水面多節點聲吶動態網絡跟蹤目標策略研究

李 嶷，余華兵，陳新華

(中國科學院 聲學研究所,北京 100190)

水面多節點聲吶動態網絡跟蹤目標策略研究

李 嶷，余華兵，陳新華

(中國科學院 聲學研究所,北京 100190)

水面多節點聲吶動態網絡由多艘觀測接收船和多艘信號發射船構成，每艘信號發射船與每艘觀測接收船上的聲吶構成一組雙基地聲吶。為得到較高信噪比和定位精度，可利用雙基地聲吶的檢測覆蓋范圍和定位誤差分布特點，求得信號發射船、觀測接收船、目標的最優布局圖。通過分析可知，在跟蹤運動目標時，如果觀測接收船運動速度大于目標運動速度，那么觀測接收船以最優布局圖為依據進行機動，在跟蹤目標一段時間后可獲得最優跟蹤精度；如果觀測接收船運動速度小于目標運動速度，那么觀測接收船更適合以靜態方式跟蹤目標。本文的分析結論對于戰場環境下艦船指揮和控制具有較強指導意義。

多節點聲吶網絡；雙基地聲吶；水面艦船；跟蹤策略

0 引 言

水面多節點聲吶網絡在目標檢測和定位方面具有優于單節點聲吶的優點。它有更廣的檢測覆蓋范圍、更靈活的幾何布局、更魯棒的檢測性能。在目標定位方面，具有更高的定位精度。

多節點聲吶網絡具有警戒能力，能有效提高目標跟蹤性能。但多節點聲吶網絡的優勢只有在各節點合理布局和配置、各節點協同工作、并利用控制中心進行智能控制和管理的條件下才能充分展現[1]。目前，人們從傳感器布放、信號或信息處理方法、脈沖控制等方面對水面多節點聲吶網絡進行研究[2-5]，其研究主要針對靜態探測網絡。

實際工作中，水面多節點聲吶網絡可由多艘艦船構成，每艘艦船即是網絡中的一個節點，艦船上安裝有實現信號發射或信號檢測等功能的聲吶。由于艦船可機動，所以此時的多節點聲吶網絡是一個動態探測網絡。

動態網絡相對靜態網絡更靈活機動，它可根據環境變化改變節點位置，實現動態跟蹤目標的目的。尤其在實際工作中，艦船的數量非常有限，聲吶的布放數量也因此受到限制，此時利用各節點的機動性可充分發揮動態網絡的優勢，實現增加檢測覆蓋范圍，增強檢測性能，提高目標定位精度的能力。

本文以目標跟蹤定位性能最優為判決依據，對動態聲吶網絡跟蹤運動目標的跟蹤策略進行分析，為決策者調動和支配艦船，實現有效地指揮和控制提供指導。

1 雙基地聲吶特性

水面多節點聲吶網絡由多個信號發射點和多個觀測接收點構成，每個信號發射點與每個觀測接收點構成一組雙基地聲吶。因此，雙基地聲吶是構成水面多節點聲吶網絡的基本組成單元。

1.1 雙基地聲吶檢測覆蓋范圍

雙基地聲吶的檢測覆蓋范圍是衡量雙基地聲吶檢測性能的重要指標。當目標位于雙基地聲吶的檢測覆蓋范圍內時，能檢測到目標，否則無法檢測到目標。定性地看，信號發射船與觀測接收船之間的距離越遠，聲吶檢測目標的能力越差、檢測覆蓋范圍越小；反之，聲吶檢測目標的能力越強、檢測覆蓋范圍越大。

假設海洋中的背景干擾以各向同性的環境噪聲為主，對于雙基地聲吶可得到如下形式的主動聲吶方程：

SL-TL+TS-(NL-DI)=DT。

(1)

其中：SL為聲源級；TL為傳播損失；TS為目標強度；NL為海洋環境噪聲級；DI為接收指向性指數；DT為檢測閾。

由式(1)可知，如要能檢測到目標，則要求上式的左邊大于等于右邊，即需要滿足[6]：

rST·rTR≤a2。

(2)

式中：a2的值由SL，TS，NL，DI，DT確定；rST和rTR分別為信號發射點S到目標T的距離以及目標T到觀測接收點R的距離。當海洋環境基本確定，且發射換能器、接收水聽器、目標強度也確定不變時，SL，TS，NL，DI，DT基本為固定值，對應推知式(2)中的a2為定值。

