鱼雷水声同步定位系统抗定位距离模糊算法及仿真

杨志权, 尚 凡



鱼雷水声同步定位系统抗定位距离模糊算法及仿真

杨志权, 尚 凡

(中国人民解放军 91388 部队, 广东 湛江, 524022)

实时准确定位是对鱼雷水声定位系统的基本要求, 研究了一种解决鱼雷水声同步定位系统定位距离模糊算法, 分析了定位距离模糊的原因, 提出了基于水平等距线阵同步定位、相关波门修正时延差等技术的快速定位方法, 并进行了仿真验证。仿真结果表明, 该方法具有不明显增加硬件成本、不穷举全部模糊解和无需先验位置信息等优点, 可以为设计中远程鱼雷定位系统、短基线或超短基线水声定位系统消除定位距离模糊、锁定正确航迹提供借鉴。

鱼雷; 水声同步定位系统; 抗定位距离模糊算法; 等距线阵; 时延差; 相关波门

0 引言

1 经典的抗定位距离模糊方法

距离模糊是远程高帧率鱼雷水声同步定位系统不可避免的问题, 以往的抗定位距离模糊方法分为硬件抗距离模糊法和软件抗距离模糊法[2]。

1.1 硬件抗距离模糊方法

典型的硬件抗距离模糊法有哈尔滨工程大学在船载式鱼雷测量系统中采用的帧同步加游标法。其原理是通过改造声信标的声源, 用2种频率的信号分别代表帧同步码和游标码, 借助于长周期帧同步码来判定模糊区间。此硬件抗距离模糊方法需设计专用的信号发射机和接收机, 增加了硬件复杂度和系统成本, 扩大了最大无模糊定位周期, 可解决一定测量区域内的定位距离模糊问题, 但并未从根本上解决定位距离模糊问题。

1.2 软件抗距离模糊方法

典型的软件抗距离模糊法有穷举全部模糊解建立历史轨迹的举手表决法、基于先验位置信息的参考位置标示法等。其中穷举全部模糊解法以增加软件复杂度、降低定位实时性为代价, 参考位置标示法以降低系统适用性为代价, 对需要定位高速复杂机动的鱼雷轨迹的定位系统来说均有局限性。

2 定位距离模糊问题分析

3 基于等距线阵时延差的同步定位方法

3.1 定位原理

图1 三元等距线阵同步定位模型

在动点和三元线阵所确定的平面内, 由余弦定理可知

需要指出的是:

3) 式(13)采用的坐标系是以阵元2为原点的平面直角坐标系, 是相对坐标, 当基阵运动时, 定位鱼雷目标的大地坐标需要进行坐标平移变换;

4) 鱼雷3D轨迹的定位, 还需要定位系统在竖直方向安装测量阵元, 通过空间距离公式解算坐标(本文略)。

3.2 相关波门技术

由式(2)~式(5)可知, 在同一同步时刻, 当相邻阵元,的模糊周期不同时, 接收机相邻阵元接收到的信号不属于同一个轨迹点发出, 此时系统按式(3)计算时延差将是错误的, 这就是时延差的越界失真现象。要解决这一问题, 系统需要具备自动识别时延差错误并进行修正的功能, 本文采用相关波门技术进行异常点迹修正、锁定正确轨迹, 从而实现无距离模糊的鱼雷轨迹定位。

波门是脉冲体制雷达中常用的一项技术[4]。以时间波门为例, 人们将雷达连续2个发射脉冲之间的时间间隔分为若干长度相等的时间段, 每一个时间段称为一个时间波门, 信号处理依次在每一个时间波门内进行。用形象化的语言来说波门就是“窗口”。采用波门技术的好处是拟制波门以外的杂波和人为干扰。对鱼雷水声同步定位系统来说, 越界失真的信号也是一种干扰。由于目标是连续运动的, 定位系统接收到的目标时延或时延差也是连续的, 根据连续函数的有界性可知时延差也是有界的, 故可采用波门技术预测时延差的合理“窗口”[5]: 当接收机计算的时延差超出合理“窗口”, 系统即可自动判定该周期的时延差测量值错误, 而采用“预测值”代替测量值进行定位解算, 从而使系统避免出现因时延差越界失真而错误定位的现象。

