CN113253205B - 一种水下滑翔机编队的目标观探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下滑翔机编队的目标观探测方法，包括如下步骤：步骤一：滑翔机编队中的主滑翔机以及各辅助滑翔机均实时探测目标源，在探测到目标源时均获取自身的基础信息；步骤二：辅助滑翔机将自身的基础信息发送至主滑翔机，主滑翔机根据所述基础信息，计算主滑翔机与目标源之间的第一相对距离，以及各辅助滑翔机与目标源之间的第二相对距离，并计算第一相对距离与第二相对距离的差值；主滑翔机根据所述差值以及各滑翔机的基础信息，进行目标定位分析，判断当前定位是否能够精确实现；步骤三：若当前定位能够精确实现，则计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置；若当前定位不能精确实现，则处理后再进行计算。

Description

一种水下滑翔机编队的目标观探测方法

技术领域

本发明涉及观探测技术领域，更具体地，涉及一种水下滑翔机编队的目标观探测方法。

背景技术

为了应对各种军事和民用方面日益竞争的需要，利用水下无人航行器实现水下目标观探测和定位是当前海洋无人装备研究的热点。

单台水下无人航行器在一定区域内，一定程度上可以较好地完成既定任务，但是对于信息交互的实时性、水下目标位置确认、观探测效能等方面已经不能够满足当前需求。为提高传感器观探测的精确度，大多在单个水下滑翔机上设置多个观探测传感器，导致对平台的体积及载荷要求很高，且受海洋环境的影响较大。而多个水下滑翔机共同进行目标位置的探测虽然能够提高精度，但是缺乏相互之间的配合，仍然达不到精确定位的要求因此，需要一种新型的水下滑翔机编队的目标观探测方法，可以在更加复杂的海洋环境下，提高水下观探测能力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种水下滑翔机编队的目标观探测的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种水下滑翔机编队的目标观探测方法，包括如下步骤：

步骤一：滑翔机编队中的主滑翔机以及各辅助滑翔机均实时探测目标源，在探测到目标源时均获取自身的基础信息，所述基础信息包括探测到目标源时自身的位置信息以及时间信息；

步骤二：辅助滑翔机将自身的基础信息发送至主滑翔机，主滑翔机根据所述基础信息，计算主滑翔机与目标源之间的第一相对距离，以及各辅助滑翔机与目标源之间的第二相对距离，并计算第一相对距离与第二相对距离的差值；主滑翔机根据所述差值以及各滑翔机的基础信息，进行目标定位分析，判断当前定位是否能够精确实现；

步骤三：若当前定位能够精确实现，则计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置；若当前定位不能精确实现，则处理后再进行计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置。

优选地，在步骤一种，主滑翔机以及各辅助滑翔机实时探测目标源的辐射噪音信号，当目标源的辐射噪音信号强度达到阈值时获取所述基础信息。

优选地，在步骤二中，所述目标定位分析主要包括如下步骤：

首先，主滑翔机根据所述基础信息，通过如下公式(1)进行计算

其中，r_i为目标源与第i台滑翔机之间的距离；Δr_i为目标源与第i台辅助滑翔机与其到主滑翔机之间的距离差；k_i为计算过程变量；

然后主滑翔机根据所述基础信息以及Δr_i通过如下公式进行结果分析：

其中，A为主滑翔机与各辅助滑翔机之间位置偏差矩阵；A^-1为位置偏差矩阵A的逆矩阵；A^-1为位置偏差矩阵A的转置矩阵；m_i、n_i、a、b、c为计算过程变量；

最后，设定

计算并判断当前定位情况如下：

当Δ＝b²-4ac＝0，方程有唯一解，即只有一个交点，定位能够精确实现；

当Δ＝b²-4ac＜0，方程无解，即没有交点，定位不可实现；

当Δ＝b²-4ac＞0，方程有两个解，即有两个交点，则存在定位模糊；当定位模糊时，记方程的两个解为r₀₁，r₀₂，通过如下方式处理：

若r₀₁r₀₂＜0，则取r₀₁或r₀₂中为正值的作为r₀，实现精确定位；

若r₀₁r₀₂＞0，则2个值均为正，则根据滑翔机在滑翔机编队中的位置消除其中一个模糊值实现精确定位。

优选地，在步骤三中，当定位能够精确实现时，根据以下公式计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置：

取(x，y，z)为目标源的精确位置。

优选地，当定位不可实现时，对滑翔机编队进行调整，使滑翔机编队不在同一平面上后，重新从步骤一开始。

优选地，还包括步骤四：主滑翔机根据所述基础信息实时计算定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数，并根据定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数对辅助滑翔机的位置进行调整。