式(2)表示以信號發射船和觀測接收船為焦點的卡西尼卵形線，雙基地聲吶的檢測區域即為卡西尼卵形線所包圍的區域，其示意圖如圖1所示，圖中S和R分別表示信號發射船和觀測接收船。由卡西尼卵形線的特性可知，在a一定的條件下，無論信號發射船與觀測接收船之間距離如何變化，卡西尼卵形線所包圍的區域始終位于2艘船附近的圓形區域內。因此，在目標跟蹤過程中，為得到較高的信噪比，應保證目標位于信號發射船或觀測接收船附近，此時更利于檢測到目標。

圖1 卡西尼卵形線Fig.1 Cassini ovals

2.2 雙基地聲吶定位精度

目標定位是進行目標跟蹤的前提。實際工作中，被跟蹤的目標通常為非合作目標，因此可采用雙曲交匯方法對其進行定位。

雙曲交匯定位布局如圖2所示，圖中S、R、T分別表示信號發射船、觀測接收船和目標。其中，信號發射船與觀測接收船均可通過GPS實現時間同步和定位。信號發射船周期地發射脈沖信號，觀測接收船接收直達波信號和目標反射回波，并且觀測接收船上的聲吶具有指向性，可對目標和信號發射船進行定向。

圖2 雙曲交匯定位布局圖Fig.2 Layout of hyperbolical join locating

由公式

(3)

(4)

可實現目標定位。其中，L為S和R之間的基線長度，它可由2艘船上的GPS坐標確定；φ為接收船上聲吶陣確定的目標方位；τ為接收船接收到的直達波與目標反射回波之間的時間差；c為水中聲速。

本文用 “定位精度幾何擴散因子”GDOP(Geometrical Dilution of Precision)來衡量目標定位誤差與幾何分布的關系。由于水聲環境中的深度值通常遠遠小于距離值，因此可近似認為對目標的定位是在二維平面內的定位，那么GDOP可用二維方式表達，由此得到目標在某點處的定位誤差：

(5)

對于雙曲交匯定位方法，可得到GDOP仿真分布圖如圖3所示。從圖中可看出：目標位于基線附近時定位誤差非常大，并且定位誤差大的區域在信號發射點與觀測接收點之間近似構成一個橢圓；目標位于信號發射點與觀測接收點基線以外的區域時，定位誤差較?。荒繕诉h離基線時，定位誤差又逐漸增大。

圖3 雙曲交匯定位方式下GDOP分布圖Fig.3 GDOP distribution map of hyperbolical join locating

從圖3可知，在進行目標跟蹤時，當目標位于信號發射點與觀測接收點基線以外，且靠近信號發射點或觀測接收點附近時，目標定位誤差較小。

2.3 雙基地聲吶最優跟蹤位置

在目標跟蹤過程中，為了得到較優的目標定位性能，觀測接收船接收到的目標信號應具有較高信噪比，且具有較高的定位精度，即應滿足：

信噪比max∩定位精度max。

結合前面的分析可看出，當目標位于信號發射船或觀測接收船附近時，可得到較高信噪比；當目標位于信號發射船與觀測接收船的基線外側且毗鄰這2艘船時，可得到較高的定位精度。由此得到信號發射船、觀測接收船、目標的最優布局圖如圖4(a)所示，實際工作中可根據目標、信號發射船、觀測接收船的運動情況合理選擇其中一種跟蹤布局模式。

另外，實際工作中不同的聲吶通常具有不同的探測盲區。本文假設聲吶的探測盲區在船尾，那么為了實現圖4(a)的最優布局圖，在信號發射船固定不動的前提下，觀測接收船可按照圖4(b)所示的運動方向機動，當觀測接收船到達期望位置后，目標定位誤差接近最小。

圖4 雙基地聲吶跟蹤目標時的布局示意圖Fig.4 Layout of bistatic sonar when tracking target

3 水面多節點聲吶網絡跟蹤目標性能仿真

戰場環境下，被跟蹤目標通常處于機動狀態，因此為實現最優的目標定位和跟蹤性能，觀測接收船需要根據目標和信號發射船的布局不斷調整自己的運動方向。跟蹤過程是一個動態過程，當信號發射船靜止時，此過程與目標和觀測接收船的運動速度密切相關。

