-
0 引言
-
水面舰艇的鱼雷防御系统能否有效发挥作战能力,必须依赖于可靠的鱼雷报警信息。在鱼雷预警系统中,尽管对目标的检测、分类和定位都提出了技战术要求,但是目前大中型水面舰艇装备的鱼雷报警声呐仅有被动工作方式,仅能探测到来袭鱼雷的方位信息而无法获取其位置信息[1],进而无法更为有效地指导对抗器材实施。如果没有相当精度的鱼雷目标距离、位置、状态信息作参照,各型对抗器材都难以完全发挥作用[2]。因此,可通过多声呐系统对鱼雷目标进行联合探测和定位,构建全方位、多层次的鱼雷防御系统,准确获取来袭鱼雷的距离、位置、状态信息,这是提高现有反鱼雷装备器材对抗能力的有效途径[3-5]。
-
目前,水面舰编队常采用对空队形,间距一般大于 30 链,而国内预警探测声呐对于鱼雷目标的探测距离有限,多艘舰艇同时探测到鱼雷信号的可能性较低,所以在防御来袭鱼雷过程中,大多数情况下仍需依靠单舰对鱼雷进行探测定位。随着声呐系统性能提升,舰壳和拖曳式声呐也可以在较远距离上探测到来袭鱼雷方位信息。其中,舰壳声呐一般为由多个水听器组成的大孔径球形或者柱形基阵,拖曳式声呐一般为由多个水听器组成的线列阵,2 种声呐均具有接近全向的噪声信号被动侦测能力。因此,利用单舰舰壳声呐与拖曳式声呐获取鱼雷的方位信息,对来袭鱼雷进行远距离的联合探测和定位,能够快速地获取来袭鱼雷的位置信息,有望大大提高水面舰艇对抗来袭鱼雷的效果。
-
文献[6]-[7]中对 T-R 型双基地声呐系统(T 为发射站,R 为接收站)定位算法精度进行了研究,即通过发射站发出声波经目标散射后到达接收站得到声传播时长,融合方位信息进而确定目标位置,而对于鱼雷这类高速运动目标来说,双程的声传播导致路径变长、声呐发射站无法长时间不间断工作等因素限制了系统探测鱼雷这种突发性且定位实时性要求高的目标。国内也有学者对双基地被动声呐系统对目标定位方法进行了分析,文献[8] 利用最小二乘法对目标被动交叉定位存在的误差进行处理,但是需要至少 3 部以上的声呐的测量方位信息,这对于实际应用来说难度较大,且在单舰条件下更是无法实现的。文献[9]基于双平台声呐被动工作方式下对鱼雷交叉定位进行了研究,仿真分析了算法对定位误差的影响因素。本文以单舰双声呐被动测向交叉定位技术为基础,首先考察了常规交叉定位算法对目标定位精度的误差分布情况,进而提出基于测量方位滤波的交叉定位算法,并建立典型场景下的动态仿真模型,考察了算法在不同定位误差下的收敛概率。
-
1 双声呐测向交叉定位原理
-
双声呐被动探测目标的原理[9-10]如图1 所示。声呐与鱼雷目标的距离分别为 R1、R2,声呐测量方位角分别为 θ1、θ2,2 个声呐距离为 L。
-
图1 交叉定位原理图
-
Fig.1 Schematic diagram of cross-location
-
根据正弦定理可得
-
以 S1 点为基准,可以求得目标点位置坐标为
-
假设测量方位误差服从零均值高斯分布,且相互独立,则目标定位误差x 和 y 分别为
-
将各变量的一阶偏导带入式(3),可得定位误差分布情况。根据式(3)可知:定位误差与声呐测量方位误差和基线误差有关。本文就以上2 类误差对定位误差的影响进行仿真分析。
-
2 静态定位误差分析
-
2.1 测量方位误差对定位误差影响分析
-
首先,仅考虑声呐测量方位误差对定位误差的影响。仿真参数设置:2 部声呐分别位于 S1(-L/2, 0)和 S2(L/2,0)。其中,基线长度为 2 部声呐的声学中心的距离,当前主战水面舰艇长度约为 100~200 m,拖曳式声呐缆长的设置主要与所在海域水深以及探测目标深度有关,一般约为 400~800 m,因此本文分别设置 L 为 600 m、800 m、 1 000 m。声呐测量方位误差、均为 4°,仿真结果如图2–4 所示。
-
图2 交叉定位绝对误差(基线 600 m)
-
Fig.2 Absolute error of cross-location(baseline length is 600 m)
-
图3 交叉定位绝对误差(基线 800 m)
-
Fig.3 Absolute error of cross-location(baseline length is 800 m)
-
图4 交叉定位绝对误差(基线 1 000 m)
-
Fig.4 Absolute error of cross-location(baseline length is 1 000 m)
-
结合静态误差分布情况,在不同基线长度下,在距离原点 5 km 和 2.5 km 这 2 个典型的距离上,统计与基线夹角大于 30°范围的误差分布(一般认为夹角小于 30°范围内为声呐弱探测区),统计结果见表1。
-
注:与基线夹角大于 30°范围。
-
2.2 平台位置误差对定位误差影响分析
-
考虑平台自身的定位误差,假设的 x1 和 y1 测量误差为和,则式(3)改写为
-
基线长度 L 设置为 1 000 m,声呐测量方位误差 均为 4°。分别考虑和 的影响。首先仅考虑 的影响,假设=50 m,得到的仿真结果如图5 所示。
