CN116449291A - 基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置，通过对由被动全向声呐浮标阵获取的探测信号进行分析计算，得到目标的运动轨迹散点，对所述运动轨迹散点进行拟合得到目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界，并对其进行计算进而得到目标的运动参数，并根据运动参数对目标在预测时间内的运动位置范围进行预测，根据预测得到的位置范围对补投方案进行设计。采用本方法得到的补投方案，可对目标在给定的时间内进行精准的拦截。

Description

基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置
技术领域
本申请涉及声呐浮标水声探测技术领域，特别是涉及一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置。
背景技术
声呐浮标又称无线电声呐浮标，是航空反潜飞机尤其是固定翼反潜巡逻机的主要探测设备。声纳浮标按照探测方式大致可分为被动声呐浮标和主动声呐浮标，其中被动全向声呐浮标，又称LOFAR (Low-Frequency Acquisition and Ranging)浮标是一种通过被动接收目标辐射噪声以获得目标探测信息的常用浮标。目前被动全向声呐浮标定位主要采用 Doppler-CPA(多普勒最接近法)和LOFIX方法。Doppler-CPA方法主要利用目标与浮标相对运动时产生多普勒效应的原理，来估计目标运动速度和CPA(closest point ofapproach)最接近点距离，一般基于多枚被动声呐浮标联合确定目标位置。当前被动全向声呐浮标定位技术的研究主要聚焦于水声目标初次定位的实现，鲜有针对被动声呐浮标布阵后目标定位误差分析与评估方法以及后续浮标补投决策支持方法的研究。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够基于对目标后续预测位置的基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置。
一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法，所述方法包括：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
在其中一实施例中，采用优化后的多普勒最接近方法对所述探测信号进行处理，得到所述目标的运动轨迹散点。
在其中一实施例中，所述优化后的多普勒最接近方法包括：
对各所述探测信号分别进行短时傅里叶变换得到对应的功率谱图，根据各所述功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度；
根据各所述多普勒频率偏移幅度对声呐浮标进行筛选，得到与所述目标距离最近的多个筛选声呐浮标；
根据各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图进行计算，得到所述目标在行进中距离各筛选声呐浮标的最近距离、到达最近距离时对应的时间以及所述目标的运动速度；
将各所述筛选声呐浮标的坐标作为圆心，以对应的最近距离为半径构建多个圆形，再根据所述目标到达距离各所述筛选声呐浮标最近距离的时间，将到达时间临近的两个圆形为一组计算其公切线和对应的切点；
根据公切线对应切点计算各组公切线的长度，并采用二次打分机制分别对各组所述公切线长度进行打分，将分数最高的公切线的切点对应的坐标作为所述目标的轨迹点；
集合各组圆得到的轨迹点，得到所述目标的轨迹散点。
在其中一实施例中，所述根据各所述功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度包括：
根据预设的目标中心频率在各所述功率谱图进行截取，得到部分功率谱图；
对各所述部分功率谱图中每个时刻对应的谱值进行二次曲线内插求取峰值后，选取峰值对应的频率点作为对应时刻的目标辐射噪声频率测量值；
在各所述部分功率谱图中对所有的目标辐射噪声频率测量值采用五点三次平滑法进行平滑处理后得到各所述部分功率谱图对应的目标辐射噪声频率变化图；
根据各所述目标辐射噪声频率变化图中最大值和最小值之间的差值得到所述多普勒频率偏移幅度。
在其中一实施例中，所述根据各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图进行计算，得到所述目标在行进中距离各筛选声呐浮标的最近距离、到达最近距离时对应的时间以及所述目标的运动速度包括：
