無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的一種方法

摘" 要： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、能源技術(shù)的發(fā)展，無人潛航器也被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在分析了無人潛航器水下偵察搜索、反水雷戰(zhàn)、水下誘騙戰(zhàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出潛艇采用線導(dǎo)方式控制雙無人潛航器進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算的方法，并分別通過圖解法和計(jì)算法分析了其解算的原理。該方式只需探測(cè)目標(biāo)的方位信息，降低了目標(biāo)其他要素探測(cè)的難度，不僅增加了潛艇的探測(cè)距離還利于潛艇隱蔽，這對(duì)水下無人潛航器應(yīng)用具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞： 無人潛航器； 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素； 線導(dǎo)； 方位； 解算； 圖解法

中圖分類號(hào)： TN99?34""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A"""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）09?0173?04

0" 引" 言

無人潛航器（Unmanned Underwater Vehicle， UUV）在20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域，比如：海洋科學(xué)領(lǐng)域的考察、水下打撈和水下電纜的鋪設(shè)等[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路、材料、導(dǎo)航技術(shù)[2?3]及能源[4]等技術(shù)的跨越式發(fā)展，無人潛航器的功能更加豐富、下潛深度更深，應(yīng)用領(lǐng)域也從民用擴(kuò)展到了軍用。當(dāng)前人工智能的飛速發(fā)展，無人潛航器也從遙控式發(fā)展到了自主式[5]，其應(yīng)用也更加廣泛。

無人潛航器具有體積小、重量輕、靈活性高等特點(diǎn)，非常適用于水下目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，也被廣泛應(yīng)用于軍事用途，成為世界各國(guó)研制的重要水下裝備。目前國(guó)外有美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、印度、韓國(guó)、日本等十幾個(gè)國(guó)家二十幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行無人潛航器研制，足以看出在未來海洋戰(zhàn)爭(zhēng)中無人潛航器將發(fā)揮重要的作用，研究無人潛航器的軍事應(yīng)用有著重要的意義[6?8]。

1" 無人潛航器在水下作戰(zhàn)的應(yīng)用

1.1" 無人潛航器在水下偵察搜索中的應(yīng)用

隨著傳感器技術(shù)、能源技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人潛航器探測(cè)能力更強(qiáng)、續(xù)航距離更遠(yuǎn)、自主化程度更高，能夠在水下作戰(zhàn)中發(fā)揮更大的作用。因無人潛航器自身特有的體積小、靈活性高、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，無人潛航器能夠完成水下的偵察與搜索任務(wù)，可以對(duì)重要的海域或者重要的海上運(yùn)輸線完成搜索和偵察，也可組成無人潛航器集群對(duì)重要海域的海洋水文環(huán)境資料進(jìn)行搜集，并完成搜索數(shù)據(jù)的回傳，以便戰(zhàn)時(shí)能夠提前掌握海域環(huán)境[9]。

無人潛航器還能夠?qū)χ匾繕?biāo)進(jìn)行持續(xù)的跟蹤和監(jiān)視，減少有人裝備的使用，保障人員的安全。通過使用無人潛航器進(jìn)行搜索偵察和監(jiān)視，減少有人裝備的使用，既可以保障有人裝備的安全，還能夠通過大規(guī)模的無人潛航器使用，擴(kuò)大搜索范圍，提高對(duì)海洋環(huán)境的探測(cè)和情報(bào)信息的獲取。

1.2" 無人潛航器在反水雷戰(zhàn)中的應(yīng)用

水雷在水下作戰(zhàn)中能夠以較低的成本完成對(duì)敵方特定海域的封鎖或?qū)撤椒怄i在特定海域之外，因此，水雷也以低耗費(fèi)的方式完成了反介入/區(qū)域拒止的目的，美國(guó)在越南戰(zhàn)爭(zhēng)和海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中都把水雷應(yīng)用到了戰(zhàn)爭(zhēng)中并發(fā)揮了重要作用[10]。

在未來水下戰(zhàn)場(chǎng)中，水雷也將會(huì)繼續(xù)在戰(zhàn)場(chǎng)中發(fā)揮作用，如何快速高效地進(jìn)行反水雷戰(zhàn)也成為水下戰(zhàn)場(chǎng)中研究的重要問題。

