CN117252035B - 水面航行器入射角的确定方法 - Google Patents

水面航行器入射角的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水面航行器入射角的确定方法，包括：计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算水面换能器和海底基站在垂直方向上的第二相对距离；根据第一相对距离和第二相对距离，计算得到水面航行器的概略入射角；基于预定义端点角和水面航行器的概略入射角构建水面航行器的初始入射角区间；利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。

Description

水面航行器入射角的确定方法
技术领域
本发明涉及水声定位领域，具体涉及一种水面航行器入射角的确定方法。
背景技术
近年来，水下定位导航技术在保障国家领海安全发挥了越来越重大的作用。在实现水下定位导航技术前，需要提前在海底布放基站以及对基站进行标校。利用水面航行器走航过程中与海底基站通讯的收发延迟则可计算水面航行器在不同位置对于基站的斜距，以便对基站进行标校。同时，为提高基站的隐蔽性，水面航行器的走航要远离基站。然而，在水面航行器远离基站走航的情况下，水面航行器距离基站越远，水面航行器声线初始入射角越大。
随着水下定位导航技术的发展，对基站标校精度的要求越来越高。然而，申请人发现：水面航行器远离基站走航会使得初始入射角过大，甚至接近于90°，但现有技术往往不能有效地计算较大初始入射角的值，这将会直接影响标校基站的效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种初始入射角的解算优化方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的第一个方面，提供一种水面航行器入射角的确定方法，包括：
计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算水面换能器和海底基站在垂直方向上的第二相对距离；
根据第一相对距离和第二相对距离，计算得到水面航行器的概略入射角；
基于预定义端点角和水面航行器的概略入射角构建水面航行器的初始入射角区间；
利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
可选的，基于预定义端点角和水面航行器的概略入射角构建水面航行器的初始入射角区间，包括：
将预定义端点角作为端点，水面航行器的概略入射角作为端点，构建水面航行器的第一初始入射角区间；
将水面航行器的概略入射角作为端点，预定义端点角的余角作为端点，构建水面航行器的第二初始入射角区间。
可选的，预定判别模型包括第一距离参数和第二距离参数，第一距离参数用于表征在利用预定迭代算法计算过程中，每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离，第二距离参数用于表征实际水面航行器的声线传播水平距离；
利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角包括：
计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离；
计算得到实际水面航行器的声线传播水平距离；
计算每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离和实际声线传播水平距离的目标差值；
利用预定迭代算法，以目标差值作为迭代计算的判别参数，从水面航行器的初始入射角区间中确定水面航行器的目标初始入射角。
可选的，利用预定迭代算法包括弦截法，利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：
确定待求解的水面航行器的目标初始入射角是否属于预定超大角；
在水面航行器的目标初始入射角不属于预定超大角的情况下，利用弦截法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
可选的，利用预定迭代算法包括二分法，利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：
在水面航行器的目标初始入射角属于预定超大角的情况下，利用二分法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
可选的，利用弦截法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：
根据预定判别模型，计算第i-1次迭代计算的第一端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第一目标差值，计算第i-1次迭代计算的第二端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第二目标差值，其中，第i-1次迭代计算的第一端点角和第i-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间，i为大于1的正整数；
判断第i-1次迭代计算的第二目标差值是否大于第一阈值；
