检方法包括在线动态轨迹数据库生成单元、动态轨迹合作信标参数生成单元、环境反射特性参数生成单元、环境逼真动态信标模拟单元、轨迹跟踪系统输入接口、轨迹跟踪系统输出接口、轨迹跟踪系统测量单元、数据库输入轨迹与系统输出轨迹比对单元；

在线动态轨迹数据库生成。分为典型轨迹和用户定制轨迹两种方式，典型轨迹为固定的经典航迹，用户定制轨迹根据特定要求，分段输入参数，将分段串联形成整体轨迹。也可触摸屏感应用户手绘轨迹，转化为数据；

动态轨迹合作信标参数产生。同步合作信标将目标与测量基阵的空间位置反映在信标的时延编码，频率编码、相位编码中；

环境反射特性参数生成。主要的反射包括水面反射与水底反射，反射界面、声源、测量基阵之间满足反射几何关系，将反射路径的时延反映在脉冲的时延编码，频率编码、相位编码中；

在线动态轨迹联合真实环境合作信标模拟。将动态连续轨迹参数，真实水声环境主要反射参数，同时体现在在合作信标的各种特征编码中，产生模拟输出信号；

输出与输入吻合度比对。将水下轨迹测量系统输出与轨迹数据库输入吻合度比对比，小于轨迹偏差容忍度参数为自检成功，否则自检失败。

本发明的有益效果：

通过复杂轨迹的动态合作信标模拟，可以逼真反映水下目标与测量基阵之间关系，使水下轨迹跟踪系统自检输入更接近真实条件，解决静态合作信标下对动态真实环境自检条件的缺失问题，充分覆盖自检边界条件，大大提高系统自检能力。

以逼真环境复杂轨迹动态合作信标作为跟踪系统的测试输入，使水下轨迹跟踪系统自检输入更接近真实条件，弥补静态声源自检条件下系统输入对于复杂环境信息的缺失，提高自检方法的科学性，检验跟踪系统对水声反射的识别和剔除能力，提高系统测试输入的完整性和自我检验能力

附图说明

图1为基于逼真环境复杂轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪系统自检方法原理图；

图2是基于逼真环境复杂轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪系统自检方法原理图；

图3是在线动态轨迹数据库生成实现方法图。在线动态轨迹数据库生成单元；

图4是直达波、反射波传播示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

一种轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检方法，包括：目标航行轨迹建模，形成典型轨迹数据库。建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，形成合作信标时延参数。根据目、源、水声环境三维空间位置与关系，形成水面和水底为主的反射特性模拟参数。按照合作信标编码原则，在线输出复杂轨迹动态模拟合作信标。产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，解决静态合作信标下对动态真实环境自检条件(相比真实环境)的缺失性。

具体包括：

a.在线动态轨迹数据库生成；

b.目标与接收阵元之间基于特定水声环境的反射路径模拟；

c.动态轨迹与环境反射联合的动态环境逼真合作信标模拟；

d.水下轨迹跟踪系统输出轨迹与数据库输入轨迹吻合度比对。

e.静态环境下实现逼真动态轨输入自检方法。

产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，解决静态合作信标下对动态真实环境自检条件(相比真实环境)的缺失性。

实施例2：

轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检方法，包括以下步骤：

S1、获取航行目标的动态轨迹数据的输入信号；

S2、通过测量基阵建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，以及目标到每个阵元的直达波声程对应的时延、目标经水面反射到测量阵元声程对应的时延、目标经水底反射到测量阵元声程对应的时延；得合作信标时延参数，

S3、根据目、源、水声环境三维空间位置与关系，形成水面和水底为主的反射特性模拟参数、利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立；

S4、按照合作信标编码原则，基于反射特性模拟参数、数学模型在线输出复杂轨迹动态模拟合作信标，产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，为输出信号；