通過傳統(tǒng)的水面艦船或潛艇反水雷不光成本較高而且還可能會(huì)造成人員傷亡，在環(huán)境復(fù)雜的海域也不利于水面艦船或潛艇的機(jī)動(dòng)。因此，使用水面艦船或潛艇進(jìn)行反水雷戰(zhàn)作戰(zhàn)效能不高。

無人潛航器技術(shù)發(fā)展迅速，具有更強(qiáng)的探測(cè)能力、續(xù)航能力以及自主控制能力，非常適用于水下反水雷戰(zhàn)中。通過無人潛航器機(jī)動(dòng)靈活、體積小的特點(diǎn)，能夠完成在復(fù)雜海域的搜索，也利于無人潛航器隱蔽，還能夠減少人員的傷亡。目前國(guó)外已經(jīng)研制出了自主式的掃水雷無人潛航器，例如：美國(guó)通用動(dòng)力先進(jìn)信息系統(tǒng)公司研制的“刀魚”航行器、瑞典SAAB公司研制的AUV62?MR型無人自主潛航器等，這些無人潛航器都是通過自身攜帶的聲吶系統(tǒng)完成水雷的搜索[11]。

1.3" 無人潛航器在水下誘騙中的應(yīng)用

大型的無人潛航器已經(jīng)具有長(zhǎng)續(xù)航和攜帶更多載荷的特點(diǎn)，能夠比較靈活的在水下進(jìn)行機(jī)動(dòng)。因此，無人潛航器可以模擬潛艇的聲紋信息，在水下實(shí)行誘騙，模擬我方潛艇的機(jī)動(dòng)，用于誘騙敵反潛兵力。無人潛航器也可協(xié)同組成集群進(jìn)行大規(guī)模迷惑敵方反潛兵力，掩護(hù)我方潛艇突破搜索，保障我方潛艇的安全。在水下作戰(zhàn)中，也可通過無人潛航器誘騙和干擾敵方來襲魚雷，提高我方潛艇的安全能力。

目前俄羅斯紅寶石設(shè)計(jì)局研制的“替身”超大型無人潛航器能夠逼真地模擬潛艇的機(jī)動(dòng)，用于誘騙敵方反潛兵力搜索[12]。

2" 潛艇控制無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素方法

無人潛航器軍事領(lǐng)域的應(yīng)用包括偵察與搜索、反水雷戰(zhàn)、水下誘騙戰(zhàn)等，這些軍事應(yīng)用基本是運(yùn)用自主的方式，通過母艦搭載自主進(jìn)入任務(wù)海域或者在港口直接布設(shè)自主進(jìn)入任務(wù)海域。本文提出一種新的無人潛航器軍事運(yùn)用，通過潛艇有線導(dǎo)引的方式控制無人潛航器，將無人潛航器探測(cè)到的目標(biāo)信息實(shí)時(shí)通過導(dǎo)線傳輸?shù)侥竿斫馑隳繕?biāo)運(yùn)動(dòng)要素。

潛艇進(jìn)行攻擊目標(biāo)的準(zhǔn)確性取決于對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素例如目標(biāo)航行、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離解算的準(zhǔn)確性。因此，潛艇通過傳感器探測(cè)目標(biāo)信息，然后進(jìn)行處理，根據(jù)探測(cè)的信息解算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素。探測(cè)到的信息準(zhǔn)確性決定了潛艇是否能夠準(zhǔn)確地攻擊目標(biāo)，因此目標(biāo)要素的解算也更離不開傳感器探測(cè)的目標(biāo)信息的準(zhǔn)確度。

在海洋中不同深度或海域的鹽度、溫度等環(huán)境信息都不同，影響聲音在水下的傳播，影響潛艇聲吶對(duì)目標(biāo)噪聲的探測(cè)，也會(huì)影響潛艇聲吶對(duì)目標(biāo)噪聲的探測(cè)距離。潛艇最大的特點(diǎn)是隱蔽性，因此潛艇通過被動(dòng)聲吶探測(cè)目標(biāo)的方式能夠減少潛艇暴露的風(fēng)險(xiǎn)。被動(dòng)聲吶對(duì)目標(biāo)特征探測(cè)技術(shù)非常重要，影響對(duì)水面和水下目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性[13]。