在各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图选取两个时刻分别为第一时刻以及第二时刻、以及这两个时刻分别对应的第一频率以及第二频率；
在各对应功率谱图中记录线谱频率变化曲线，求取该线谱频率变化曲线上的拐点，并得到该拐点对应的第三时间以及第三频率，所述第三时间以及第三频率分别为目标到达距离声呐浮标最近距离的时间以及频率；
根据由各对应功率谱图得到的所述第一频率、第二频率、第三频率、第一时间、第二时间以及第三时间采用定位公式进行计算，分别得到所述目标距离各筛选声呐浮标的最近距离以及对应的目标运动速度；
其中，所述定位公式表示为：
；
；
其中，，/>，/>；
在上式中，表示所述目标距离声呐浮标的最近距离，/>表示所述目标在最近距离时的运动速度，/>、/>、/>分别表示所述第一时间、第二时间以及第三时间，/>、/>、/>分别表示所述第一频率、第二频率、第三频率。
在其中一实施例中，所述根据公切线对应切点计算各组公切线的长度，并采用二次打分机制分别对各组所述公切线长度进行打分包括：
依次对各组内的公切线进行两次打分，第一次打分包括：在各组中分别根据切点坐标分别计算公切线理论上的长度以及实际长度，并根据两者的差值与预设差值范围进行对比，若所述差值在预设差值范围内，则对对应公切线加1分，若所述差值不在预设差值范围内则对对应公切线加0分；
第二次打分包括：计算时间相近的两组圆中，时间靠前一组圆中第二圆上切点，到时间靠后一组圆中第一个圆上切点的距离，距离最小所对应的公切线加1分。
在其中一实施例中，对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界包括：采用多项式拟合方法对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
或，先采用滑动平均法或卡尔曼滤波方法对所述运动轨迹散点进行滤波，再采用所述多项式拟合方法对滤波后的运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界。
在其中一实施例中，所述根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案包括：
根据预设的补投要求，生成沿所述预测航向和位置范围边沿设置浮标阵型为线形阵或线形阵列的补投方案，或生成在所述预测航向和位置范围内设置浮标阵型为覆盖阵或包围阵的补投方案。
在其中一实施例中，所述补投要求包括：拦截时间、阵型位置、阵型朝向以及声呐浮标使用数量。
一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置，所述装置包括：
探测信号获取模块，用于获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
运动轨迹散点得到模块，用于根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
运动轨迹方程拟合模块，用于对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
运动参数估计模块，用于根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
补投方案生成模块，用于根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
上述基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法和装置，通过对由被动全向声呐浮标阵获取的探测信号进行分析计算，得到目标的运动轨迹散点，对所述运动轨迹散点进行拟合得到目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界，并对其进行计算进而得到目标的运动参数，并根据运动参数对目标在预测时间内的运动位置范围进行预测，根据预测得到的位置范围对补投方案进行设计。采用本方法得到的补投方案，可对目标在给定的时间内进行精准的拦截。
附图说明
图1为一个实施例中基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法的流程示意图；
图2为一个实施例中优化后的多普勒最近方法的流程示意图；
图3为一个实施例中舰船与浮标位置示意图；
图4为一个实施例中二次打分机制方法的流程示意图；
图5为一个实施例中舰船预测位置扇形分布区的示意图；
图6为一个实施例中一线阵补投方案示意图；
图7为一个实施例中二线阵补投方案示意图；