在第i-1次迭代计算的第二目标差值大于第一阈值的情况下，将第i-1次迭代计算的第二端点角赋值给第i-1次迭代计算的第一端点角，得到第i次迭代的第一端点角；
根据第i-1次迭代计算的第一端点角、第i-1次迭代计算的第二端点角、第i-1次迭代计算的第一目标差值、第i-1次迭代计算的第二目标差值计算第i-1次迭代计算的第三端点角，将第i-1次迭代计算的第三端点角赋值给第i-1次迭代计算的第二端点角，得到第i次迭代计算的第二端点角；
直至第k次迭代计算的第二目标差值小于等于第一阈值，将第k次迭代计算得到的第二端点角确定为水面航行器的目标初始入射角，其中，k为大于等于1的正整数。
可选的，利用二分法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：
计算第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值；其中，第n-1次迭代计算的第一端点角和第m-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间，m和n为大于1的正整数；
判断第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值是否大于第二阈值；
在第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值大于第二阈值的情况下，计算第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数并记录为平均角；
根据第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数计算平均角对应的声线传播水平距离；
判断平均角对应的声线传播水平距离是否大于实际声线传播水平距离；
在平均角对应的声线传播水平距离大于实际声线传播水平距离的情况下，将平均角赋值给第m-1次迭代计算的第二端点角；
在平均角对应的声线传播水平距离小于实际声线传播水平距离的情况下，将平均角赋值给第n-1次迭代计算的第一端点角；
直至第x次迭代计算的第二端点角与第y次迭代计算的第一端点角的差值小于等于第二阈值，将第x次迭代计算得到的第二端点角确定为水面航行器的目标初始入射角，其中，x和y为大于等于1的正整数。
可选的，计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离，包括：
确定水面换能器在海面下对应的目标剖面层；
根据目标剖面层的深度和声速梯度，计算水面换能器所在目标剖面层对应的声速；
计算各个剖面层对应的入射角；
根据各个剖面层对应的入射角，计算与各个入射角对应的水平距离；
根据与各个入射角对应的水平距离计算得到模拟水面航行器声线传播水平距离。
可选的，计算各个剖面层对应的入射角，包括：
针对目标剖面层预定义参考入射角；
根据参考入射角和水面换能器所在目标剖面层对应的声速，计算各个剖面层对应的入射角。
可选的，计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算水面换能器和海底基站在垂直方向上的第二相对距离，包括：
测量得到水面换能器和海底基站在海面下的位置坐标；
根据水面换能器和海底基站在海面下的位置坐标，计算得到第一相对距离和第二相对距离。
通过测量水面航行器和海底基站的相对位置，并将水面航行器到海底基站的声线模拟为直线，计算并引入水面航行器的概略入射角，使其作为距离目标初始入射角较近的可变端点，缩短迭代解算时间。在预设初始入射角区间内将概略入射角作为可变端点进行迭代。进一步地，在迭代计算过程中，端点可变使得迭代次数明显降低，迭代收敛快，同时，降低了迭代计算的复杂性。在目标初始入射角过大的情况下，将概略入射角应用于二分法，一定程度降低二分法迭代次数也解决了弦截法迭代发散的问题。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的水面航行器入射角的确定方法的流程图。
图2示出了根据本发明实施例计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离的流程图。
图3示出了根据本发明实施例利用弦截法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的流程图。
图4示出了根据本发明实施例利用二分法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的流程图。
图5示出了根据本发明实施例预定迭代算法计算水面航行器的目标初始入射角的迭代过程示意图。
图6示出了采用本发明实施例解算算法和采用相关技术中的方法一计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布对比图。
图7示出了采用相关技术中的方法二计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布图。
图8示出了采用相关技术中的方法三计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布图。