水面多節點聲吶網絡由多艘觀測接收船和多艘信號發射船構成，每艘觀測接收船與每艘信號發射船構成一組雙基地聲吶，因此雙基地聲吶的分析結論可應用在此處。為簡化分析，本文以觀測區域內有1艘信號發射船、4艘觀測接收船和1個非合作目標為例進行分析。由于目標的出現位置未知，所以本文假設觀測接收船和信號發射船的初始布局隨機，其布局如圖5所示，圖中曲線為目標真實運動軌跡。假設在整個觀測時間段內，信號發射船位置固定，觀測接收船可機動，每艘觀測接收船上聲吶的測向、測時誤差相同。那么，根據不同時刻信號發射船、觀測接收船、目標的位置信息，利用雙曲交匯定位方法可產生對應時刻的目標定位仿真亮點，每個亮點對應一個時戳信息，圖5中的4個觀測接收點對應產生4個亮點文件。

本文以目標擬合軌跡到目標真實軌跡的距離差作為衡量目標跟蹤策略性能優劣的重要指標。為便于比較，對于不同的跟蹤策略和場景，本文均采用相同的軌跡跟蹤算法[7]對亮點文件進行處理。

圖5 水面多節點聲吶網絡的初始布局圖Fig.5 Initial layout of multstatic sonar network

當觀測接收船的運動速度大于目標運動速度時，以圖4的雙基地聲吶最優布局圖為依據對目標進行跟蹤，可得到每艘觀測接收船的跟蹤路線如圖6所示。圖6中圓點所在的曲線為目標真實運動軌跡，線上的圓點表示目標在特定時刻的位置，圖中另一條曲線表示某艘觀測接收船的運動軌跡，線上的標記為圓點對應時刻的觀測接收船位置。從圖6可看出，在目標跟蹤初期，各艘觀測接收船都盡力往最優布局點方向靠近，隨著時間的增加，各艘觀測船均到達最優布局點。由于本文假設各艘觀測接收船上聲吶的測量誤差一樣，所以當各艘觀測船到達最優布局點時，它們的位置完全重合。

圖6 觀測接收船的運動速度大于目標運動速度時， 各艘觀測接收船的跟蹤路線Fig.6 Tracking path of each observation ship, when the observation ships are faster than the target

以圖6的跟蹤路線為基礎，根據各時刻信號發射船、觀測接收船、目標的位置信息，可產生4艘觀測接收船的4個亮點文件，然后利用軌跡跟蹤算法能求得目標擬合軌跡。圖7為利用蒙特卡羅方法得到的不同采樣時刻目標擬合軌跡到目標真實軌跡的距離差，當此距離差較小時，說明跟蹤定位效果較好，否則，跟蹤定位效果較差。其中，圖7(a)為布放4個觀測接收船時的誤差，圖7(b)為布放2個觀測接收船時的誤差。

從圖7可看出，無論觀測接收船是否機動，當目標通過水面多節點聲吶網絡中任何一組雙基地聲吶的基線時，目標跟蹤定位精度將顯著降低，目標擬合軌跡與目標真實軌跡間的誤差非常大。但當觀測接收船機動時，由于雙基地聲吶的布局在迅速發生變化，所以目標穿過基線的時間會更短暫，對應出現較大定位誤差的時間也會更短暫；另一方面，無論觀測接收船是否機動，當觀測接收船數量增多時，目標的跟蹤定位精度更高，目標的擬合軌跡更接近目標真實軌跡。

圖7 觀測接收船的運動速度大于目標運動速度時，目標 擬合軌跡與目標真實軌跡在不同采樣時刻的誤差Fig.7 Errors between fitting trajectory and real trajectory, when the observation ships are faster than the target

從圖7還可看出，當觀測接收船采用機動方式跟蹤運動目標時，其跟蹤定位效果優于觀測接收船靜止跟蹤的方式，并且隨著觀測接收船逐步到達最優布局點，目標的定位誤差也逐漸收斂并達到最小，最終目標擬合軌跡與目標真實軌跡將基本完全重合。另一方面，如果觀測接收船靜止，那么目標的定位誤差不會隨著時間發生明顯變化。