图8为一个实施例中三线阵补投方案示意图；
图9为一个实施例中正方形覆盖阵补投方案示意图；
图10为一个实施例中圆形包围阵补投方案示意图；
图11为一个实验仿真中各浮标信号在某一中心频率发生多普勒频移偏移量估计示意图；
图12为一个实验仿真中利用卡尔曼滤波法进行误差分析后的结果示意图；
图13为一个实验仿真中目标运动速度信息示意图；
图14为一个实验仿真中补投决策支持方案示意图；
图15为图12和图14中声呐浮标阵列部分的放大示意图；
图16为一个实施例中基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置的结构框图；
图17为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，提供了一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法，包括以下步骤：
步骤S100，获取探测信号数据集，探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
步骤S110，根据探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到目标的运动轨迹散点；
步骤S120，对运动轨迹散点进行拟合，得到目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
步骤S130，根据目标的运动轨迹方程对目标的运动参数进行估计，运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
步骤S140，根据目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
在本实施例中，首先通过对由被动全向声呐浮标阵对运动目标进行被动探测得到的探测数据进行分析计算，得到目标运动轨迹，再根据对目标运动轨迹进行处理得到目标的运动参数，从而可预测得到目标在预设时间内的运动位置范围，也就是说可以得到目标在未来一定时间内可能到达的位置，从而得到一个预测轨迹范围，再根据该预测轨迹范围设计呐浮标阵的补投方案，以提高拦截率。
在步骤S100中，被动全向声呐浮标阵中的各声呐浮标均为被动全向声呐浮标，而目标可为在水面上行驶的船，或者在水底行驶的潜艇。在本文中以船为例对本方法进行说明。
在步骤S110中，实际可采用多种定位方法对目标的轨迹进行定位，包括但不限于多普勒最接近法（Doppler-CPA）和LOFIX方法。而在本文中，提供了一种优化后的Doppler-CPA方法得到目标的轨迹点，进行优化后的Doppler-CPA方法可以得到更为精准的目标轨迹点，从而可以使得后续生成的声呐浮标补投方案可对目标进行精准拦截。
如图2所示，提供了一种优化后的多普勒最近方法，具体包括：
步骤S200，对各探测信号分别进行短时傅里叶变换得到对应的功率谱图，根据各功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度；
步骤S210，根据各多普勒频率偏移幅度对声呐浮标进行筛选，得到与目标距离最近的多个筛选声呐浮标；
步骤S220，根据各筛选声呐浮标对应的功率谱图进行计算，得到目标在行进中距离各筛选声呐浮标的最近距离、到达最近距离时对应的时间以及目标的运动速度；
步骤S230，将各筛选声呐浮标的坐标作为圆心，以对应的最近距离为半径构建多个圆形，再根据目标到达距离各筛选声呐浮标最近距离的时间，将到达时间临近的两个圆形为一组计算其公切线和对应的切点；
步骤S240，根据公切线对应切点计算各组公切线的长度，并采用二次打分机制分别对各组公切线长度进行打分，将分数最高的公切线的切点对应的坐标作为所述目标的轨迹点；
步骤S250，最后集合各组圆得到的轨迹点，得到目标的轨迹散点。
在步骤S200中，根据各功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度包括：根据预设的目标中心频率在各功率谱图进行截取，得到部分功率谱图，接着对各部分功率谱图中每个时刻对应的谱值进行二次曲线内插求取峰值后，选取峰值对应的频率点作为对应时刻的目标辐射噪声频率测量值，在各部分功率谱图中对所有的目标辐射噪声频率测量值采用五点三次平滑法进行平滑处理后得到各所述部分功率谱图对应的目标辐射噪声频率变化图，最后根据各目标辐射噪声频率变化图中最大值和最小值之间的差值得到多普勒频率偏移幅度。