优选地，在步骤四中，所述基础信息还包括探测到目标源时主滑翔机以及辅助滑翔机的角度信息，主滑翔机根据以下公式，采用几何稀释精度因子进行定位精度计算得出所述定位精度参数：

其中，定位精度参数R_GDOP低于阈值时，需要对辅助滑翔机的位置进行调整；

在步骤四中，主滑翔机通过如下公式计算得出水平观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；h为当前声学阵列横向探测跨度，单位：米；α为声学阵列探测总面积的权值系数；β为声学阵列横向探测跨度的权值系数，α和β是根据经验自行设定的权值；

在步骤四中，主滑翔机通过如下公式计算得出深度观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；d为声学阵列深度探测跨度，单位：米；γ为声学阵列探测总面积的权值系数；η为声学阵列深度探测跨度的权值系数。γ和η是根据经验自行设定的权值。

优选地，主滑翔机对辅助滑翔机的位置进行调整包括如下步骤：

当定位精度参数低于阈值时，主滑翔机根据水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的合，对声学探测阵列中各个辅助滑翔机的协同位置、协同速度和协同时间进行计算并发送至各个辅助滑翔机；

各辅助滑翔机根据接接收到的协同位置、协同速度和协同时间，进行态势调整运行，使得在水平面和垂直面上各辅助滑翔机平台均匀分布于主滑翔机周围。

优选地，主滑翔机计算协同位置、协同速度以及协同时间，使下一周期中水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的合大于阈值。

根据本公开的一个实施例，本方法基于多个水下移动平台组网观探测定位，充分发挥了多平台联合观探测的优势，使目标源的探测更加精确；并且能够实时调整滑翔机编队的位置，保证实时观探测的精确性，减小洋流的影响。

通过以下对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

实施例

本实施例中的水下声学滑翔机编队，由4台水下声学滑翔机构成观探测阵列，设置其中一台滑翔机为主滑翔机，编号为i＝0；其他滑翔机为辅助滑翔机，编号i＝1,2,3；水下目标源的空间位置为(x,y,z)^T。水下滑翔机声学观探测阵列工作机制及流程如下：

在观探测开始时，主滑翔机上搭载的主控制器根据阵列结构设定，通过水声通信模块给阵列中各辅助滑翔机发送阵列结构数据，辅助滑翔机根据主滑翔机发送的阵列结构数据调整自身的位置，从而达到声学观探测阵列设定的初始结构运行。

在具体的观探测过程中，遵循如下步骤：

步骤一：滑翔机编队中的主滑翔机以及各辅助滑翔机均实时探测目标源，在探测到目标源时均获取自身的基础信息，所述基础信息包括探测到目标源时自身的位置信息以及时间信息；

在该步骤中，水下滑翔机阵列中各平台的目标观探测模块通过平台携带的水听器探测到目标源的辐射噪声信号，判别辐射噪声信号强度，当大于阈值时记录接收时刻水下滑翔机的位置信息，包括所在经度位置x_i(单位：度/分/秒)、纬度位置y_i(单位：度/分/秒)和深度z_i(单位：米)数值，以及接收到目标源信号的时间t_i(单位：时/分/秒)；

步骤二：辅助滑翔机将自身的基础信息发送至主滑翔机，主滑翔机根据所述基础信息，通过水听器接收到目标源信号的时间以及声音在水中的传播速度即可计算得出距离，由此计算主滑翔机与目标源之间的第一相对距离，以及各辅助滑翔机与目标源之间的第二相对距离，并计算第一相对距离与第二相对距离的差值；主滑翔机根据所述差值以及各滑翔机的基础信息，进行目标定位分析，判断当前定位是否能够精确实现；

在该步骤中，目标定位分析主要包括如下步骤：

首先，主滑翔机根据所述基础信息，通过如下公式(1)进行计算

其中，r_i为目标源与第i台滑翔机之间的距离；Δr_i为目标源与第i台辅助滑翔机与其到主滑翔机之间的距离差；k_i为计算过程变量；

然后主滑翔机根据所述基础信息以及Δr_i通过如下公式(2)、(3)、(4)、(5)进行结果分析：

其中，A为主滑翔机与各辅助滑翔机之间位置偏差矩阵；A^-1为位置偏差矩阵A的逆矩阵；A^-1为位置偏差矩阵A的转置矩阵；m_i、n_i、a、b、c为计算过程变量；

最后，设定

计算并判断当前定位情况如下：

当Δ＝b²-4ac＝0，方程有唯一解，即只有一个交点，定位能够精确实现；

当Δ＝b²-4ac＜0，方程无解，即没有交点，定位不可实现；此时，对滑翔机编队进行调整，使滑翔机编队不在同一平面上后，重新从步骤一开始即可。

当Δ＝b²-4ac＞0，方程有两个解，即有两个交点，则存在定位模糊；当定位模糊时，记方程的两个解为r₀₁，r₀₂，通过如下方式处理：

若r₀₁r₀₂＜0，则取r₀₁或r₀₂中为正值的作为r₀，实现精确定位；

若r₀₁r₀₂＞0，则2个值均为正，则根据滑翔机在滑翔机编队中的位置消除其中一个模糊值实现精确定位。例如根据滑翔机在编队中的左侧或右侧等确切位置，消除一个模糊值。