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白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了根据本发明实施例的水面航行器入射角的确定方法的流程图。
如图1所示，水面航行器入射角的确定方法包括步骤S101~步骤S104。
在步骤S101中，计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算水面换能器和海底基站在垂直方向上的第二相对距离。
在步骤S102中，根据第一相对距离和第二相对距离，计算得到水面航行器的概略入射角。
在步骤S103中，基于预定义端点角和水面航行器的概略入射角构建水面航行器的初始入射角区间。
在步骤S104中，利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，通过测量水面航行器和海底基站的相对位置，并将水面航行器到海底基站的声线模拟为直线，计算并引入水面航行器的概略入射角，使其作为距离目标初始入射角较近的可变端点，缩短迭代解算时间。在预设初始入射角区间内将概略入射角作为可变端点进行迭代。进一步地，在迭代计算过程中，端点可变使得迭代次数明显降低，迭代收敛快，同时，降低了迭代计算的复杂性。在目标初始入射角过大的情况下，将概略入射角应用于二分法，一定程度降低二分法迭代次数，也解决了弦截法迭代发散的问题。
图2示出了根据本发明实施例计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离的流程图。
如图2所示，计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离的方法包括步骤S201~步骤S205。
在步骤S201中，确定水面换能器在海面下对应的目标剖面层。
在步骤S202中，根据目标剖面层的深度和声速梯度，计算水面换能器所在目标剖面层对应的声速。
在步骤S203中，计算各个剖面层对应的入射角。
在步骤S204中，根据各个剖面层对应的入射角，计算与各个入射角对应的水平距离。
在步骤S205中，根据与各个入射角对应的水平距离计算得到模拟水面航行器声线传播水平距离。
根据本发明的实施例，利用声速的垂直分层模型，在垂直方向对海水进行分层，通过预定义参考入射角，建立模拟水面航行器的目标初始入射角和声线传播水平距离的关系模型。其中，层数随着海水深度逐渐递增。预设目标剖面层对应的入射角为参考入射角θ0。例如，参考入射角θ0的范围是[0.1°~89.9°]，优选地，参考入射角θ0可以是0.1°、0.5°、1°、2°、5°、10°、30°、45°、50°、60°、80°、81°、85°、88°、88.8°、89.9°等。
根据本发明的实施例，确定水面换能器所在剖面层为目标剖面层；每一目标剖面层对应一个参考入射角的角度。
根据本发明的实施例，测量得到第l剖面层对应的深度dl及声速cl，测量得到第l-1剖面层对应的深度dl-1及声速cl-1，计算第l-1剖面层对应的声速梯度gl-1，可参考下述公式（1）：
（1）。
测量得到目标剖面层深度d0，计算水面换能器所在目标剖面层对应的声速c0，可参考下述公式（2）：
（2）。
根据本发明的实施例，由于水中声速随空间变化，声音传播路径是弯曲的，且随海洋动态环境中的噪声、折射、温度、盐度、水流等对基线水声定位精度产生较大偏差。本发明通过采用分层跟踪和等效剖面方法，有效控制了层数，并逐层进行声线传播水平距离的计算。
根据本发明的实施例，计算各个剖面层对应的入射角，包括：针对目标剖面层预定义参考入射角；根据参考入射角和水面换能器所在目标剖面层对应的声速，计算各个剖面层对应的入射角。
根据本发明的实施例，参考入射角θ0与目标剖面层对应的声速c0的关系参考下述公式（3）：
（3）。
根据本发明的实施例，目标剖面层对应的声速c0根据实际情况计算得到，p为目标剖面层对应的入射角正弦值与目标剖面层对应的声速的比值。
根据本发明的实施例，由于声波在水中的传播特性符合斯涅尔法则，可参考下述公式（4）：
（4）。
其中，θl为第l剖面层对应的参考入射角，c1为第l剖面层对应的声速。根据目标剖面层对应的入射角正弦值与目标剖面层对应的声速的比值，计算各个剖面层对应的入射角。根据各个剖面层对应的入射角，计算各个入射角对应的水平距离，参考下述公式（5）：
（5）。
其中，Dl-1为第l-1所在目标剖面层的入射角对应的水平距离，p为目标剖面层对应的入射角正弦值与目标剖面层对应的声速的比值。
根据本发明的实施例，在步骤S205中，根据与各个入射角对应的水平距离计算得到模拟水面换能器的声线传播水平距离，可参考下述公式（6）：
（6）。
其中，模拟水面换能器的声线传播水平距离为所有剖面层上入射角对应的水平距离之和。
根据本发明的实施例，用参考入射角θ0与其对应的声线传播水平距离的关系模拟目标初始入射角与对应的声线传播水平距离的关系，利用预定迭代算法确定在实际声线传播水平距离下的目标初始入射角的值。每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离计算方式参考参考入射角θ0对应的声线传播水平距离的计算方式，即参考公式（6）。
根据本发明的实施例，预定判别模型为每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离与实际声线传播水平距离的关系，参考下述公式（7）：