当舰船（目标）从被动全向声呐浮标阵边经过时，并不是被动全向声呐浮标阵中所有声呐浮标得到的探测数据有参考价值，并不需要对所有的探测数据进行处理，所以为了提升效率和准确性，只需要对在目标经过声呐浮标阵距离最近的几个声呐浮标的探测信号进行处理，所以，在本方法中，采用多普勒频率偏移幅度对声呐浮标进行筛选，选取偏移幅度较大的探测数据进行后续处理。
具体的，首先，选择舰船的中心频率。其次，根据中心频率选择其左右一定范围内的部分功率谱图。然后，由于探测数据是离散的，对探测信号求峰值得到的样本点往往不是局部最大值，而是在相邻的两个样本点之间，需要进行内插得到真正的局部最大值，在本方法中采用二次曲线（抛物线）的方法进行内插，对每个时刻的LOFAR（功率频谱）谱值进行二次曲线内插求峰值后选取幅值最大的频率点作为此时刻的舰船辐射噪声频率测量值。最后，对所有的舰船辐射噪声频率测量值采用五点三次平滑法进行平滑处理得到推测的舰船辐射噪声频率变化图。由于提取到的频率变化曲线不够平滑，这里采用五点三次平滑法进行平滑处理，五点三次平滑法是利用最小二乘法原理对离散数据进行三次最小二乘多项式平滑的处理方法,求取平滑后频率变化图的最大值与最小值的差值得到多普勒频率偏移的幅度。
具体的，设序列，/>为/>通过五点三次平滑后的输出，五点三次平滑法计算公式为：
（1）
接着，在步骤S220中，提供了一种基于多普勒分析的新型目标定位方法，以得到舰船在经过各筛选声呐浮标时的最近距离，以及到达最近距离时对应的时间以及所述目标的运动速度，该新型目标定位方法包括：在各筛选声呐浮标对应的功率谱图选取两个时刻分别为第一时刻以及第二时刻、以及这两个时刻分别对应的第一频率以及第二频率，在各对应功率谱图中记录线谱频率变化曲线，求取该线谱频率变化曲线上的拐点，并得到该拐点对应的第三时间以及第三频率，第三时间以及第三频率分别为目标到达距离声呐浮标最近距离的时间以及频率，再根据由各对应功率谱图得到的第一频率、第二频率、第三频率、第一时间、第二时间以及第三时间采用定位公式进行计算，分别得到目标距离各筛选声呐浮标的最近距离以及对应的目标运动速度，其中，定位公式表示为：
（2）
（3）
其中，，/>，/>；
在公式（2）和公式（3）中，表示目标距离声呐浮标的最近距离，/>表示目标在最近距离时的运动速度，/>、/>、/>分别表示所述第一时间、第二时间以及第三时间，/>、/>、分别表示第一频率、第二频率、第三频率。
具体的，由于舰船辐射噪声LOFAR谱图中有较高频率的窄带线谱成分，舰船先不断接近浮标后远离，根据多普勒效应，该浮标信号的LOFAR谱线会从高向低移动，浮标与目标的最接近点为CPA（closest point of approach）点，舰船与浮标位置图如图3所示，其中target为目标舰船，buoy为浮标，v表示舰船运行速度，V表示目标舰船与浮标的相对径向速度，CPA点为浮标与目标舰船的最接近点，D为浮标与目标舰船的最接近点距离。
根据多普勒频移公式可知，浮标检测到的线谱频率为：
（4）
在公式（4）中，表示测量得到的目标频率，/>表示舰船的中心频率，/>表示舰船运行速度，/>表示舰船航向到浮标连线的夹角，/>表示水中声速。
在LOFAR谱图中选取两个时刻、/>的频率分别为/>、/>，由公式（4）可得到：
（5）
（6）
当舰船从靠近浮标到远离浮标，LOFAR线谱频率一直减小（从大于舰船目标中心频率减小到小于舰船目标中心频率），将LOFAR线谱频率变化记录下来，求取线谱曲线的拐点，则能得到舰船目标达到CPA点的频率和时间/>。
令：，/>。
由公式（4）可知：
（7）
（8）
（9）
对公式（8）和公式（9）的两边平方后化简，并令，则可以得到公式（2）和公式（3）。在这两个方程中，/>、/>、/>、/>都已知，则可以求出/>、/>。
在本文中提出的基于多普勒分析的新型目标定位方法，基于多普勒分析的新型目标定位方法利用了时间信息，需要测量的、/>、/>、/>、/>、/>相对较容易获得，而且不需要两次观测点关于CPA点对称。
接下来，在步骤S230和S240中，通过对公切线长度的计算，及打分得到更为准确的舰船轨迹点。
具体的，以各浮标位置作为圆心，浮标与舰船目标最近点距离D作为半径作圆，并根据舰船到达距离各筛选声呐浮标最近距离的时间，将到达时间临近的两个圆形为一组计算其公切线和对应的切点。
设两个相邻近圆的方程为：
（10）
（11）
在公式（10）和公式（11）中，、/>分别为圆/>、/>的圆心，/>、/>分别为圆/>、/>的半径，设：
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
则得到这两个圆的公切线方程如下：
（17）
（18）
（19）
（20）
根据邻近两个圆的位置关系， 每组圆最多可以得到四条公切线，在本方法中，采用两次打分机制筛选出各组圆中的一条公切线，并将其切点坐标作为舰船的轨迹点。
