水声被动交叉定位算法应用研究＊

夏忠婷 张振华 王益乐

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210000）

水声被动交叉定位算法应用研究＊

夏忠婷 张振华 王益乐

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210000）

文章通过双基阵被动测距的方位交叉定位法，自动计算水声源前端测得所有方位目标的交叉点，并对交叉点进行历史点管理。通过交叉点形成的轨迹的连续性和平滑性判定产生交叉点的原始方位目标是否是同一个目标。在多站多基阵的环境下，验证了该算法的有效性和可行性，该方法可以成为纯方位目标同一性认定的有效手段。最后，对交叉定位法在实际工程应用中遇到的问题进行了总结，并指出了不足之处，以待后期进一步完善。

双基阵被动测距；方位交叉定位法；交叉点；同一性认定

Class NumberTB566

1 引言

现代战争中总是希望探测设备能尽可能多地探测敌方的信息，而不暴露自己的位置信息。一个水下航行的潜艇，为保证自身的隐蔽性，一般情况下不用主动声呐，只在对敌舰实施鱼雷攻击前才短时间使用，长时间处于工作状态下的声呐是被动声呐。然而一般被动声呐并不具备测距功能，因而利用被动声呐进行测距一直是水声工作者十分关心的课题；20世纪70年代国外才开始研制被动测距声呐并装备潜艇。我国20世纪80年代也自行研制成功并已开始装备部队。这种声呐可测定有源目标方位外，还可测定其距离，从而为潜艇的隐蔽活动创造了有利条件。可以认为被动测距声呐的出现是水声技术的一大突破，它是在水声信号处理技术基础上才得以实现的。反过来为了实现被动声呐的精确测距，又对信号处理提出了一系列新的要求，从而又推动了水声信号处理技术的发展［1］。

被动测距是声纳系统的一项主要功能，单个基阵被动测距方法主要有三类弯曲的被动测距方法：1）三子阵定位法和聚焦波束形成方法；2）基于海洋波导声传播模型的被动测距方法，最典型的是匹配场算法；3）目标运动分析方法。单基阵被动测距往往对阵元位置测量精度、水文参数、平台机动等有特定要求，提高单基阵被动测距的精度和宽容性仍是需要努力解决的技术难题，当声纳系统中配有多个间距达数百米以上的声基阵时，则可融合声基阵独立测得的目标方位信息实现被动测距。其中，方位交叉定位基于各基阵独立测得的方位信息、基阵间距，通过三角函数关系式计算目标距离。和其它方法相比，方位交叉定位对信号形式、信号相关性、海洋水文参数等无特别要求，宽容性好［2～4］。

本文对双基阵被动测距进行实验研究。考虑到工程应用的复杂性采用了方位交叉定位法，通过判断交叉定位点的连续性的平滑程度判定两个方位目标是否是同一个目标，通过实际的工程应用进一步验证了该算法的有效性和可行性。

2 算法描述

2.1 双节点基阵被动测距基本原理

图1 双基阵被动测距原理

双基阵被动测距原理如图双基阵被动测距原理如图1所示。设1＃声基阵、2＃声基阵中心距为L，和阵中心连线的夹角分别为β、γ。设噪声源S离声基阵距离满足单条基阵的远场条件，则对于单基阵声波前可近似为平面波，可利用平面波束形成估计目标方位。设两条声基阵测得的噪声源S方位（相对于基阵阵首）分别为θ1、θ2，则利用三角函数关系式，可以解算声源S离两条声基阵的距离［5～10］。

式中

双基阵被动测距方法对声源位置有一定限制。当声源S和基阵距离远大于L时，α1＋α2趋向于π，式（1）、式（2）分母趋向于0，微小的测向误差将引起很大的测距误差；当α1＋α2＝π／2，式（1）、式（2）分母趋向于1，侧向误差的影响最小。

2.2 工程应用算法

如图2所示，在多站多基阵的环境下，水声站探测的水声目标的方位角，对水声目标做同一性认定时，两个方位目标的交汇点极有可能是同一个水声目标，本文通过对多个水声站多个基阵探测的所有方位目标的交叉点进行自动计算，计算探测的方位目标的所有可能交叉点，并保存一定数量的交叉点的历史点，根据历史点的平滑程度判断两个方位目标点是否是同一个目标点，同时，根据交叉点的历史数据可以粗略计算交叉点的速度，通过速度和历史点的连续程度进一步判断两个方位目标是否是同一个目标，下面具体介绍一下该算法过程。