（7）。
其中，H为目标差值，用于表征每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离D与实际声线传播水平距离Y的差值。
根据本发明的实施例，实际声线传播水平距离Y对目标初始入射角求导可参考下述公式（8）：
（8），可以得出：/>。
根据本发明的实施例，在第一初始入射角区间为[δ，R0]内，验证实际声线传播水平距离Y是否满足公式（9）：（9），其中，/>为预定义端点角δ对应的声线传播水平距离，/>为预定义端点角R0对应的声线传播水平距离；在第二初始入射角区间为[R0，90°-δ]内，验证实际声线传播水平距离Y是否满足公式（10）：（10），其中，/>为预定义端点角90°-δ对应的声线传播水平距离。若满足，则可以采用预定迭代算法。
根据本发明的实施例，计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算水面换能器和海底基站在垂直方向上的第二相对距离，包括：测量得到水面换能器和海底基站在海面下的位置坐标；根据水面换能器和海底基站在海面下的位置坐标，计算得到第一相对距离和第二相对距离。
根据本发明的实施例，测量得到水面换能器在海面下的位置坐标（y换，z换），测量得到海底基站在海面下的位置坐标（y基，z基）；计算第一相对距离，计算第二相对距离/>。
根据本发明的实施例，水面航行器的概略入射角为位于水面航行器上的水面换能器与海底基站的直线斜距，可参考下述公式（11）：
（11）。
根据本发明的实施例，根据预定义端点角δ，计算预定义端点角的余角90°-δ，将预定义端点角δ与预定义端点角的余角90°-δ作为水面航行器的初始入射角区间[δ，90°-δ]，水面航行器的概略入射角在水面航行器的初始入射角区间内[δ，R0，90°-δ]。预定义端点角δ可以预设为接近0°的角度。例如，预定义端点角δ可以是0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°等，预定义端点角的余角90°-δ可以是89.9°、89.8°、89.7°、89.6°、89.5°89.4°等。
根据本发明的实施例，预定迭代算法可参考下述公式（12）或公式（13）：
（12）；
（13）。
其中，θ为端点角的值，i为迭代次数，H为目标差值，θ1表示第一端点角，θ2表示第二端点角。
根据本发明的实施例，在水面航行器的初始入射角区间内，利用目标参数判断是否符合判别条件，根据判别结果对水面航行器的概略入射角赋值，更新每次迭代的端点值，直至符合判别条件并确定为水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，基于预定义端点角和水面航行器的概略入射角构建水面航行器的初始入射角区间，包括：将预定义端点角作为第一端点，水面航行器的概略入射角作为第二端点，构建水面航行器的第一初始入射角区间；将水面航行器的概略入射角作为第一端点，预定义端点角的余角作为第二端点，构建水面航行器的第二初始入射角区间。
根据本发明的实施例，根据计算得到的概略入射角，确定迭代计算的角度区间，构建第一初始入射角区间为[δ，R0]，或构建第二初始入射角区间为[R0，90°-δ]，以减小迭代计算的范围和次数。
根据本发明的实施例，预定判别模型包括第一距离参数和第二距离参数，第一距离参数用于表征在利用预定迭代算法计算过程中，每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离，第二距离参数用于表征实际水面航行器的声线传播水平距离；利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角包括：计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离；计算得到实际水面航行器的声线传播水平距离；计算每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离和实际水面航行器的声线传播水平距离的目标差值；利用预定迭代算法，以目标差值作为迭代计算的判别参数，从水面航行器的初始入射角区间中确定水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离在弦截法迭代计算中可以是迭代过程计算得到的第二端点角对应的声线传播水平距离，在二分法迭代计算中可以是迭代过程计算得到的平均角对应的声线传播水平距离。
