本技術(shù)的實(shí)施例涉及運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量，特別涉及一種基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、高速uuv(unmanned?underwater?vehicle，無人水下航行器)的研制過程中，為了準(zhǔn)確評(píng)估其導(dǎo)引系統(tǒng)、彈道控制能力和命中性能，在靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)確給出它與靶船的交會(huì)態(tài)勢(shì)是非常重要的手段之一。目前的試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)高速uuv的定位主要通過水聲手段實(shí)現(xiàn)的，比如超短基線測(cè)量系統(tǒng)、短基線測(cè)量系統(tǒng)和長基線測(cè)量系統(tǒng)等。這些測(cè)量系統(tǒng)通過在靶船上安裝聲學(xué)換能器基陣(短基線測(cè)量系統(tǒng))或在海底布設(shè)水聲換能器陣來接收安裝在高速uuv上3d段信標(biāo)信號(hào)或高速uuv輻射噪聲來實(shí)現(xiàn)確定高速uuv相對(duì)于靶船的位置。

2、基于水聲手段的定位系統(tǒng)在高速uuv到達(dá)靶船附近時(shí)，由于聲場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、以及需要在uuv上加裝3d段等因素，會(huì)給實(shí)際使用帶來一些不便?？紤]到高速uuv通常在其尾部安裝有電磁發(fā)射天線，電磁發(fā)射天線會(huì)不斷發(fā)射一定頻率的交變電磁信號(hào)，這種信號(hào)有較好的區(qū)域性。因此有研究團(tuán)隊(duì)提出了在靶船上按照一定形狀布放一組磁傳感器陣列來接收高速uuv的電磁發(fā)射天線發(fā)射的電磁信號(hào)，通過多通道數(shù)采對(duì)磁傳感器陣列進(jìn)行同步采樣。將電磁發(fā)射天線假設(shè)為磁偶極子源，傳感器接收到交變電磁信號(hào)的幅度與該傳感器與電磁發(fā)射天線之間的相對(duì)位置，按照磁偶極子傳播模型形成方程，所有傳感器接收到的信號(hào)可組成一組方程組，通過優(yōu)化迭代算法求解關(guān)于交變輻射源(電磁發(fā)射天線)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速uuv的航跡測(cè)量。有研究團(tuán)隊(duì)提出了等間隔布放傳感器可采用信號(hào)幅度比進(jìn)行高速uuv電磁航跡的快速測(cè)量，但該方法對(duì)陣列布放要求高，且在低信噪比下的精度不高。

3、除此之外，還有基于信號(hào)的幅度和相位的定位方法，原理是接收高速uuv電磁引信和輻射出的信號(hào)，提取出其幅度和相位信息，然后通過優(yōu)化的方法測(cè)量計(jì)算出其位置。但是這種方法需要獲得信號(hào)的相位信息，準(zhǔn)確獲得信號(hào)的相位信息難度較大，且由于優(yōu)化算法需要多次的迭代，采集信號(hào)并提取數(shù)據(jù)后需要大量的運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算能力的要求較高，并且難以保證實(shí)時(shí)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)的實(shí)施例提出了一種基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法，通過提取高速uuv的電磁發(fā)射天線輻射的信號(hào)的幅度和時(shí)延信息，與傳感器陣列的位置信息相結(jié)合，計(jì)算得到高速uuv位置的定位點(diǎn)，通過多個(gè)定位點(diǎn)擬合出高速uuv的航跡，有效提升了高速uuv航跡測(cè)量的精度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的實(shí)施例提供了一種基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法，適用于磁傳感器陣列，磁傳感器陣列由n+2對(duì)磁傳感器組成，n+2對(duì)磁傳感器平行分布地安裝在靶船兩側(cè)，奇數(shù)列傳感器布置在靶船左側(cè)，偶數(shù)列傳感器布置在靶船右側(cè)，n為大于0的整數(shù)，該方法包括以下步驟：將磁傳感器陣列中的n+2對(duì)磁傳感器劃分為n+1個(gè)檢測(cè)單元；其中，每個(gè)檢測(cè)單元均由相鄰的兩對(duì)磁傳感器組成，相鄰的兩個(gè)檢測(cè)單元共用一對(duì)磁傳感器；遍歷各檢測(cè)單元，獲取當(dāng)前檢測(cè)單元的各磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值，以及采集到信號(hào)幅度的最大值的時(shí)刻，基于各時(shí)刻，確定高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的穿過角度；其中，設(shè)靶船的船頭方向?yàn)閥軸正方向，穿過角度即高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的方向與y軸正方向的夾角；選定磁場(chǎng)信號(hào)信噪比最大的檢測(cè)單元作為基準(zhǔn)檢測(cè)單元，并選定基準(zhǔn)檢測(cè)單元中編號(hào)最小且為奇數(shù)的磁傳感器作為基準(zhǔn)磁傳感器，利用基準(zhǔn)檢測(cè)單元的穿過角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程；求解距離估計(jì)方程，得到基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv的航跡的水平距離，確定基準(zhǔn)檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)，再基于各檢測(cè)單元的穿過角度和基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，確定各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)；對(duì)各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)進(jìn)行軌跡擬合，得到高速uuv的航跡。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的實(shí)施例還提供了一種基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：磁傳感器陣列、采集模塊、劃分模塊、定位模塊和擬合模塊，定位模塊包括穿過角度計(jì)算單元、距離估計(jì)方程建立單元和定位點(diǎn)確定單元；磁傳感器陣列，由n+2對(duì)磁傳感器組成，n+2對(duì)磁傳感器平行分布地安裝在靶船兩側(cè)，奇數(shù)列傳感器布置在靶船左側(cè)，偶數(shù)列傳感器布置在靶船右側(cè)，n為大于0的整數(shù)，每一個(gè)磁傳感器均用于感應(yīng)待測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)；采集模塊，用于從磁傳感器陣列處獲取各磁傳感器采集的磁場(chǎng)信號(hào)；劃分模塊，用于將磁傳感器陣列中的n+2對(duì)磁傳感器劃分為n+1個(gè)檢測(cè)單元，其中，每個(gè)檢測(cè)單元均由相鄰的兩對(duì)磁傳感器組成，相鄰的兩個(gè)檢測(cè)單元共用一對(duì)磁傳感器；穿過角度計(jì)算單元，用于遍歷各檢測(cè)單元，獲取當(dāng)前檢測(cè)單元的各磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值，以及采集到信號(hào)幅度的最大值的時(shí)刻，基于各時(shí)刻，確定高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的穿過角度，其中，設(shè)靶船的船頭方向?yàn)閥軸正方向，穿過角度即高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的方向與y軸正方向的夾角；方程建立單元，用于選定磁場(chǎng)信號(hào)信噪比最大的檢測(cè)單元作為基準(zhǔn)檢測(cè)單元，并選定基準(zhǔn)檢測(cè)單元中編號(hào)最小且為奇數(shù)的磁傳感器作為基準(zhǔn)磁傳感器，利用基準(zhǔn)檢測(cè)單元的穿過角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程，求解距離估計(jì)方程，得到基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv的航跡的水平距離；定位點(diǎn)確定單元，用于確定基準(zhǔn)檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)，再基于各檢測(cè)單元的穿過角度和基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，確定各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)；擬合模塊，用于對(duì)各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)進(jìn)行軌跡擬合，得到高速uuv的航跡。