2.1" 無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素圖解法

有些文獻(xiàn)指出兩方位兩要素解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素以及三方位一速度解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的計(jì)算模型。通過以上解算方法解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，除了必須的目標(biāo)方位外還需要另外的其他要素。

在水下復(fù)雜的水文環(huán)境下，目標(biāo)方位信息能夠通過傳感器探測(cè)到，目標(biāo)要素的其他信息不易被探測(cè)或需要較長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)才能獲取，因此本文提出使用兩個(gè)無人潛航器只需要探測(cè)目標(biāo)方位來解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的方法，減少對(duì)目標(biāo)要素解算時(shí)對(duì)目標(biāo)信息探測(cè)的要素類型。

本文提出使用線導(dǎo)的方法來控制無人潛航器。潛艇與無人潛航器通過導(dǎo)線相連，能夠做到實(shí)時(shí)通信。無人潛航器探測(cè)目標(biāo)信息后實(shí)時(shí)傳輸?shù)綕撏в糜谀繕?biāo)要素的解算。無人潛航器參與目標(biāo)要素解算的示意圖如圖1所示，將無人潛航器布置在潛艇前方，潛艇通過導(dǎo)線控制無人潛航器。

無人潛航器前置不僅可以增加潛艇的探測(cè)距離，而且利用無人潛航器體積小、靈活性高、噪音小等特點(diǎn)也更有利于潛艇隱蔽。兩個(gè)無人潛航器搜索到目標(biāo)后，只通過方位信息來求解目標(biāo)的要素。

兩個(gè)無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的原理是，通過搜索到目標(biāo)的方位信息[B]后，兩個(gè)無人潛航器的目標(biāo)方位線交叉，兩條目標(biāo)方位線的交叉點(diǎn)就是目標(biāo)的位置點(diǎn)。

通過無人潛航器的導(dǎo)航信息和本艇的導(dǎo)航信息可以計(jì)算出本艇與無人潛航器之間的距離[Dw]，根據(jù)兩個(gè)無人潛航器的目標(biāo)方位線得知目標(biāo)的位置點(diǎn)，也就能夠獲取到無人潛航器的敵舷角[Qm]。通過三角函數(shù)就可以得出目標(biāo)與本艇的距離：

[Dm=DwsinQm] （1）

雙目標(biāo)位置線幾何原理如圖2所示，[W1]和[W2]分別代表兩個(gè)無人潛航器，[W]為本艇位置點(diǎn)，在本艇和無人潛航器保持不機(jī)動(dòng)的情況下，第一次測(cè)得的目標(biāo)位置點(diǎn)[M1]，間隔時(shí)間[t]后再次測(cè)得目標(biāo)位置點(diǎn)[M2]，將兩個(gè)目標(biāo)位置點(diǎn)連線就可以得到目標(biāo)航向[Cm]，兩個(gè)位置點(diǎn)[M1]和[M2]之間的距離為[DM1M2]，再除以時(shí)間[t]，就可以得到目標(biāo)速度[Vm]。

2.2" 無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素計(jì)算方法

在通過圖解法分析兩個(gè)無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的方法后，再通過計(jì)算法進(jìn)行分析，通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方式分析解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的原理。計(jì)算方法的原理是經(jīng)過兩次測(cè)量目標(biāo)后，通過計(jì)算的方式獲取目標(biāo)的航速及距離。

如圖2所示，本艇與無人潛航器的導(dǎo)航信息是已知的，則本艇與無人潛航器的距離[DWW1]、[DWW2]及無人潛航器之間的距離[DW1W2]已知。

通過無人潛航器測(cè)得目標(biāo)[M1]的方位，方位用[BW1M1]、[BW2M1]表示，經(jīng)過時(shí)間間隔[t]后，目標(biāo)移動(dòng)到[M2]點(diǎn)，無人潛航器測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)[M2]的方位用[BW1M2]、[BW2M2]表示。在[△M1W1W2]中，已知兩個(gè)無人潛航器距離[DW1W2]，通過無人潛航器[W1]與目標(biāo)點(diǎn)[M1]的方位[BW1M1]和無人潛航器[W1]與[W2]的方位[BW1W2]，得出[∠M1W1W2]的角度。