根据本发明的实施例，根据参考入射角对应的声线传播水平距离得到水面航行器的实际声线传播水平距离。利用预定迭代算法，以目标差值H作为迭代计算的判别参数，将水面航行器的概略入射角作为端点角，对其进行赋值，从水面航行器的初始入射角区间中确定水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，利用弦截法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：根据预定判别模型，计算第i-1次迭代计算的第一端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第一目标差值，计算第i-1次迭代计算的第二端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第二目标差值，其中，第i-1次迭代计算的第一端点角和第i-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间；判断第i-1次迭代计算的第二目标差值是否大于第一阈值；在第i-1次迭代计算的第二目标差值大于第一阈值的情况下，将第i-1次迭代计算的第二端点角赋值给第i-1次迭代计算的第一端点角，得到第i次迭代的第一端点角；根据第i-1次迭代计算的第一端点角、第i-1次迭代计算的第二端点角、第i-1次迭代计算的第一目标差值、第i-1次迭代计算的第二目标差值计算第i-1次迭代计算的第三端点角，将第i-1次迭代计算的第三端点角赋值给第i-1次迭代计算的第二端点角，得到第i次迭代计算的第二端点角；直至第k次迭代计算的第二目标差值小于等于第一阈值，将第k次迭代计算得到的第二端点角确定为水面航行器的目标初始入射角，其中，k为大于等于1的正整数。
根据本发明的实施例，利用预定迭代算法包括弦截法，利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：确定待求解的水面航行器的目标初始入射角是否属于预定超大角；在水面航行器的目标初始入射角不属于预定超大角的情况下，利用弦截法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，利用预定迭代算法包括二分法，利用预定迭代算法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：在水面航行器的目标初始入射角属于预定超大角的情况下，利用二分法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角。
图3示出了根据本发明实施例利用弦截法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的流程图。
如图3所示，弦截法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的方法包括步骤S301~步骤S307。
在步骤S301中，根据预定判别模型，计算第i-1次迭代计算的第一端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第一目标差值，计算第i-1次迭代计算的第二端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第二目标差值，其中，第i-1次迭代计算的第一端点角和第i-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间。
在步骤S302中，判断第二目标差值是否大于第一阈值。
若否，执行步骤S306，判断第i-1次迭代计算的第二端点角是否属于[δ，90°-δ]。若是，执行步骤S307，确定第i-1次迭代计算的第二端点角为目标初始入射角；若否，执行步骤S401，在[80°~90°]区间内将概略入射角作为端点角，计算第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值。
若是，执行步骤S303，将第i-1次迭代计算的第二端点角赋值给第i-1次迭代计算的第一端点角，得到第i次迭代的第一端点角。
在步骤S304中，根据第i-1次迭代计算的第一端点角、第i-1次迭代计算的第二端点角、第i-1次迭代计算的第一目标差值、第i-1次迭代计算的第二目标差值计算第i-1次迭代计算的第三端点角，将第i-1次迭代计算的第三端点角赋值给第i-1次迭代计算的第二端点角，得到第i次迭代计算的第二端点角。
在步骤S305中，得到更新后的第二端点角与第一端点角构建的初始入射角区间，并返回步骤S301。
图5示出了根据本发明实施例预定迭代算法计算水面航行器的目标初始入射角的迭代过程示意图。如图5所示，根据本发明的实施例，在第一初始入射角区间为[δ，R0]内，获取第一端点角δ并记录为θ1，将θ1代入公式（7）中，计算第一端点角θ1对应的目标差值H1；获取第二端点角R0并记录为θ2，将θ2代入公式（7）中，计算第二端点角θ2对应的目标差值H2；或，在第二初始入射角区间为[R0，90°-δ]内，获取第一端点角R0并记录为θ1，将θ1代入公式（7）中，计算第一端点角θ1对应的目标差值H1；获取第二端点角90°-δ并记录为θ2，将θ2代入公式（7）中，计算第二端点角θ2对应的目标差值H2。
根据本发明的实施例，判断目标差值H2是否大于第一阈值。
若是，将第二端点角θ2代入公式（12）进行第一次迭代计算。经过第一次迭代计算，得到第三端点角θ3，由此，得到最新的数值范围为[θ2，θ3]的端点区间，将θ3代入公式（7）中，计算目标差值H3并判断是否大于第一阈值。
若是，将[θ2，θ3]的端点区间作为第二次迭代的初始入射角区间。将第三端点角θ3代入公式（12）进行第二次迭代计算得出θ4，得到最新的数值范围为 [θ3，θ4]的端点区间，将θ4代入公式（7）中，计算目标差值H4并判断是否大于第一阈值。重复以上迭代计算过程，直至迭代计算得到的第二目标差值小于等于第一阈值，记录此次迭代次数为k，将第k次迭代计算得到的第二端点角确定为水面航行器的目标初始入射角。