具体的，第一次打分包括：在各组中分别根据切点坐标分别计算公切线理论上的长度以及实际长度，并根据两者的差值与预设差值范围进行对比，若差值在预设差值范围内，则对对应公切线加1分，若差值不在预设差值范围内则对对应公切线加0分。
第二次打分包括：计算时间相近的两组圆中，时间靠前一组圆中第二圆上切点，到时间靠后一组圆中第一个圆上切点的距离，距离最小所对应的公切线加1分。
具体的，二次打分机制按照如图4所示的流程进行处理。第一次打分机制：
用每组圆上的切点坐标求出切线长度，然后利用基于多普勒分析的新型方法计算出切点速度（按匀加速或匀减速计算）和时间差，由此可以得到理论上的切线长度，然后将两者进行比较，设定一个差值阈值，采用投票机制，如果在差值范围内，就给相应的公切线记1分，不在范围内，记0分，然后，给每个公切线打分，有多个圆相切，多条公切线时，也按这个给所有公切线打分。
第二次打分机制：计算前一组圆中第二个圆上切点到后一组圆中第一个圆上切点的距离，距离最小的所对应的切线加一分。根据两次打分机制选出每组圆中分数最高的切线，分数最高切线上的切点作为预测的舰船运行轨迹点。
在利用优化后的多普勒CPA方法得到舰船的轨迹散点后，在本方法中，还对其进行误差分析后对其航迹进行拟合得到航迹方程，并根据航迹方程得到目标运动参数。
在本实施例中，对定位后的散点去除奇异值后使用一次项拟合方法或滑动平均法方法或卡尔曼滤波方法，最后计算某置信概率下的定位点误差置信度预测边界，置信范围的计算采用以下公式：
（21）
在公式（21）中，为拟合产生的系数，/>取决于置信概率并使用/>累积分布函数的逆运算，/>是系数估计的估计协方差矩阵中对角线元素的向量，/>。在线性拟合中，/>是设计矩阵，而对于非线性拟合，/>是拟合值相对于系数的雅可比，/>是/>的转置，为均方误差。
具体的，采用多项拟合方法对散点进行误差分析时，返回次多项式/>的系数，该阶数是/>中数据的最佳拟合（在最小二乘法中）。/>中的系数按降幂排列，/>的长度为为：
（22）
具体的，采用滑动平均法（moving average）进行误差分析时，滑动平均法（movingaverage）是一种时间域思想上的信号光滑方法。算法思路为，将该点附近的采样点做算数平均，作为这个点光滑后的值。一般窗口为对称窗口，防止出现相位偏差。窗口一般为奇数，以3点平均（窗口长度为3）公式为例，原数据为，平滑后的数据为/>：
（23）
采用滑动平均函数对数据进行平滑处理，将固定长度的窗口进行移动，得到各个窗口内的平均值。
具体的，采用卡尔曼滤波方法进行误差分析时，Kalman滤波主要是通过“预测”和“更新”两个过程对系统的状态进行最优估计。其核心过程公式如下：
状态预测方程为：
（24）
在公式（24）中，F为状态转移矩阵，为上一时刻状态的最优估计值，B为控制矩阵，/>为上一时刻的系统控制量。预测误差协方差矩阵：
（25）
在公式（25）中，为上一时刻的估计误差协方差矩阵，/>为状态噪声协方差矩阵。最优估计条件下的卡尔曼增益矩阵K为：
（26）/>
上公式（26）中，为观察矩阵的控制矩阵，/>为观察协方差矩阵。状态更新方程为：
（27）
上公式（27）中，为观察矩阵。
估计误差协方差矩阵:
（28）
实际上，若采用多项式拟合方法对运动轨迹散点进行拟合时，可以直接得到目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界。而采用其他两个方法时，需要先采用滑动平均法或卡尔曼滤波方法对运动轨迹散点进行滤波，再采用所述多项式拟合方法对滤波后的运动轨迹散点进行拟合，得到目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界。
在实际操作过程中，可以并行采用这三种方法对目标的运动航迹方程进行求解，然后通过后续在对目标的航向进行求解时，可通过航向是否多为一个方向来证明其拟合效果，从而选择一个拟合方式进行实施。
在步骤S130中，在对舰船航迹进行定位后得到目标位置信息的离散点，设这组离散点的坐标为,其中/>为目标位置信息离散点的个数，/>，/>为平面坐标下定位的位置信息，/>为定位的时间信息，由于这些轨迹点之间的较强相关性，这里使用基于偏差平方的最小二乘法多项式拟合方法来估计目标的轨迹方程。
设目标沿轴运动轨迹如下：
（29）
对上式求导数可以得到目标在轴方向的速度和加速度估计值：
（30）
（31）
同理可计算出目标沿轴运动的速度和加速度估计值/>、/>，则目标的速度和加速度的估计值为：
（32）
（33）
接着，对舰船的运动航向进行估计，将目标位置信息的离散点分别在平面系上做/>、/>的一次项拟合分别得到/>、/>拟合直线的斜率为/>和/>，目标运动/>判断准则如下：