同樣，通過無人潛航器[W2]與目標(biāo)點(diǎn)[M1]的方位[BW2M1]和無人潛航器[W1]與[W2]的方位[BW1W2]，得出[∠M1W2W1]的角度。通過正弦定理可以得出[M1]與目標(biāo)[W1]點(diǎn)的距離[DM1W1]。

[DM1W1=DW1W2sinBW2M1-BW2W1sin180°-BW1W2-BW1M1-BW2M1-BW2W1] （2）

通過確定兩個(gè)目標(biāo)位置點(diǎn)，就能確定目標(biāo)的航向[Cm]。在[△M1M2W1]中，已知[DM1W1]、[W1]測(cè)量目標(biāo)位置點(diǎn)[M1]和[M2]的方位、目標(biāo)航向[Cm]，通過正弦定理可以得到間隔時(shí)間[t]，目標(biāo)位置點(diǎn)[M1]和[M2]的距離[DM1M2]。

[DM1M2=sinBW1M2-BW1M1DW1M1sinBW1M2-BM1M2] （3）

根據(jù)求得距離[DM1M2]，通過時(shí)間間隔[t]，就能得到目標(biāo)的速度[Vm]。

[Vm=DM1M2t] （4）

3" 結(jié)" 語

無人潛航器具有體積小、靈活性高、噪音小等特點(diǎn)，并隨著人工智能和能源技術(shù)的發(fā)展，增加了更強(qiáng)的自主性和更長(zhǎng)的續(xù)航力，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于民事領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，自主式完成水下偵察與探測(cè)、反水雷戰(zhàn)、水下誘騙戰(zhàn)等。

本文提出通過潛艇線導(dǎo)方式控制無人潛航器，采用兩個(gè)無人潛航器探測(cè)目標(biāo)，相比采用兩方位兩要素和三方位一速度法，只需要探測(cè)目標(biāo)方位信息來解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，降低了目標(biāo)其他要素的探測(cè)難度。采用該方式不僅可以增加潛艇的前置探測(cè)距離，更有利于本艇的隱蔽。通過使用圖解法和計(jì)算法分別對(duì)兩個(gè)無人潛航器對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算原理進(jìn)行分析，并給出圖解法的步驟和計(jì)算法的數(shù)學(xué)模型，增加了水下無人潛航器作戰(zhàn)應(yīng)用方式，這對(duì)水下無人潛航器應(yīng)用具有一定的參考意義。

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A method of calculating target motion elements by unmanned underwater vehicle

ZHANG Yan， ZHU Weiliang， CHENG Fei

（PLA Navy Submarine Academy， Qingdao 266199， China）

Abstract： With the development of computer technology， artificial intelligence （AI） and energy technology， unmanned underwater vehicle （UUV） is also used in the field of military. On the basis of the analysis of the application of UUV in underwater reconnaissance and search， anti?mine warfare and underwater decoy warfare， a method of calculating the moving elements of a target by wire?guided dual UUV is put forward， and the solving principle is analyzed by graphic method and calculation method. In the proposed method， it is only required to detect the bearing information of the target， which reduces the difficulties due to detecting other elements of the target. It not only increases the detection distance of the submarine， but also benefits its stealth. Therefore， this method has a certain reference value for the application of UUV.

Keywords： UUV; target motion element; wire?guided; bearing; calculation; graphic method

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.031

引用格式：張嚴(yán)，朱偉良，程菲.無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的一種方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：173?176.

收稿日期：2023?12?12"""""""""" 修回日期：2024?01?05

張" 嚴(yán)，等：無人潛航器解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的一種方法

作者簡(jiǎn)介：張" 嚴(yán)（1991—），男，碩士，助教，主要從事潛艇裝備教學(xué)與研究。

朱偉良（1970—），男，碩士，副教授，主要從事潛艇裝備教學(xué)與研究。

程" 菲（1992—），男，碩士，助教，主要從事潛艇裝備教學(xué)與研究。