-
图5 交叉定位绝对误差(考虑基线误差)
-
Fig.5 Absolute error of cross-location(considering baseline error)
-
再考虑平台自身定位误差的影响,假设,得到的仿真结果如图6 所示。
-
图6 交叉定位绝对误差(考虑平台误差)
-
Fig.6 Absolute error of cross-location(considering platform error)
-
2.3 小结
-
从图2–6 中可以看出,目标定位误差主要来自于测量方位误差,而基线误差和平台位置误差对定位误差的影响相对较小,基本不影响定位误差数值和定位误差分布规律。另外,基线长度越长,定位误差越小。因此,在固定基线长度的条件下,应重点优化测量方位误差,以提高定位精度。
-
声呐方位测量值的误差是随时间平稳变化的,虽然测角误差较大,但方位测量值随时间的变化趋势以及方位测量误差随时间变化的统计平稳性都是有规律可循的,因此对其数据处理时会更为有效;而如果考虑直接优化交叉定位解算之后的定位结果,则会面临定位误差随距离变化导致定位误差非高斯平稳的问题(定位误差大小正相关于距离值);而使用非线性滤波算法直接通过角度信息解算位置信息,不仅存在定位误差非平稳的问题,还存在非线性解算引入的误差,即使耗费较大的计算量,也难以取得良好的效果。
-
3 递推平均滤波
-
递推平均滤波也被称为移动平均滤波或线性平滑滤波,其原理是通过设定一个固定窗长(通常为奇数)的移动滤波窗口,计算该窗口内的数据均值。由于交叉定位误差主要来自于测量方位误差,而测量方位信息是一个相对缓慢变化的量,且不存在较多或连续的突变或野值,因此该方法能有效地消除测量方位信息中的随机波动,具有较高的适用性。递推平均滤波算法计算量小,只需要根据设定的窗长将历史观测数据逐项移动,便可依次计算序列均值,从而用来反映数据长期的变化趋势,同时也具有很好的实时性。
-
假设输入序列为,滤波窗长为 M,则滤波后输出序列为
-
由式(5)可知,递推平均滤波器的窗长越长,则选取的数据越多,数据平滑的效果越好。但是,窗长的选择不宜过长,加大窗长会使估计值过多依赖于历史数据,导致其对实时观测数据的变化更不敏感。为解决此问题,改进选用加权递推滤波算法,即对 M 个观测数据分别设定权值求得输出,即越靠近当前观测数据设定的权值越高:
-
将测量方位进行滤波后,再进行交叉定位即可得到目标位置信息。
-
4 典型动态场景仿真及误差分析
-
为了进一步分析定位精度的影响规律,同时考察基于测量方位滤波的交叉定位算法的收敛概率,建立动态仿真场景。一般情况下,为保持拖曳式声呐在水中良好姿态同时减小噪声干扰以达到良好探测效果,水面舰保持航行速度为 8~12 kn。本文重点研究鱼雷直航段,假设鱼雷来袭为匀速直线运动模型,建立以下 2 种动态仿真场景。
-
场景 1:设 2 个声呐初始位置为 S1(–300,0) 和 S2(300,0),水面舰以 10 kn 的速度自西向东航行,声呐测量方位误差均为 4°;鱼雷设定 9 种典型航迹,航迹的起点距离原点 5.5 km,终点距离原点 1 km,航速 50 kn,方位(鱼雷与基线法线顺时针方向的夹角)分别为 300°、315°、330°、345°、 0°、15°、30°、45°、60°,如图7 所示。
-
场景 2:2 个声呐初始位置坐标设定为 S1 (–400,0)和 S2(400,0),其它参数均相同。
-
图7 动态场景下的典型航迹设置
-
Fig.7 Typical track settings in dynamic scenes
-
为了分析随机误差对定位精度的影响,对声呐测得的鱼雷方位信息添加噪声(高斯白噪声),以表示系统观测时具有的随机误差。由于噪声的随机性,单次仿真的结果不足以证明算法的真实性能。在同样的条件下,本文进行 1 000 次蒙特卡洛仿真试验,统计 2 种场景下算法的误差分布情况得到图8 和图9。
-
使用圆概率误差描述定位算法在各点的定位精度,即取 N 次蒙特卡洛试验中定位误差的中位数,用于评价在该点的定位精度[11]。本文在上述仿真场景的基础上,将目标的来袭方向设置为每间隔 1°变化 1 次,对与基线法线夹角–60°~60°范围内的所有角度都进行 1 000 次蒙特卡洛试验,统计算法在不同距离区域内不同定位误差下的收敛概率,统计如表2–3 所示。
-
图8 常规交叉定位算法定位误差
-
Fig.8 Positioning error of conventional cross-location algorithm
-
图9 测量方位滤波的交叉定位算法定位误差
-
Fig.9 Positioning error of cross-location algorithm for measuring azimuth filtering
-
从上述仿真结果中可以看出,测量方位滤波的交叉定位算法明显优于常规交叉定位算法。
-
5 结束语
-