声学观探测阵列实际上是根据阵列中4个水下滑翔机平台，每个平台都可以探测到目标的辐射噪声，根据探测的时间可以计算出目标的空间3维坐标，即x/y/z。但是在某些情况下是不存在解析解的，所以才有了对解的情况进行目标定位分析的过程，实现精确可靠的定位。

步骤三：若当前定位能够精确实现，则计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置；若当前定位不能精确实现，则处理后再进行计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置。

在该步骤中，当定位能够精确实现时，根据以下公式(6)计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置：

取(x，y，z)为目标源的精确位置。

由于滑翔机编队在运行过程中会出现偏差，或者针对不同位置的目标源，编队的固定位置会影响观探测精度，因此，为了针对不同位置的目标源的观探测精度，还包括步骤四：

主滑翔机根据所述基础信息实时计算定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数，并根据定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数对辅助滑翔机的位置进行调整。

在该步骤中，所述基础信息还包括探测到目标源时主滑翔机以及辅助滑翔机的角度信息，主滑翔机根据以下公式，采用几何稀释精度因子进行定位精度计算得出所述定位精度参数：

即各个方位上定位误差的方差之和再开方，R_GDOP越小，说明定位精度越低，定位精度参数R_GDOP低于阈值时，需要对辅助滑翔机的位置进行调整；

在该步骤中，主滑翔机通过如下公式计算得出水平观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；h为当前声学阵列横向探测跨度，单位：米；α为声学阵列探测总面积的权值系数；β为声学阵列横向探测跨度的权值系数，α和β是根据经验自行设定的权值；

声学观探测阵列系统在水平面的观探测效能评估优劣取决于两个方面，其一是阵列中所有平台水平面有效观探测面积的交集最大，其二是阵列速度方向水平面探测宽度大小。该两部分各有一个权值，通过公式(8)实时计算在时间窗口t₀～t₁之间的积分值即为水平观探测效能评估参数J₁，由于阵列的结构、运行速度、运行方向和受海流干扰等影响，该函数值是实时变化的。

在步骤四中，主滑翔机通过如下公式计算得出深度观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；d为声学阵列深度探测跨度，单位：米；γ为声学阵列探测总面积的权值系数；η为声学阵列深度探测跨度的权值系数。γ和η是根据经验自行设定的权值。

声学观探测阵列系统在垂直剖面的观探测效能评估优劣取决于两个方面，其一是阵列中所有平台垂直剖面有效观探测面积的交集最大，其二是阵列速度方向垂直剖面探测宽度大小。该两部分各有一个权值，通过公式(7)实时计算在时间窗口t₀～t₁之间的积分值即为深度观探测效能评估参数J₂，由于阵列的结构、运行速度、运行方向和受海流干扰等影响，该函数值也是实时变化的。

优选地，主滑翔机对辅助滑翔机的位置进行调整包括如下步骤：

当定位精度参数低于阈值时，主滑翔机根据水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的合，对声学观探测阵列中各个辅助滑翔机的协同位置、协同速度和协同时间进行计算并发送至各个辅助滑翔机；

各辅助滑翔机根据接接收到的协同位置、协同速度和协同时间，进行态势调整运行，使得在水平面和垂直面上各辅助滑翔机平台均匀分布于主滑翔机周围。

在水平面上，声学观探测阵列在前进速度的横向探测宽度上要尽可能保持最大，并保持水平有效探测总面积最大，尽量减少重叠探测面积。根据这些原则对阵列结构进行实时调整，从而尽可能保证水平观探测效能评估函数最优。同样在垂直剖面上，声学观探测阵列在前进速度的深度剖面上探测跨度上要尽可能保持最大，并保持垂直有效观探测总面积最大，尽量减少重叠探测面积。根据这些原则对阵列结构进行实时调整，从而尽可能保证垂直观探测效能评估函数最优。在声学阵列运行过程中不断调整结构，各平台根据设定的结构位置不断调整姿态、推进速度等状态，在深度剖面上通过不断调整浮力大小从而调整各平台到达不同深度的时间实现协同。

在该实施例中，滑翔机阵列的观探测效能取决于J₁+J₂数值大小，数值越大越好，主滑翔机计算协同位置、协同速度以及协同时间后，使下一周期中水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的合大于阈值，通过实时调整各个滑翔机的位置，使滑翔机编队的观探测精度和观探测能力始终处于最佳状态，避免受到海流干扰而造成的精度变差，同时保证本水下滑翔机编队能够适应各种位置的目标源的观探测。