根据本发明的实施例，判断目标差值H2是否大于第一阈值，若否，判断第二端点角θ2是否落入[δ，90°-δ]内。若是，确定第二端点角θ2为水面航行器的目标初始入射角；若否，表示该目标初始入射角落入超大角范围[80°~90°-δ]内，用弦截法迭代失败，则对第一端点角θ1和第二端点角θ2采用二分法在[80°~ R0]或[R0~90°-δ]区间内迭代计算。
根据本发明的实施例，利用二分法，基于预定判别模型和水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：计算第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值；其中，第n-1次迭代计算的第一端点角和第m-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间；判断第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值是否大于第二阈值；在第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值大于第二阈值的情况下，计算第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数并记录为平均角；根据第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数计算平均角对应的声线传播水平距离；判断平均角对应的声线传播水平距离是否大于实际声线传播水平距离；在平均角对应的声线传播水平距离大于实际声线传播水平距离的情况下，将平均角赋值给第m-1次迭代计算的第二端点角；在平均角对应的声线传播水平距离小于实际声线传播水平距离的情况下，将平均角赋值给第n-1次迭代计算的第一端点角；直至第x次迭代计算的第二端点角与第y次迭代计算的第一端点角的差值小于等于第二阈值，将第x次迭代计算得到的第二端点角确定为水面航行器的目标初始入射角，其中，x和y为大于等于1的正整数。
图4示出了根据本发明实施例利用二分法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的流程图。
如图4所示，二分法迭代计算水面航行器的目标初始入射角的方法包括步骤S401~步骤 S410。
在步骤S401中，计算第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值；其中，第n-1次迭代计算的第一端点角和第m-1次迭代计算的第二端点角属于第一初始入射角区间或第二初始入射角区间。
在步骤S402中，判断差值是否大于第二阈值。
若是，执行步骤S403，计算第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数，并记录为平均角；若否，执行步骤S410，确定第m-1次迭代计算的第二端点角为目标初始入射角。
在步骤S404中，根据第n-1次迭代计算的第一端点角与第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数计算平均角对应的声线传播水平距离。
在步骤S405中，判断平均角对应的声线传播水平距离是否大于实际声线传播水平距离。若是，执行步骤S406，将平均角赋值给第m-1次迭代计算的第二端点角；在步骤S408中，得到第m次迭代计算的第二端点角并返回步骤S401。若否，执行步骤S407，将平均角赋值给第n-1次迭代计算的第一端点角；在步骤S409中，得到第n次迭代计算的第一端点角并返回步骤S401。
根据本发明的实施例，在第一初始入射角区间为[80°，R0]内，获取第一端点角80°并记录为，获取第二端点角R0并记录为/>，参考公式（14）计算θ0：
（14）。
或在第二初始入射角区间为[R0，90°-δ]内，获取第一端点角R0并记录为，获取第二端点角90°-δ并记录为/>，参考公式（14）计算θ0。
根据本发明的实施例，判断θ0是否大于第二阈值，若否，确定第m-1次迭代计算的第二端点角为目标初始入射角。
根据本发明的实施例，判断θ0是否大于第二阈值，若是，参考公式（13）计算第一端点角与第二端点角/>的平均角/>。将平均角/>代入公式（7）中，计算平均角对应的声线传播水平距离。
根据本发明的实施例，判断平均角对应的声线传播水平距离是否大于实际声线传播水平距离。若是，将计算得到的/>赋值给第二端点角/>，得到第1次迭代计算的第二端点角/>，第一端点角/>保持不变，重新判断第二端点角/>和第一端点角/>的差值是否大于第二阈值。重复以上迭代计算过程，直至第x次迭代计算得到的第二端点角与第y次迭代计算得到的第一端点角的差值小于等于第二阈值时，确定第x次迭代计算得到的第二端点角为水面航行器的目标初始入射角。若否，将计算得到的/>赋值给第一端点角/>，得到第1次迭代计算的第一端点角/>，第二端点角/>保持不变，重新判断第二端点角/>和第一端点角/>的差值是否大于第二阈值。重复以上迭代计算过程，直至第x次迭代计算得到的第二端点角与第y次迭代计算得到的第一端点角的差值小于等于第二阈值，确定第x次迭代计算得到的第二端点角为水面航行器的目标初始入射角。此时，第x次迭代计算得到的第二端点角与第y次迭代计算得到的第一端点角无限趋近。