本文以双声呐站交叉测向定位原理为基础,仿真分析在典型测量误差下,鱼雷目标定位误差空间分布情况,结果表明:交叉定位算法的定位误差在固定基线条件下主要受测量方位误差影响。基于此,提出了对测量方位滤波的交叉定位算法,建立了动态仿真模型考察算法性能,结果表明:该算法具有更高的定位精度和收敛概率。该研究结论可为利用单舰双声呐系统进行鱼雷目标交叉定位提供依据。
-
参考文献
-
[1] 张宝华,杜选民.水面舰艇鱼雷防御系统综述[J].船舶工程,2003,25(4):17-19.
-
[2] 金立峰,于凤全.水面舰反鱼雷技术及发展趋势分析 [J].电子世界,2013(20):94-95.
-
[3] 田恒斗,房毅.水面舰艇反鱼雷技术发展趋势的思考 [J].兵器装备工程学报,2017,38(7):8-10.
-
[4] 孙振新,顾天军.水面舰艇反鱼雷鱼雷拦截策略研究 [J].水下无人系统学报,2020,28(6):699-705.
-
[5] 高学强,杨日杰,孙建国,等.水声对抗器材反鱼雷组合使用建模仿真研究[J].系统仿真学报,2011,23(5):956-960.
-
[6] 徐景峰.T-R 型双基地声呐定位算法及系统精度研究 [J].系统工程与电子技术,2015,37(10):2234-2238.
-
[7] 张小凤,赵俊渭.双基地声呐定位精度和算法研究 [J].系统仿真学报,2003,15(10):1471-1473.
-
[8] 王兵.R-R 型双基地声呐鱼雷定位技术及测距精度分析[J].电子信息对抗技术,2019,34(5):20-23.
-
[9] 王奔波,吴磊.双平台鱼雷报警声呐对来袭鱼雷快速定位仿真[J].舰船科学技术,2015,37(5):237-240.
-
[10] 朱磊,向龙凤,崔苇波,等.单舰双基地声呐鱼雷定位技术及误差分析[J].电子信息对抗技术,2021,36(3):57-61.
-
[11] 秦斓.水下移动节点协同定位算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2021.
-
摘要
目前鱼雷武器仍是水面舰艇在未来战场上的主要威胁之一,而鱼雷位置信息的获取对鱼雷防御具有至关重要的作用。随着声呐探测系统性能不断提升,舰壳和拖曳式声呐也可在较远距离上探测到来袭鱼雷方位信息,因此基于双声呐测向信息可以对鱼雷位置进行交叉定位。通过建立典型测量误差下的误差空间分布模型,仿真分析了常规交叉定位算法目标定位误差空间分布情况。针对测向方位这一主要定位误差影响因素,提出了基于测向方位滤波的交叉定位算法。动态场景下的仿真结果表明:该算法可以有效提高鱼雷目标定位精度。该研究可为利用单舰双声呐系统对鱼雷目标进行定位提供依据。
Abstract
Torpedoes are one of the main threats to vessels in the future battlefield,and the acquisition of torpedo position information plays an important role in torpedo defense. With the improvement of sonar detection system,the hull-mounted and towed sonar can also detect the direction of the coming torpedo at a long distance. Therefore,the torpedo can be cross located based on the direction information measured by dual sonar. In this paper, we simulate and analyze the error spatial distribution of the cross-location algorithm by establishing the error spatial distribution model under typical measurement errors. Aiming at the main influence factor of DF azimuth,a cross-location algorithm based on DF azimuth filtering is proposed. Simulation results in dynamic scenes show that the algorithm can effectively improve the accuracy of torpedo positioning. This study can provide a basis for torpedo cross-location for single-vessel dual sonar.
Keywords
dual sonar ; cross-location ; recursion average filter ; positioning error