4 仿真验证

由图2可知, 仿真开始后的0 ~5 s, 各阵元的接收时延较真值减少1个周期0.1 s, 即被“截断”; 在5 ~7 s间各阵元依次发生时延“跳变”之后, 时延才和真值相等。由图3可知, 时延差仅在5~7 s间产生失真。接着, 系统采用时间波门技术对接收时延进行修正(见图4), 第5~7 s间的时延差失真已经被消除。图5是按3.1节定位方法解算出目标轨迹的极坐标图示, 可见已消除了因接收机周期清零机制所导致距离模糊。

图6和图7为大地坐标系下设计轨迹与定位轨迹的对比图。对比可知, 综合利用水平等距线阵定位技术、相关波门修正时延差技术可以较好地消除鱼雷水声同步定位系统中的定位距离模糊问题。特别是, 图7右下角一小段未重合的轨迹是系统发生左右舷模糊的情形, 在实际应用中是不会发生的, 这是因为在实际舰载鱼雷定位系统中左侧的阵元不会接收到右舷目标的信号, 而文中仿真未加这一限制。

图2 阵元1~3 接收到的时延

图3 阵元1, 2和2, 3之间的时延差

图4 采用波门技术修正后的时延差

图5 系统解算出的目标轨迹极坐标分量

图6 未采用波门技术的定位轨迹图

图7 采用等距线阵和时间波门技术的定位轨迹图

5 结束语

本文分析了鱼雷水声定位应用中产生定位模糊问题的根本原因, 提出了基于水平等距线阵定位技术、相关波门修正时延差技术设计鱼雷水声同步定位系统的快速定位算法, 并介绍了该方法抗定位距离模糊的工作原理。经Matlab仿真定位系统的接收时延、解算轨迹的各种情况对比表明, 文中方法正确、可行, 该鱼雷水声同步定位系统抗距离模糊算法具有不明显增加硬件成本、不穷举全部模糊解、无需先验位置信息等优点, 可为设计鱼雷中远程定位系统、短基线或超短基线水声定位系统消除定位距离模糊、实时锁定正确航迹提供借鉴, 具有良好的应用前景。

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[4] 王云峰. 极坐标下雷达多目标跟踪及其实现[J]. 军械工程学院学报, 2000, 12(2): 32-35.Wang Yun-feng. Radar Multi-target Tracking and Its Realization[J]. Journal of Ordnance Engineer­ing College, 2000, 12(2): 32-35.

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(责任编辑: 杨力军)

Anti Positioning Range Ambiguity Algorithm with Simulation for Underwater Synchronous Acoustic Positioning System of Torpedo

YANG Zhi-quanSHANG Fan

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The reason why positioning range ambiguity problem is created in an underwater synchronous acoustic positioning system of torpedo is analyzed, and an anti positioning range ambiguity algorithm is proposed to completely solve this problem. Accordingly, a quick positioning method is proposed for the underwater synchronous acoustic positioning system of torpedo based on the horizontal equidistant line array technology and the correlative wave gate technology for correcting time-delay difference. Simulation result shows that this method has such advantages as less addition in hardware cost, non-exhaustion of all fuzzy solutions, and non-prior position information. It may be applied to eliminating range ambiguity and locking tracked target in design of medium- and long-range positioning system of torpedo, and to design of short/ultra-short baseline underwater acoustic positioning system.

torpedo;underwater synchronous acoustic positioning system; anti positioning range ambiguity algorithm; horizontal equidistant line array; time-delay difference; correlative wave gate

TJ630.2; TB52.9

A

1673-1948(2014)01-0030-05

2013-08-12;

2013-09-17.

杨志权(1971-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水声工程技术.