为验证本发明实施例的效果，采用相关技术中不同的迭代算法计算目标初始入射角。方法一：未引入概略入射角，基于预定义的固定角度区间进行迭代的解算方法，将第一初始入射角区间改为[δ，50°]，第二初始入射角区间改为[50°，90°-δ]；方法二：引入概略入射角确定初始入射角区间，但采用定端点迭代的解算方法；方法三：未引入概略入射角，基于预定义的固定角度区间进行定端点迭代的解算方法，将第一初始入射角区间改为[δ，50°]，第二初始入射角区间改为[50°，90°-δ]。模拟声线传播水平距离的初始入射角范围为0.1~89.9°，步长为0.1°。四种方法要求迭代至计算结果和真值之差不超过0.0000001°。四种方法收敛至要求范围内的迭代次数随目标初始入射角增加的变化情况参考图6~图8。其中迭代次数为0代表迭代失败。
图6示出了采用本发明实施例解算算法和采用相关技术中的方法一计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布对比图。如图6所示，本发明的实施例通过引入概略入射角，缩小了迭代范围，后采用本发明实施例中变端点弦截法可以计算出目标初设入射角最大为89.4°且迭代次数小于10次。在变端点弦截法迭代失败后，采用本发明实施例中二分法迭代计算，求得目标初始入射角为89.9°。而方法一，在没有引入概略入射角确定区间范围的情况下，迭代次数明显增加且在目标初始入射角大于83.4°时迭代失败。
图7示出了采用相关技术中的方法二计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布图。如图7所示，采用方法二，在由概略入射角确定的初始入射角区间内，采用定端点迭代解算，目标初始入射角迭代至88.3°时，迭代次数骤增后迭代失败。
图8示出了采用相关技术中的方法三计算目标初始入射角过程中的迭代次数分布图。如图8所示，采用方法三，在[δ，50°]或[50°，90°-δ]区间内进行定端点迭代解算，在目标初始入射角迭代至73.3°时，迭代次数骤增后迭代失败，且迭代次数超过2500次。
综上可知，单独使用本发明实施例中的弦截法迭代解算，目标初始入射角最大可求至89.4°，说明本发明的变端点弦截法求解目标初始入射角的区间比定端点弦截法求解得到的区间更大，且用方法二和本发明对比可知变端点弦截法也可降低迭代次数。本发明还利用了二分法对超大入射角求解的特性，在实现最大入射角求解至89.9°的同时还提升了求解初始入射角的算法效率，且在求解89.4°以内的初始入射角的迭代次数始终保持在10次以下，解决了求解初始入射角算法效率较低以及求解大入射角时迭代发散的问题。算法运行在配置为Intel(R) Core(TM) i7-11800H @ 2.30GHz 计算机上，操作系统为Windows 11。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (8)

1.一种水面航行器入射角的确定方法，其特征在于，包括：
计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算所述水面换能器和所述海底基站在垂直方向上的第二相对距离；
根据所述第一相对距离和所述第二相对距离，计算得到所述水面航行器的概略入射角；
基于预定义端点角和所述水面航行器的概略入射角构建所述水面航行器的初始入射角区间，其中，包括将所述预定义端点角作为第一端点，所述水面航行器的概略入射角作为第二端点，构建所述水面航行器的第一初始入射角区间；将所述水面航行器的概略入射角作为第一端点，所述预定义端点角的余角作为第二端点，构建所述水面航行器的第二初始入射角区间；以及
利用预定迭代算法，基于预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的目标初始入射角，其中，包括：计算得到每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离；计算得到所述水面航行器的实际声线传播水平距离；计算所述每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离和所述实际声线传播水平距离的目标差值；以及利用预定迭代算法，以所述目标差值作为迭代计算的判别参数，从所述水面航行器的所述初始入射角区间中确定所述水面航行器的所述目标初始入射角，其中，预定迭代算法包括弦截法，利用所述弦截法，基于预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的目标初始入射角，包括：
根据所述预定判别模型，计算第i-1次迭代计算的第一端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第一目标差值，计算第i-1次迭代计算的第二端点角对应的目标差值并记录为第i-1次迭代计算的第二目标差值，其中，所述第i-1次迭代计算的第一端点角和所述第i-1次迭代计算的第二端点角属于所述第一初始入射角区间或所述第二初始入射角区间，i为大于1的正整数；
判断第i-1次迭代计算的所述第二目标差值是否大于第一阈值；
在第i-1次迭代计算的所述第二目标差值大于所述第一阈值的情况下，将所述第i-1次迭代计算的第二端点角赋值给第i-1次迭代计算的第一端点角，得到第i次迭代的第一端点角；