1.时，目标运动航向为东北方向。
2.时，目标运动航向为东南方向。
3.时，目标运动航向为正东方向。
4.时，目标运动航向为西北方向。/>
5.时，目标运动航向为西南方向。
6.时，目标运动航向为正西方向。
7.时，目标运动航向为正北方向。
8.时，目标运动航向为正南方向。
9.时，目标静止。
再根据估计出来的舰船运动速度，得到可能的航速范围为，则在延误时间/>内，目标在距离上的分布范围是：
（34）
在公式（34）中，表示目标舰船可能航行的最大距离，/>表示目标舰船可能航行的最小距离，/>表示其他兵力确定最后丢失接触点/>位置误差的均方差，/>表示反潜巡逻机确认进入搜索区第一枚浮标投放点的位置误差的均方差。
根据估计出来的舰船的航向为，假设目标舰船航向的误差为/>，目标搜索区用矩形近似图如图5所示，则有矩形的长/>和宽/>如下：
（35）
在步骤S140中，根据预测出来的舰船位置扇形分布区，则可以根据预设的补投要求，生成沿预测航向和位置范围边沿设置浮标阵型为线形阵或线形阵列的补投方案，或生成在预测航向和位置范围内设置浮标阵型为覆盖阵或包围阵的补投方案。其中，补投要求包括：拦截时间、阵型位置、阵型朝向以及声呐浮标使用数量。
具体的，在舰船位置扇形分布区域边沿线布设声纳浮标阵形，在目标位置扇形分布区的区域边沿通常布设线形阵或线形列阵进行拦截。本方法中提供了一线阵、二线阵和三线阵的拦截阵型，分别如图6、图7和图8所示，通过设置阵型、拦截时间、阵型位置、阵型朝向和浮标使用数量等一些参数信息约束条件得到相应的补投方案。
具体的，在舰船位置扇形分布区域内布设声纳浮标阵形在目标位置扇形分布区的区域内通常布设覆盖阵或包围阵进行拦截。本方法中提供了正方形覆盖阵如图9所示，圆形包围阵如图10所示。通过设置阵型、拦截时间、阵型位置、阵型朝向和浮标使用数量等一些参数信息约束条件得到相应的补投方案。
在本文中，还进行实验仿真证明本方法的有效性。
首先，进行仿真设置：将浮标阵型及舰船相关参数设置为利用舰船噪声仿真程序生成一航行速度为20节，吃水深度10米，4000吨，桨叶数为5的潜艇通过一个4*4正方形覆盖阵的被动全向声纳浮标阵列的仿真数据。
情景设置：目标沿着设置好的航线向西南方向运动。
对目标航迹进行定位，采用本方法中的舰船辐射噪声频率自动判别与提取及多普勒频率偏移量计算包括：根据LOFAR谱图，选择频率偏移量较大的线谱频率作为中心频率，利用matlab的findpeakm函数提取峰值后用五点三次平滑法进行平滑处理得到推测的舰船辐射噪声频率变化图，计算舰船辐射噪声频率变化图最大频率与最小频率的差值得出各浮标在该中心频率发生多普勒频移偏移量估计如图11所示。
基于多普勒分析的新型目标定位方法求最接近点距离圆：利用本方法中提出的基于多普勒分析的新型目标定位方法计算出浮标与目标最接近点距离圆。
采用两次打分机制得到目标可能的定位点包括：采用两次打分机制得到目标可能的定位点如图12所示，图中白色的圆点是最接近点距离圆公切线根据打分机制求出的分数最高切线上的切点即目标可能的定位点，其中，图15为图12中声呐浮标阵列部分的放大示意图。
误差分析和目标运动参数估计：
误差分析：选择频率偏移量较高的编号为7、8、10、11、12的浮标进行声呐浮标阵信息关联最接近点定位后采用卡尔曼滤波方法进行误差分析得到的结果分别如图12所示，图中白色的圆点是最接近点距离圆公切线根据打分机制求出的分数最高切线上的切点作为目标可能的定位点，绿色的线是预测的目标航迹，两条灰色的边界线是90%置信概率的定位点误差置信度预测边界。
目标运动参数估计：根据CPA定位得到的目标位置信息离散点转化为平坐标，使用基于偏差平方的最小二乘法多项式拟合方法来估计目标的运动轨迹，对运动轨迹表达式求一阶导数得到速度表达式，对运动轨迹表达式求二阶导数得到加速度表达式，目标运动速度信息如图13所示，由于目标做匀速运动，所以其加速度均为零。
目标位置误差估计：设置布阵延误时间为20分钟，图14中的白色扇面是20分钟后目标所在位置估计。
接着浮标补投辅助决策方案生成：通过设置阵型、拦截时间、阵型位置、阵型朝向和浮标使用数量等一些参数信息约束条件综合给出补投决策支持方案，生成的补投决策支持方案如图14所示，图15为图14中声呐浮标阵列部分的放大示意图。
