夏忠婷 張振華 王益樂(lè)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210000）

水聲被動(dòng)交叉定位算法應(yīng)用研究＊

夏忠婷 張振華 王益樂(lè)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210000）

文章通過(guò)雙基陣被動(dòng)測(cè)距的方位交叉定位法，自動(dòng)計(jì)算水聲源前端測(cè)得所有方位目標(biāo)的交叉點(diǎn)，并對(duì)交叉點(diǎn)進(jìn)行歷史點(diǎn)管理。通過(guò)交叉點(diǎn)形成的軌跡的連續(xù)性和平滑性判定產(chǎn)生交叉點(diǎn)的原始方位目標(biāo)是否是同一個(gè)目標(biāo)。在多站多基陣的環(huán)境下，驗(yàn)證了該算法的有效性和可行性，該方法可以成為純方位目標(biāo)同一性認(rèn)定的有效手段。最后，對(duì)交叉定位法在實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并指出了不足之處，以待后期進(jìn)一步完善。

雙基陣被動(dòng)測(cè)距；方位交叉定位法；交叉點(diǎn)；同一性認(rèn)定

Class NumberTB566

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中總是希望探測(cè)設(shè)備能盡可能多地探測(cè)敵方的信息，而不暴露自己的位置信息。一個(gè)水下航行的潛艇，為保證自身的隱蔽性，一般情況下不用主動(dòng)聲吶，只在對(duì)敵艦實(shí)施魚(yú)雷攻擊前才短時(shí)間使用，長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)下的聲吶是被動(dòng)聲吶。然而一般被動(dòng)聲吶并不具備測(cè)距功能，因而利用被動(dòng)聲吶進(jìn)行測(cè)距一直是水聲工作者十分關(guān)心的課題；20世紀(jì)70年代國(guó)外才開(kāi)始研制被動(dòng)測(cè)距聲吶并裝備潛艇。我國(guó)20世紀(jì)80年代也自行研制成功并已開(kāi)始裝備部隊(duì)。這種聲吶可測(cè)定有源目標(biāo)方位外，還可測(cè)定其距離，從而為潛艇的隱蔽活動(dòng)創(chuàng)造了有利條件?？梢哉J(rèn)為被動(dòng)測(cè)距聲吶的出現(xiàn)是水聲技術(shù)的一大突破，它是在水聲信號(hào)處理技術(shù)基礎(chǔ)上才得以實(shí)現(xiàn)的。反過(guò)來(lái)為了實(shí)現(xiàn)被動(dòng)聲吶的精確測(cè)距，又對(duì)信號(hào)處理提出了一系列新的要求，從而又推動(dòng)了水聲信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展［1］。

被動(dòng)測(cè)距是聲納系統(tǒng)的一項(xiàng)主要功能，單個(gè)基陣被動(dòng)測(cè)距方法主要有三類彎曲的被動(dòng)測(cè)距方法：1）三子陣定位法和聚焦波束形成方法；2）基于海洋波導(dǎo)聲傳播模型的被動(dòng)測(cè)距方法，最典型的是匹配場(chǎng)算法；3）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析方法。單基陣被動(dòng)測(cè)距往往對(duì)陣元位置測(cè)量精度、水文參數(shù)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)等有特定要求，提高單基陣被動(dòng)測(cè)距的精度和寬容性仍是需要努力解決的技術(shù)難題，當(dāng)聲納系統(tǒng)中配有多個(gè)間距達(dá)數(shù)百米以上的聲基陣時(shí)，則可融合聲基陣獨(dú)立測(cè)得的目標(biāo)方位信息實(shí)現(xiàn)被動(dòng)測(cè)距。其中，方位交叉定位基于各基陣獨(dú)立測(cè)得的方位信息、基陣間距，通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系式計(jì)算目標(biāo)距離。和其它方法相比，方位交叉定位對(duì)信號(hào)形式、信號(hào)相關(guān)性、海洋水文參數(shù)等無(wú)特別要求，寬容性好［2～4］。

本文對(duì)雙基陣被動(dòng)測(cè)距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究?？紤]到工程應(yīng)用的復(fù)雜性采用了方位交叉定位法，通過(guò)判斷交叉定位點(diǎn)的連續(xù)性的平滑程度判定兩個(gè)方位目標(biāo)是否是同一個(gè)目標(biāo)，通過(guò)實(shí)際的工程應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法的有效性和可行性。

2 算法描述

2.1 雙節(jié)點(diǎn)基陣被動(dòng)測(cè)距基本原理

圖1 雙基陣被動(dòng)測(cè)距原理

雙基陣被動(dòng)測(cè)距原理如圖雙基陣被動(dòng)測(cè)距原理如圖1所示。設(shè)1＃聲基陣、2＃聲基陣中心距為L(zhǎng)，和陣中心連線的夾角分別為β、γ。設(shè)噪聲源S離聲基陣距離滿足單條基陣的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，則對(duì)于單基陣聲波前可近似為平面波，可利用平面波束形成估計(jì)目標(biāo)方位。設(shè)兩條聲基陣測(cè)得的噪聲源S方位（相對(duì)于基陣陣首）分別為θ1、θ2，則利用三角函數(shù)關(guān)系式，可以解算聲源S離兩條聲基陣的距離［5～10］。

