水下聲自導武器目標跟蹤建模與仿真

楊向鋒, 楊云川, 陳亞林

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水下聲自導武器目標跟蹤建模與仿真

楊向鋒, 楊云川, 陳亞林

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

目標跟蹤是水下聲自導武器智能化發展的重要方向之一。水下主動聲自導武器目標跟蹤過程具有觀測基座運動和觀測時變的特點, 本文利用水下聲自導武器導航定位及航行姿態參數和水下聲自導武器檢測到的目標信息, 基于坐標變換將目標坐標從水下聲自導武器坐標系變換到大地坐標系, 解決了觀測基座運動的問題, 通過實時計算采樣周期解決了觀測時變問題, 建立了基于卡爾曼濾波的水下聲自導武器目標跟蹤模型, 分析了濾波初值選取問題, 給出了濾波初值選取的工程方法。仿真結果證明, 本文所建模型正確, 跟蹤算法具有較快的收斂速度, 跟蹤效果良好。

水下聲自導武器; 目標跟蹤; 基座運動; 觀測時變; 卡爾曼濾波

0 引言

目標跟蹤是人們運用各種觀測和計算手段, 實現主體對被關注客體狀態建模、估計及跟蹤的過程。目標跟蹤可以及時對運動目標進行預警或跟蹤、發現并鎖定被跟蹤目標, 估計并分析其運動狀態, 為火力控制、威脅評估、態勢評估, 直至各級指揮控制系統提供決策信息[1]。目標跟蹤理論和技術經歷了輝煌的發展歷程, 形成了維納濾波和近代卡爾曼濾波2大理論體系。

目前卡爾曼濾波理論基本替代了維納濾波理論, 成為國內外學者進行現代目標跟蹤研究的主要方法[2]。目標跟蹤是水下聲學觀測系統和水下聲自導武器的重要功能之一。近年來, 應用卡爾曼濾波方法對水下目標進行跟蹤得到了廣泛的研究[3-7], 但主要是針對水下聲學觀測系統基于被動觀測方式的目標跟蹤方法研究。本文主要針對水下主動聲自導武器標跟蹤問題, 分析了水下主動聲自導武器的工作特點, 并建立了水下聲自導武器主動目標跟蹤模型, 對跟蹤模型進行了仿真試驗, 試驗表明該模型正確, 跟蹤算法具有較快的收斂速度, 跟蹤效果良好。

1 跟蹤建模

1.1 水下聲自導武器的工作特點

水下聲自導武器在主動方式工作時, 通過發射聲信號并接收目標反射信號對目標進行檢測及參量估計, 獲得目標相對空間信息后進行彈道機動, 在彈道機動過程中繼續進行檢測、參量估計并實施目標跟蹤, 最后進行打擊。由此可見, 作為觀測平臺的水下聲自導武器一直處于高速機動狀態。在作戰過程中, 水下聲自導武器高速機動, 目標同時也處于運動中, 其與目標的相對位置不斷變化, 并根據與目標的距離實時調整探測波形和檢測周期, 同時水下聲自導武器進行彈道機動時需要一定的時間實現, 最終導致觀測時間處于變化之中。綜合以上因素, 水下聲自導武器攻擊目標的過程表現為一個觀測基座運動和觀測時變的過程。標準卡爾曼濾波方法對目標進行跟蹤時, 要求目標的多次觀測須處于同一個觀測坐標系下, 而觀測時間即采樣周期必須確知, 因此水下聲自導武器利用卡爾曼濾波方法對目標進行跟蹤須解決觀測基座運動和觀測時變的問題。

1.2 坐標變換

圖1 水下聲自導武器直角坐標系

由幾何關系知其水下聲自導武器坐標系的坐標

圖2 水下聲自導武器坐標系與大地坐標系的旋轉關系

1.3 目標狀態方程

對水下目標而言, 未受攻擊時, 在水下可能靜止或勻速運動; 在受水下聲自導武器攻擊時的運動不外乎加速、轉彎、下潛等。在運動過程中其加速度一般恒定或變化不大認為恒定, 因此目標的坐標方程、速度方程、加速度為

式中:x,y,z,vx,vy,vz,ax,ay,az分別是目標在軸、軸、軸上的坐標、速度、加速度;是采樣周期。

水下聲自導武器攻擊目標的過程是一個時變過程, 相鄰2次檢測之間可能存在水下聲自導武器彈道的變換過程, 同時根據自導系統配置可能存在周期時間調整, 而且在自導工作過程中可能出現某周期丟失目標, 下周期又檢測到目標的情況, 即式(4)中的是變化的, 而標準卡爾曼濾波方法要求系統采樣周期必須是確知且等間隔,變化導致狀態轉移矩陣不確定, 因此無法直接使用標準卡爾曼濾波方法。

水下聲自導武器自導系統可以在統一時鐘下提供每次檢測的精確時間, 采樣周期可以通過相鄰2次觀測的時間進行實時計算, 即

1.4 跟蹤模型

水下聲自導武器攻擊目標的過程相對短暫, 因此可忽略外界的環境對目標運動的干擾。選擇目標在軸、軸、軸上的坐標、速度、加速度為狀態向量, 則狀態方程及狀態轉移矩陣可表示為

得到狀態方程和觀測方程后就可以給出跟蹤濾波的卡爾曼遞推公式

根據上式可知

由于任意2次觀測相互獨立, 故

由式(16)~式(18)可知

5）根據式(12)進行濾波遞推計算。

2 仿真結果與分析

圖3 跟蹤濾波結果

圖4 目標跟蹤誤差曲線

圖5 目標速度估計結果

圖6 目標加速度估計結果

由圖可以看出, 跟蹤濾波后誤差明顯小于原始檢測值的誤差, 跟蹤收斂速度較快, 跟蹤效果良好。目標運動速度估計和加速度估計很快向設計值收斂, 與實際數據樣本設計參數相符。

3 結束語

[1] 潘泉, 梁彥, 楊峰, 等. 現代目標跟蹤與信息融合[M].北京: 國防工業出版社, 2009.

[2] 權太范. 目標跟蹤新理論與技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

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Modeling and Simulation of Target Tracking for Underwater Acoustic Homing Weapon

YANG Xiang-feng, YANG Yun-chuan, CHEN Ya-lin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Target tracking is one of the important directions in the development of modern intellectualized underwater acoustic homing weapon. However, the observation-base is moving and the observation is time-varying when an active acoustic homing weapon tracks a target. In this study, the parameters of location and attitude from the acoustic homing weapon′s navigation system and the target information detected by the acoustic homing weapon are used to resolve the problem of observation-base movement and time-varying observation. The target coordinates in acoustic homing weapon coordinate systems are transformed to terrestrial coordinate system to resolve the problem of observation-base′s movement, and the sampling time is calculated in real time to resolve the problem of observation′s time-varying. A target tracking model of acoustic homing weapon based on Kalman filter is established. The choosing of filter′s initialization values is analyzed, and the application method of choosing filter initialization values is presented. Simulation results show that the model is accurate, and the tracking algorithm is of faster convergence and better tracking effect.

underwater acoustic homing weapon; target tracking; observation-base movement; time-varying observation; Kalman filter

TJ630.34; TB566

A

1673-1948(2013)01-0015-05

2012-06-15;

2012-07-23.

楊向鋒(1978-), 男, 碩士, 高級工程師, 研究方向為水聲信號與信息處理, 水下目標識別, 跟蹤及水聲反對抗.

(責任編輯: 楊力軍)