上述基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法中，本方法通过自动在LOFAR谱图的较宽频谱区间内搜索多普勒频率偏移，采用二次曲线内插求峰值方法提取频率变化曲线，并采用五点三次平滑法对频率变化曲线进行平滑处理，自动计算出各声呐浮标多普勒频率偏移量，对比各声呐浮标偏移比例，自动给出参与Doppler-CPA定位的浮标。并采用两次打分机制得到目标可能的定位点。第一次打分机制：利用理论切线长度和实际切线长度通过投票机制进行打分。第二次打分机制：计算相邻两组圆上切点距离，距离最小的所对应的切线加一分。根据两次打分机制选出每组圆中分数最高的切线，分数最高切线上的切点即目标可能的定位点。还通过一次项拟合方法、滑动平均法方法和卡尔曼滤波方法这三种误差估计模型对目标运动参数估计和目标位置误差进行估计，得到目标速度达式、加速度表达式、目标位置误差扇面以及得到具有某置信概率的定位点误差置信度预测边界，为决策者提供决策支持。最后，基于预测出的目标位置扇形分布区，可选择在区域边沿布设线阵进行拦截或者在区域内布设覆盖阵、包围阵进行拦截。通过设置阵型、拦截时间、阵型位置、阵型朝向和浮标使用数量等一些参数信息约束条件综合给出补投决策支持方案。
应该理解的是，虽然图1-图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图16所示，提供了一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置，包括：探测信号获取模块300、运动轨迹散点得到模块310、运动轨迹方程拟合模块320、运动参数估计模块330和补投方案生成模块340，其中：
探测信号获取模块300，用于获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
运动轨迹散点得到模块310，用于根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
运动轨迹方程拟合模块320，用于对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
运动参数估计模块330，用于根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
补投方案生成模块340，用于根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
关于基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置的具体限定可以参见上文中对于基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法的限定，在此不再赘述。上述基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图17所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图17中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述方法包括：
获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
2.根据权利要求1所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，采用优化后的多普勒最接近方法对所述探测信号进行处理，得到所述目标的运动轨迹散点。
3.根据权利要求2所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述优化后的多普勒最接近方法包括：
对各所述探测信号分别进行短时傅里叶变换得到对应的功率谱图，根据各所述功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度；
根据各所述多普勒频率偏移幅度对声呐浮标进行筛选，得到与所述目标距离最近的多个筛选声呐浮标；
根据各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图进行计算，得到所述目标在行进中距离各筛选声呐浮标的最近距离、到达最近距离时对应的时间以及所述目标的运动速度；
将各所述筛选声呐浮标的坐标作为圆心，以对应的最近距离为半径构建多个圆形，再根据所述目标到达距离各所述筛选声呐浮标最近距离的时间，将到达时间临近的两个圆形为一组计算其公切线和对应的切点；
根据公切线对应切点计算各组公切线的长度，并采用二次打分机制分别对各组所述公切线长度进行打分，将分数最高的公切线的切点对应的坐标作为所述目标的轨迹点；
集合各组圆得到的轨迹点，得到所述目标的轨迹散点。
4.根据权利要求3所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述根据各所述功率谱图进行处理得到各声呐浮标相对于目标的多普勒频率偏移幅度包括：