Claims (8)

1.一种水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：滑翔机编队中的主滑翔机以及各辅助滑翔机均实时探测目标源，在探测到目标源时均获取自身的基础信息，所述基础信息包括探测到目标源时自身的位置信息以及时间信息；

步骤二：辅助滑翔机将自身的基础信息发送至主滑翔机，主滑翔机根据所述基础信息，计算主滑翔机与目标源之间的第一相对距离，以及各辅助滑翔机与目标源之间的第二相对距离，并计算第一相对距离与第二相对距离的差值；主滑翔机根据所述差值以及各滑翔机的基础信息，进行目标定位分析，判断当前定位是否能够精确实现；

步骤三：若当前定位能够精确实现，则计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置；若当前定位不能精确实现，则处理后再进行计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置；

在步骤二中，所述目标定位分析主要包括如下步骤：

首先，主滑翔机根据所述基础信息，通过如下公式(1)进行计算

其中，r_i为目标源与第i台滑翔机之间的距离；Δr_i为目标源与第i台辅助滑翔机与其到主滑翔机之间的距离差；k_i为计算过程变量；

然后主滑翔机根据所述基础信息以及Δr_i通过如下公式进行结果分析：

其中，A为主滑翔机与各辅助滑翔机之间位置偏差矩阵；A^-1为位置偏差矩阵A的逆矩阵；m_i、n_i、a、b、c为计算过程变量；

最后，设定

计算并判断当前定位情况如下：

当Δ＝b²-4ac＝0，方程有唯一解，即只有一个交点，定位能够精确实现；

当Δ＝b²-4ac<0，方程无解，即没有交点，定位不可实现；

当Δ＝b²-4ac>0，方程有两个解，即有两个交点，则存在定位模糊；当定位模糊时，记方程的两个解为r₀₁，r₀₂，通过如下方式处理：

若r₀₁r₀₂<0，则取r₀₁或r₀₂中为正值的作为r₀，实现精确定位；

若r₀₁r₀₂>0，则2个值均为正，则根据滑翔机在滑翔机编队中的位置消除其中一个模糊值实现精确定位。

2.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，在步骤一中，主滑翔机以及各辅助滑翔机实时探测目标源的辐射噪音信号，当目标源的辐射噪音信号强度达到阈值时获取所述基础信息。

3.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，在步骤三中，当定位能够精确实现时，根据以下公式计算得出目标源相对于主滑翔机的精确位置：

取(x，y，z)为目标源的精确位置。

4.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，当定位不可实现时，对滑翔机编队进行调整，使滑翔机编队不在同一平面上后，重新从步骤一开始。

5.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，还包括步骤四：主滑翔机根据所述基础信息实时计算定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数，并根据定位精度参数、水平观探测效能评估参数以及深度观探测效能评估参数对辅助滑翔机的位置进行调整。

6.根据权利要求5所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，在步骤四中，所述基础信息还包括探测到目标源时主滑翔机以及辅助滑翔机的角度信息，主滑翔机根据以下公式，采用几何稀释精度因子进行定位精度计算得出所述定位精度参数：

其中，定位精度参数R_GDOP低于阈值时，需要对辅助滑翔机的位置进行调整；

在步骤四中，主滑翔机通过如下公式计算得出水平观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；h为当前声学阵列横向探测跨度，单位：米；α为声学阵列探测总面积的权值系数；β为声学阵列横向探测跨度的权值系数，α和β是根据经验自行设定的权值；

在步骤四中，主滑翔机通过如下公式计算得出深度观探测效能评估参数：

其中l_i为各滑翔机声学观探测距离，单位：米；d为声学阵列深度探测跨度，单位：米；γ为声学阵列观探测总面积的权值系数；η为声学阵列深度探测跨度的权值系数，γ和η是根据经验自行设定的权值。

7.根据权利要求6所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，主滑翔机对辅助滑翔机的位置进行调整包括如下步骤：

当定位精度参数低于阈值时，主滑翔机根据水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的和，对声学探测阵列中各个辅助滑翔机的协同位置、协同速度和协同时间进行计算并发送至各个辅助滑翔机；

各辅助滑翔机根据接接收到的协同位置、协同速度和协同时间，进行态势调整运行，使得在水平面和垂直面上各辅助滑翔机平台均匀分布于主滑翔机周围。

8.根据权利要求7所述的水下滑翔机编队的目标观探测方法，其特征在于，主滑翔机计算协同位置、协同速度以及协同时间，使下一周期中水平观探测效能评估参数与深度观探测效能评估参数的和大于阈值。