式中

雙基陣被動(dòng)測(cè)距方法對(duì)聲源位置有一定限制。當(dāng)聲源S和基陣距離遠(yuǎn)大于L時(shí)，α1＋α2趨向于π，式（1）、式（2）分母趨向于0，微小的測(cè)向誤差將引起很大的測(cè)距誤差；當(dāng)α1＋α2＝π／2，式（1）、式（2）分母趨向于1，側(cè)向誤差的影響最小。

2.2 工程應(yīng)用算法

如圖2所示，在多站多基陣的環(huán)境下，水聲站探測(cè)的水聲目標(biāo)的方位角，對(duì)水聲目標(biāo)做同一性認(rèn)定時(shí)，兩個(gè)方位目標(biāo)的交匯點(diǎn)極有可能是同一個(gè)水聲目標(biāo)，本文通過(guò)對(duì)多個(gè)水聲站多個(gè)基陣探測(cè)的所有方位目標(biāo)的交叉點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算探測(cè)的方位目標(biāo)的所有可能交叉點(diǎn)，并保存一定數(shù)量的交叉點(diǎn)的歷史點(diǎn)，根據(jù)歷史點(diǎn)的平滑程度判斷兩個(gè)方位目標(biāo)點(diǎn)是否是同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)，根據(jù)交叉點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)可以粗略計(jì)算交叉點(diǎn)的速度，通過(guò)速度和歷史點(diǎn)的連續(xù)程度進(jìn)一步判斷兩個(gè)方位目標(biāo)是否是同一個(gè)目標(biāo)，下面具體介紹一下該算法過(guò)程。

圖2 多基陣多基站場(chǎng)景

第一步：判斷兩個(gè)目標(biāo)是否屬于同一個(gè)基陣，同一個(gè)基陣發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)則不做交叉；

第二步：計(jì)算兩基陣之間的距離以及與正北方向的夾角；

第三步：用計(jì)算的兩基陣之間的距離作一個(gè)基本預(yù)判，對(duì)無(wú)法形成有效交叉區(qū)域的基陣進(jìn)行過(guò)濾。本文預(yù)判的規(guī)則是L＞Amax＋Bmax，式中L為兩基陣之間的距離，Amax為探測(cè)目標(biāo)1所在基陣的最大探測(cè)范圍，Bmax為探測(cè)目標(biāo)2所在基陣的最大探測(cè)范圍；

第四步：利用經(jīng)度值確定基站B和基站C的相對(duì)位置，確定基準(zhǔn)位置，B／C基站靠近西邊的為基準(zhǔn)位置；

第五步：修正因雙基站與正北方向方位差產(chǎn)生的模型坐標(biāo)系方位差，即做一個(gè)坐標(biāo)變換；

第六步：利用雙基陣各自目標(biāo)方位，過(guò)濾一些不能產(chǎn)生交叉點(diǎn)的情況；比如圖1中的0≤α1＜90，α1≤α2＜270；

第七步：根據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算交叉點(diǎn)S與基陣B、C之間的距離d1、d2，比較d1、d2與基陣最大探測(cè)范圍，若超出基陣最大探測(cè)范圍則剔除該交叉點(diǎn)；

第八步：已知兩基陣的經(jīng)緯度，利用第七步求得的交叉點(diǎn)與基陣距離、方位計(jì)算出兩方位目標(biāo)交叉點(diǎn)的經(jīng)緯度；

第九步：對(duì)計(jì)算出的交叉點(diǎn)進(jìn)行歷史點(diǎn)的記錄，根據(jù)兩交叉點(diǎn)的距離和時(shí)間差估算出交叉點(diǎn)的速度。

3 工程應(yīng)用結(jié)果

在實(shí)際的工程環(huán)境下，將2.2節(jié)中的算法應(yīng)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，如圖3所示，本工程包含A、B、C三個(gè)水聲站，A站包含兩個(gè)基陣，B站包含四個(gè)基陣，C站包含八個(gè)基陣，各基站基陣的中心經(jīng)緯度已知，態(tài)勢(shì)圖上包含水聲目標(biāo)、融合目標(biāo)、雷情目標(biāo)各類目標(biāo)的集合，通過(guò)對(duì)海圖區(qū)域進(jìn)行局部框選，過(guò)濾其他類型目標(biāo)，單獨(dú)對(duì)水聲目標(biāo)進(jìn)行分析和判定，得到圖4水聲方位目標(biāo)區(qū)域圖。