根据预设的目标中心频率在各所述功率谱图进行截取，得到部分功率谱图；
对各所述部分功率谱图中每个时刻对应的谱值进行二次曲线内插求取峰值后，选取峰值对应的频率点作为对应时刻的目标辐射噪声频率测量值；
在各所述部分功率谱图中对所有的目标辐射噪声频率测量值采用五点三次平滑法进行平滑处理后得到各所述部分功率谱图对应的目标辐射噪声频率变化图；
根据各所述目标辐射噪声频率变化图中最大值和最小值之间的差值得到所述多普勒频率偏移幅度。
5.根据权利要求3所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述根据各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图进行计算，得到所述目标在行进中距离各筛选声呐浮标的最近距离、到达最近距离时对应的时间以及所述目标的运动速度包括：
在各所述筛选声呐浮标对应的功率谱图选取两个时刻分别为第一时刻以及第二时刻、以及这两个时刻分别对应的第一频率以及第二频率；
在各对应功率谱图中记录线谱频率变化曲线，求取该线谱频率变化曲线上的拐点，并得到该拐点对应的第三时间以及第三频率，所述第三时间以及第三频率分别为目标到达距离声呐浮标最近距离的时间以及频率；
根据由各对应功率谱图得到的所述第一频率、第二频率、第三频率、第一时间、第二时间以及第三时间采用定位公式进行计算，分别得到所述目标距离各筛选声呐浮标的最近距离以及对应的目标运动速度；
其中，所述定位公式表示为：
；
；
其中，，/>，/>；
在上式中，表示所述目标距离声呐浮标的最近距离，/>表示所述目标在最近距离时的运动速度，/>、/>、/>分别表示所述第一时间、第二时间以及第三时间，/>、/>、/>分别表示所述第一频率、第二频率、第三频率。
6.根据权利要求3所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述根据公切线对应切点计算各组公切线的长度，并采用二次打分机制分别对各组所述公切线长度进行打分包括：
依次对各组内的公切线进行两次打分，第一次打分包括：在各组中分别根据切点坐标分别计算公切线理论上的长度以及实际长度，并根据两者的差值与预设差值范围进行对比，若所述差值在预设差值范围内，则对对应公切线加1分，若所述差值不在预设差值范围内则对对应公切线加0分；
第二次打分包括：计算时间相近的两组圆中，时间靠前一组圆中第二圆上切点，到时间靠后一组圆中第一个圆上切点的距离，距离最小所对应的公切线加1分。
7.根据权利要求1所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界包括：采用多项式拟合方法对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
或，先采用滑动平均法或卡尔曼滤波方法对所述运动轨迹散点进行滤波，再采用所述多项式拟合方法对滤波后的运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界。
8.根据权利要求1所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案包括：
根据预设的补投要求，生成沿所述预测航向和位置范围边沿设置浮标阵型为线形阵或线形阵列的补投方案，或生成在所述预测航向和位置范围内设置浮标阵型为覆盖阵或包围阵的补投方案。
9.根据权利要求8所述的被动全向声呐浮标补投方法，其特征在于，所述补投要求包括：拦截时间、阵型位置、阵型朝向以及声呐浮标使用数量。
10.基于定位误差分析的被动全向声呐浮标补投装置，其特征在于，所述装置包括：
探测信号获取模块，用于获取探测信号数据集，所述探测信号数据集中包括多个由被动全向声呐浮标阵中各声呐浮标对运动的目标进行被动探测得到的探测信号；
运动轨迹散点得到模块，用于根据所述探测信号数据集中的探测信号进行分析计算，得到所述目标的运动轨迹散点；
运动轨迹方程拟合模块，用于对所述运动轨迹散点进行拟合，得到所述目标的运动轨迹方程以及置信度预测边界；
运动参数估计模块，用于根据所述目标的运动轨迹方程对所述目标的运动参数进行估计，所述运动参数包括目标速度、加速度以及运动方向；
补投方案生成模块，用于根据所述目标的运动参数以及置信度预测边界对预设时间内所述目标的预测航向和位置范围进行预测，并根据所述预测航向和位置范围生成声呐浮标补投方案，并按照所述声呐浮标补投方案对声呐浮标进行补投。
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