同理，采用與前面類似的分析，可得到觀測接收船運動速度小于目標運動速度時，不同時刻觀測接收船的跟蹤路線如圖8所示。從圖8可看出，當觀測接收船運動速度較低時，在跟蹤的后期，觀測接收船不僅無法到達最優布局點，而且距離目標越來越遠，最終目標可能逃離觀測船的跟蹤。

圖8 觀測接收船的運動速度小于目標運動速度時， 觀測接收船的跟蹤路線Fig.8 Tracking path of each observation ship, when the observation ships are slower than the target

針對圖6和圖8兩種情況，根據各時刻信號發射船、觀測接收船、目標的位置信息，利用雙曲交匯定位方法分別產生目標仿真亮點如圖9所示。比較這2幅圖可看出：圖9(a)中的目標仿真亮點緊鄰目標真實軌跡，目標定位精度明顯優于圖9(b)，尤其在跟蹤后期，圖9(a)中的定位誤差非常小且趨于穩定；而圖9(b)中的定位誤差在減小一段時間后又逐漸增大，并且隨著觀測接收船距離目標越來越遠，定位誤差也越來越大，尤其當目標經過基線附近時，圖9(b)中的目標定位誤差非常大，且持續時間長。

圖9 觀測接收船運動速度不同時產生的目標仿真亮點Fig.9 Simulation target contacts when the velocities of observation ships are different

綜上所述，在觀測接收船運動速度不同的情況下，應分別采用不同的跟蹤目標策略。當觀測接收船運動速度大于目標運動速度時，觀測接收船可采用本文所述的最優布局點跟蹤方法，在跟蹤目標一段時間后，跟蹤效果將達到最優，跟蹤定位誤差逐漸減小并趨于穩定；當觀測接收船運動速度小于目標運動速度時，如果再采用本文所述的最優布局點跟蹤方式，那么有可能出現觀測接收船永遠無法到達最優布局點的情況，并且隨著時間的增加，目標可能逃逸觀測區域。因此，在后一種情況中，觀測接收船應該采用靜態方式跟蹤目標，即“以靜制動”，并且為了增大檢測覆蓋范圍和提高定位精度，需要事先在觀測區域內合理布放觀測接收點[6]。

4 結 語

一發一收的雙基地聲吶在探測非合作目標時，其檢測覆蓋范圍滿足卡西尼卵形線分布，其定位精度也具有特定的分布特征。因此，為了得到較高的信噪比和較高的定位精度，結合這2種分布特點可確定雙基地聲吶中觀測接收船在跟蹤運動目標時的最優布局點。

假設信號發射船位置固定，那么觀測接收船跟蹤目標的策略與其運動速度密切相關。當觀測接收船運動速度大于目標運動速度時，觀測接收船應該采用機動方式跟蹤目標；當觀測接收船運動速度小于目標運動速度時，觀測接收船應該采用靜態方式跟蹤目標，并且為了達到較好的跟蹤效果，事先應該在觀測區域內合理而廣泛地布放觀測接收點。另外，對于多節點聲吶探測網絡，無論觀測接收船是否機動，增加觀測接收點數量都可以有效提高目標跟蹤定位精度。本文的分析結論可指導人們進行合理的警戒部署和戰術指揮，其研究成果具有較強的現實意義。

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Reseach on strategies of tracking target by multistatic sonar dynamic network

LI Yi，YU Hua-bing，CHEN Xin-hua

(Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Multistatic sonar dynamic network usually consists of many observation ships and many signal transmitted ships. Each observation ship and each signal transmitted ship compose a group of bistatic sonar. For each bistatic sonar, the detecting area and the locating error distribution have their own characteristics. To obtain higher signal-to-noise ratio and higher locating precision, these distribution characteristics can be used to infer the ships′ optimal positions. It is proved that when the observation ships are faster than the target, the optimal tracking performance can be obtained after some time by maneuvering the observation ships to the optimal positions. On the other hand, when the observation ships are slower than the target, the static tracking modes are more suitable for the observation ships. This conclusion is meaningful for controlling and maneuvering ships in battle fields.

multistatic sonar network;bistatic sonar;surface warships;tracking strategies

2013-05-02；

2013-06-27

李嶷(1973-)，女，副研究員，研究方向為多基地聲吶及水聲信號處理。

U666.7

A

1672-7649(2014)07-0080-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.017