圖3 各類目標(biāo)態(tài)勢(shì)圖

圖4 水聲方位目標(biāo)區(qū)域圖

如圖5～圖7所示，在多站多基陣的情況下，對(duì)水聲源前端測(cè)得方位目標(biāo)進(jìn)行同一性認(rèn)定時(shí)，通過(guò)對(duì)所有方位目標(biāo)自行交叉點(diǎn)的自動(dòng)計(jì)算，在顯示界面上顯示所有可能的交叉點(diǎn)的航跡圖，如果交叉點(diǎn)的航跡圖連續(xù)、平緩且速度平緩一致，則值班員標(biāo)志重點(diǎn)目標(biāo)（對(duì)交叉點(diǎn)的兩個(gè)方位目標(biāo)進(jìn)行延長(zhǎng)），顯示兩個(gè)來(lái)源目標(biāo)的屬性，人工對(duì)比兩個(gè)方位目標(biāo)的屬性，如果兩個(gè)方位目標(biāo)的屬性極為相似，則對(duì)水聲源前端發(fā)出同一性人性請(qǐng)求，判定這兩個(gè)方位目標(biāo)是否是同一個(gè)目標(biāo)，通過(guò)工程實(shí)踐表明，此算法能夠有效的輔助無(wú)源方位目標(biāo)的同一性判定。

圖5 不同基站在交叉區(qū)域內(nèi)的交叉點(diǎn)圖

圖6 不同基站在交叉區(qū)域外的交叉點(diǎn)圖

圖7 同一基站不同基陣交叉點(diǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合被動(dòng)測(cè)距交叉定位算法，給出了在多站多基陣的環(huán)境下，水聲站前端探測(cè)的只有方位的目標(biāo)，在一定的準(zhǔn)則下，自動(dòng)計(jì)算出所有可能的交叉點(diǎn)，通過(guò)交叉點(diǎn)的連續(xù)性和平滑度判斷兩個(gè)原始方位目標(biāo)是否是同一個(gè)目標(biāo)，實(shí)際的工程應(yīng)用表明，該方法能很好地判定同一性。

同時(shí)，也總結(jié)了幾點(diǎn)有待改進(jìn)及不足之處：

1）在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)條件下利用各子陣測(cè)目標(biāo)方位角，亦即要求子陣的尺寸小于d1、d2，此外L應(yīng)比較大，否則α、β的差別太小，誤差加大。

2）利用最新交叉點(diǎn)減去次最新交叉點(diǎn)結(jié)算交叉點(diǎn)的速度，隨機(jī)較大誤差，只能作為參考。

［1］田坦，劉國(guó)枝，孫大軍.聲吶技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000，3：138－139.

［2］劉流，孟彧仟，張自麗，等.雙基陣節(jié)點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距方法實(shí)驗(yàn)研究［J］.艦船電子工程，2015，4（42）：63－64.

［3］毛衛(wèi)寧.水下被動(dòng)定位方法回顧與展望［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，31（6）：129－132.

［4］宋新見(jiàn)，惠俊英，殷冬梅，等.水下噪聲目標(biāo)被動(dòng)測(cè)距技術(shù)研究［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2005，24（3）：133－139.

［5］時(shí)潔，楊德森，劉伯勝，等.基于MVDR聚焦波束形成的輻射噪聲源近場(chǎng)定位方法［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34（3）：55－58.

［6］周偉，門麗杰，梅繼丹.淺海三元陣近程被動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，5（30）：547－551.

［7］關(guān)欣，何友，衣曉.雙基陣純方位水下被動(dòng)目標(biāo)跟蹤性能仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（10）：1464－1466.

［8］張小鳳，趙俊渭，王榮慶，等.雙基地聲納定位精度和算法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（10）：1471－1473.

［9］孫勇，趙俊渭，張小鳳.雙基地聲吶定位算法的研究與比較［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，23（9）：129－130.

［10］Mozzone L，Bogi S，Primo F.Deployable Underwater Surveillance System－analysis of experimental results，SR－278［R］.La Spezia Italy，NATO SACLANT Undersea Research Centre，1997，3：181－182.

Applicaion of Passive Sonar BearingCross Location Algorithm

XIA Zhongting ZHANG Zhenhua WANG Yile
（The 28th Research Institute，CETC，Nanjing 210000）

By Bi－static array passive ranging bearing cross location method，the paper automatically calculates all bearing target cross location point measured by the front sound source，and manages the historical cross location point.The continuity and smoothness of the track formed by cross location point are used to determine the bearing target form the same source.Under a multi－station multi－array environment，the effectiveness and feasibility of this algorithm are demonstrated，which can become effective means of identification of same target.Finally，this paper summarizes development problems in the process of practical application and points out the shortcomings.

bi－static array passive ranging，bearing cross location，cross location point，identification of same target

TB566DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.014

2015年5月10日，

2015年6月29日

夏忠婷，女，工程師，研究方向：水聲系統(tǒng)工程與算法研究等。張振華，男，工程師，研究方向：水聲系統(tǒng)工程與算法研究等。王益樂(lè)，男，助理工程師，研究方向：水聲陣列信號(hào)處理等。