S5、水下轨迹跟踪系统输出轨迹与数据库输入轨迹吻合度比对进行自检。

实施例3：

如图2所示，自检方法包括在线动态轨迹数据库生成单元、动态轨迹合作信标参数生成单元、环境反射特性参数生成单元、环境逼真动态信标模拟单元、轨迹跟踪系统输入接口、轨迹跟踪系统输出接口、轨迹跟踪系统测量单元、数据库输入轨迹与系统输出轨迹比对单元。

如图3所示，在线动态轨迹数据库生成单元分为典型轨迹(1-1)和用户定制轨迹(1-2)两种方式，典型轨迹(1-1)为固定的经典航迹，用户定制轨迹(1-2)根据特定要求，用户分段输入参数串联形成整体轨迹(1-3)。也可触摸屏感应用户手绘轨迹(1-4)，转化为数据。

如图4所示，声源O，接收基阵包含i个阵元P1、P2……Pi。第i个真元直达波对应的声传播时间是t_in_i，水面反射对应的声传播时间是t_fu_i,水底反射对应的声传播时间是t_fd_i。

具体地：轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检方法，包括以下步骤：

a.测量基阵由若干个阵元P1……Pi组成,Pi坐标为(xi,yi,zi)，目标到每个阵元的直达波声程对应的时延是t_in_i。目标经水面反射到测量阵元声程对应的时延是t_fu_i,目标经水底反射到测量阵元声程对应的时延是t_fd_i。

b.在线动态轨迹数据库生成单元(1)。分为典型轨迹(1-1)和用户定制轨迹(1-2)两种方式，典型轨迹(1-1)为固定的经典航迹，用户定制轨迹(1-2)根据特定要求，用户分段输入参数串联形成整体轨迹(1-3)。也可触摸屏感应用户手绘轨迹(1-4)，转化为数据。

c.在线动态轨迹数据库生成单元(1)输出轨迹坐标(x_in,y_in,z_in)至动态轨迹合作信标参数生成单元(2)，该单元根据目标轨迹(x_in,y_in,z_in)与接收基阵(有i个阵元)位置(Pi(xi,yi,zi))关系计算声程及其对应的时延t_in_i；

d.水声环境建模单元(3)利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立。

e.在线动态轨迹数据库生成单元(1)输出轨迹坐标(x_in,y_in,z_in)至环境反射特性参数生成单元(4)，环境反射特性参数生成单元(4)同时接收水声环境建模单元(3)输出，根据目标与水面、水底、接收基阵位置推算反射路径，及其对应的水面反射时延t_fu_i，水底反射时延t_fu_i。

f.动态轨迹合作信标参数生成单元(2)输出时延t_in_i，环境反射特性参数生成单元(4)输出时延t_fu_i和t_fd_i至环境逼真动态信标模拟单元(5)，该单元将时延信息通过编码体现在合作信标中，输出合作信标。

g.轨迹跟踪系统输入单元(6)接收环境逼真动态信标模拟单元(5)的合作信标，经过轨迹跟踪系统测量单元(7)计算，通过轨迹跟踪系统输出单元(8)输出被测目标轨迹(x_out,y_out,z_out)。

h.水声环境建模单元(3)接收在线动态轨迹数据库生成单元(2)的输出轨迹，水声环境(1)输出的参数，水声环境建模单元(3)输出反射参数。

i.动态真实环境模拟信标(5)接收动态轨迹合作信标参数生成单元(2)和环境反射特性参数生成单元(4)的参数，产生模拟信标至轨迹跟踪系统输入接口(6)，该接口兼容模拟电路方式、数字电路方式、传感器方式；

j.水下轨迹跟踪系统计算单元(7)通过轨迹跟踪系统输入接口(6)接收模拟合作信标，经过解算，从轨迹跟踪系统输出接口(8)输出目标轨迹坐标；

k.数据库输入轨迹与系统输出轨迹比对单元(9)将轨迹跟踪系统输出接口(8)输出轨迹与在线动态轨迹数据库的轨迹(1)进行对比。将对比结果显示给用户(10)。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检系统，包括对目标航行轨迹建模的轨道数据库、测量基阵、直达波时延参数计算模块、轨迹跟踪系统输入接口(6、)轨迹跟踪系统输出接口(8)、轨迹跟踪系统测量单元(7)、其特征在于，还包括：