根据所述第i-1次迭代计算的第一端点角、所述第i-1次迭代计算的第二端点角、第i-1次迭代计算的所述第一目标差值、第i-1次迭代计算的所述第二目标差值计算第i-1次迭代计算的第三端点角，将所述第i-1次迭代计算的第三端点角赋值给所述第i-1次迭代计算的第二端点角，得到第i次迭代计算的第二端点角；
直至第k次迭代计算的第二目标差值小于等于所述第一阈值，将第k次迭代计算得到的第二端点角确定为所述水面航行器的所述目标初始入射角，其中，k为大于等于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定判别模型包括第一距离参数和第二距离参数，所述第一距离参数用于表征在利用所述预定迭代算法计算过程中，每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离，所述第二距离参数用于表征所述水面航行器的实际声线传播水平距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用预定迭代算法，基于预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的目标初始入射角，包括：
确定待求解的所述水面航行器的所述目标初始入射角是否属于预定超大角；
在所述水面航行器的所述目标初始入射角不属于预定超大角的情况下，利用所述弦截法，基于所述预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的所述目标初始入射角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定迭代算法还包括二分法，所述利用预定迭代算法，基于预定判别模型和所述水面航行器的初始入射角区间计算水面航行器的目标初始入射角，包括：
在所述水面航行器的所述目标初始入射角属于预定超大角的情况下，利用所述二分法，基于所述预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的所述目标初始入射角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述二分法，基于所述预定判别模型和所述水面航行器的所述初始入射角区间计算所述水面航行器的所述目标初始入射角，包括：
计算第m-1次迭代计算的第二端点角与第n-1次迭代计算的第一端点角的差值；其中，所述第n-1次迭代计算的第一端点角和所述第m-1次迭代计算的第二端点角属于所述第一初始入射角区间或所述第二初始入射角区间，m和n为大于1的正整数；
判断所述第m-1次迭代计算的第二端点角与所述第n-1次迭代计算的第一端点角的差值是否大于第二阈值；
在所述第m-1次迭代计算的第二端点角与所述第n-1次迭代计算的第一端点角的差值大于所述第二阈值的情况下，计算所述第n-1次迭代计算的第一端点角与所述第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数并记录为平均角；
根据所述第n-1次迭代计算的第一端点角与所述第m-1次迭代计算的第二端点角的平均数计算所述平均角对应的声线传播水平距离；
判断所述平均角对应的声线传播水平距离是否大于所述实际声线传播水平距离；
在所述平均角对应的声线传播水平距离大于所述实际声线传播水平距离的情况下，将所述平均角赋值给所述第m-1次迭代计算的第二端点角；
在所述平均角对应的声线传播水平距离小于所述实际声线传播水平距离的情况下，将所述平均角赋值给所述第n-1次迭代计算的第一端点角；
直至第x次迭代计算的第二端点角与第y次迭代计算的第一端点角的差值小于等于所述第二阈值，将第x次迭代计算得到的第二端点角确定为所述水面航行器的目标初始入射角，其中，x和y为大于等于1的正整数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算得到所述每次迭代计算得到的过程角对应的声线传播水平距离，包括：
确定所述水面换能器在海面下对应的目标剖面层；
根据所述目标剖面层的深度和声速梯度，计算所述水面换能器所在目标剖面层对应的声速；
计算各个剖面层对应的入射角；
根据所述各个剖面层对应的入射角，计算与各个所述入射角对应的水平距离；
根据与各个所述入射角对应的所述水平距离计算得到模拟所述水面航行器声线传播水平距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算各个剖面层对应的入射角，包括：
针对所述目标剖面层预定义参考入射角；
根据所述参考入射角和所述水面换能器所在目标剖面层对应的声速，计算各个剖面层对应的入射角。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算位于水面航行器上的水面换能器和海底基站在水平方向上的第一相对距离，以及计算所述水面换能器和所述海底基站在垂直方向上的第二相对距离，包括：
测量得到所述水面换能器和所述海底基站在海面下的位置坐标；
根据所述水面换能器和所述海底基站在海面下的所述位置坐标，计算得到所述第一相对距离和所述第二相对距离。
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