图2 多基阵多基站场景

第一步：判断两个目标是否属于同一个基阵，同一个基阵发现的目标则不做交叉；

第二步：计算两基阵之间的距离以及与正北方向的夹角；

第三步：用计算的两基阵之间的距离作一个基本预判，对无法形成有效交叉区域的基阵进行过滤。本文预判的规则是L＞Amax＋Bmax，式中L为两基阵之间的距离，Amax为探测目标1所在基阵的最大探测范围，Bmax为探测目标2所在基阵的最大探测范围；

第四步：利用经度值确定基站B和基站C的相对位置，确定基准位置，B／C基站靠近西边的为基准位置；

第五步：修正因双基站与正北方向方位差产生的模型坐标系方位差，即做一个坐标变换；

第六步：利用双基阵各自目标方位，过滤一些不能产生交叉点的情况；比如图1中的0≤α1＜90，α1≤α2＜270；

第七步：根据式（1）～式（3）计算交叉点S与基阵B、C之间的距离d1、d2，比较d1、d2与基阵最大探测范围，若超出基阵最大探测范围则剔除该交叉点；

第八步：已知两基阵的经纬度，利用第七步求得的交叉点与基阵距离、方位计算出两方位目标交叉点的经纬度；

第九步：对计算出的交叉点进行历史点的记录，根据两交叉点的距离和时间差估算出交叉点的速度。

3 工程应用结果

在实际的工程环境下，将2.2节中的算法应用到实际的工程设计中，如图3所示，本工程包含A、B、C三个水声站，A站包含两个基阵，B站包含四个基阵，C站包含八个基阵，各基站基阵的中心经纬度已知，态势图上包含水声目标、融合目标、雷情目标各类目标的集合，通过对海图区域进行局部框选，过滤其他类型目标，单独对水声目标进行分析和判定，得到图4水声方位目标区域图。

图3 各类目标态势图

图4 水声方位目标区域图

如图5～图7所示，在多站多基阵的情况下，对水声源前端测得方位目标进行同一性认定时，通过对所有方位目标自行交叉点的自动计算，在显示界面上显示所有可能的交叉点的航迹图，如果交叉点的航迹图连续、平缓且速度平缓一致，则值班员标志重点目标（对交叉点的两个方位目标进行延长），显示两个来源目标的属性，人工对比两个方位目标的属性，如果两个方位目标的属性极为相似，则对水声源前端发出同一性人性请求，判定这两个方位目标是否是同一个目标，通过工程实践表明，此算法能够有效的辅助无源方位目标的同一性判定。

图5 不同基站在交叉区域内的交叉点图

图6 不同基站在交叉区域外的交叉点图

图7 同一基站不同基阵交叉点图

4 结语

本文结合被动测距交叉定位算法，给出了在多站多基阵的环境下，水声站前端探测的只有方位的目标，在一定的准则下，自动计算出所有可能的交叉点，通过交叉点的连续性和平滑度判断两个原始方位目标是否是同一个目标，实际的工程应用表明，该方法能很好地判定同一性。

同时，也总结了几点有待改进及不足之处：

1）在远场平面波假设条件下利用各子阵测目标方位角，亦即要求子阵的尺寸小于d1、d2，此外L应比较大，否则α、β的差别太小，误差加大。

2）利用最新交叉点减去次最新交叉点结算交叉点的速度，随机较大误差，只能作为参考。

［1］田坦，刘国枝，孙大军.声呐技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000，3：138－139.

［2］刘流，孟彧仟，张自丽，等.双基阵节点被动测距方法实验研究［J］.舰船电子工程，2015，4（42）：63－64.

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［4］宋新见，惠俊英，殷冬梅，等.水下噪声目标被动测距技术研究［J］.应用声学，2005，24（3）：133－139.

［5］时洁，杨德森，刘伯胜，等.基于MVDR聚焦波束形成的辐射噪声源近场定位方法［J］.大连海事大学学报，2008，34（3）：55－58.

［6］周伟，门丽杰，梅继丹.浅海三元阵近程被动定位实验研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2009，5（30）：547－551.

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［8］张小凤，赵俊渭，王荣庆，等.双基地声纳定位精度和算法研究［J］.系统仿真学报，2003，15（10）：1471－1473.

［9］孙勇，赵俊渭，张小凤.双基地声呐定位算法的研究与比较［J］.系统仿真学报，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，工程师，研究方向：水声系统工程与算法研究等。张振华，男，工程师，研究方向：水声系统工程与算法研究等。王益乐，男，助理工程师，研究方向：水声阵列信号处理等。