在线动态轨迹数据库生成单元(1)，用于从轨道数据库中提取并生成典型轨迹和用户定制轨迹两种轨迹数据作为输入信号，并能输出目标出轨迹坐标至动态轨迹合作信标参数产生单元(2)和环境反射特性参数生成单元(4)；

动态轨迹合作信标参数产生单元(2)，用于获取目标在测量基阵中的空间位置信息，并同步合作信标将目标与测量基阵的空间位置反映在信标的时延编码，频率编码、相位编码中，得动态连续轨迹参数；

环境反射特性参数生成单元(4)，用于获取测量基阵向水面、水底发射水面反射与水底反射的脉冲，并将反射路径的时延反映在脉冲的时延编码，频率编码、相位编码中，得真实水声环境反射参数；

环境逼真动态信标模拟单元(5)，用于将动态连续轨迹参数和真实水声环境反射参数同时体现在在合作信标的各种相应特征编码中，产生模拟输出信号；

数据库输入轨迹与系统输出轨迹比对单元(9)，用于将模拟输出信号和输入信号进行吻合度比对，小于轨迹偏差容忍度参数为自检成功，否则自检失败，输出比对结果。

2.根据权利要求1所述的水下轨迹跟踪自检系统，其特征在于，还包括，水声环境建模单元(3)，用于利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立。

3.根据权利要求2所述的水下轨迹跟踪自检系统，其特征在于，环境反射特性参数生成单元(4)，还用于接收水声环境建模单元(3)输出的数学模型建立，根据目标与水面、水底、接收基阵位置推算反射路径，及其对应的水面反射时延、水底反射时延。

4.轨迹动态合作信标模拟的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取航行目标的动态轨迹数据的输入信号；

S2、通过测量基阵建立目标与测量基阵的相对物理空间位置坐标，以及目标到每个阵元的直达波声程对应的时延、目标经水面反射到测量阵元声程对应的时延、目标经水底反射到测量阵元声程对应的时延；得合作信标时延参数，

S3、根据目、源、水声环境三维空间位置与关系，形成水面和水底为主的反射特性模拟参数、利用深度、温度、声速等传播特性参数，水声波传播速度、传播衰减变量等进行数学模型建立；

S4、按照合作信标编码原则，基于反射特性模拟参数、数学模型在线输出复杂轨迹动态模拟合作信标，产生反映距离、深度、反射路径的动态真实环境模拟信标，为输出信号；

S5、水下轨迹跟踪系统输出轨迹与数据库输入轨迹吻合度比对进行自检。

5.根据权利要求4所述的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：根据目标轨迹(x_in,y_in,z_in)与接收基阵位置(Pi(xi,yi,zi))关系计算声程及其对应的时延t_in_i。

6.根据权利要求5所述的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：由输入信号获取的轨迹坐标(x_in,y_in,z_in)，和数学模型根据目标与水面、水底、接收基阵位置推算反射路径，得对应的水面反射时延t_fu_i，水底反射时延t_fu_i。

7.根据权利要求6所述的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：将目标输出时延t_in_i、水面反射时延t_fu_i和水底反射时延t_fd_i，通过编码体现在合作信标中，输出合作信标。

8.根据权利要求4所述的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，所述步骤S4中，还包括：由水声环境建模单元(3)接收在线动态轨迹数据库生成单元(2)的输出轨迹，水声环境(1)输出的参数，水声环境下反射路径参数再生成模块(3)输出反射参数。

9.根据权利要求8所述的水下轨迹跟踪自检方法，其特征在于，水下轨迹跟踪系统计算单元(7)通过轨迹跟踪系统输入接口(6)接收模拟合作信标，经过解算，从轨迹跟踪系统输出接口(8)输出目标轨迹坐标。

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