4、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的實(shí)施例還提供了一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)處理器；以及，與所述至少一個(gè)處理器通信連接的存儲(chǔ)器；其中，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有可被所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行的指令，所述指令被所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行，以使所述至少一個(gè)處理器能夠執(zhí)行上述所述的基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法。

5、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的實(shí)施例還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)上述所述的基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法。

6、本技術(shù)的實(shí)施例提出的基于信號(hào)幅度和時(shí)間差的高速uuv電磁航跡快速測(cè)量方法，將磁傳感器陣列劃分若干個(gè)個(gè)檢測(cè)單元，由各檢測(cè)單元對(duì)高速uuv進(jìn)行定位，無需復(fù)雜的優(yōu)化算法，只需提取檢測(cè)單元的各磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值，以及采集到信號(hào)幅度的最大值的時(shí)刻，再與各磁傳感器的位置信息相結(jié)合，通過簡單的運(yùn)算就可以確定高速uuv穿過檢測(cè)單元時(shí)的穿過角度，進(jìn)而基于磁偶極子(高速uuv)在z軸方向的磁場(chǎng)分量和距離近似可以看做三次方反比關(guān)系這一思想，建立距離估計(jì)方程，對(duì)距離估計(jì)方程進(jìn)行求解，即可確定基準(zhǔn)磁傳感器所在的基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv的航跡的水平距離，配合穿過角度進(jìn)行計(jì)算后，即可得到各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)，最后對(duì)各檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)進(jìn)行軌跡擬合，就能得到高速uuv的航跡，有效提升了高速uuv航跡測(cè)量的精度，降低了高速uuv航跡測(cè)量的成本和復(fù)雜度，具有良好的普遍適用性和泛化能力。

7、可選地，所述基于各時(shí)刻，確定高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的穿過角度，通過以下公式實(shí)現(xiàn)：

8、

9、其中，設(shè)當(dāng)前檢測(cè)單元為第k個(gè)檢測(cè)單元，k為大于0且小于n+2的整數(shù)，r為同一列上相鄰的兩個(gè)磁傳感器之間的距離，l為當(dāng)前檢測(cè)單元中相對(duì)的磁傳感器之間的距離，t1、t2、t3、t4分別為當(dāng)前檢測(cè)單元的四個(gè)磁傳感器各自采集到信號(hào)幅度的最大值的時(shí)刻，v為高速uuv的速度，αk為高速uuv穿過當(dāng)前檢測(cè)單元時(shí)的穿過角度，若計(jì)算出的αk為正值，則高速uuv的移動(dòng)方向?yàn)閺钠鏀?shù)列磁傳感器靠近偶數(shù)列磁傳感器，若計(jì)算出的αk為負(fù)值，則高速uuv的移動(dòng)方向?yàn)閺呐紨?shù)列磁傳感器靠近奇數(shù)列磁傳感器。

10、可選地，在所述選定磁場(chǎng)信號(hào)信噪比最大的檢測(cè)單元作為基準(zhǔn)檢測(cè)單元，并選定基準(zhǔn)檢測(cè)單元中編號(hào)最小且為奇數(shù)的磁傳感器作為基準(zhǔn)磁傳感器之前，所述方法還包括：依次判斷當(dāng)前檢測(cè)單元的各磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值，是否大于當(dāng)前檢測(cè)單元的各磁傳感器各自對(duì)應(yīng)的判決門限值；其中，對(duì)于一對(duì)磁傳感器而言，第一個(gè)磁傳感器的判決門限值為當(dāng)高速uuv位于第二個(gè)磁傳感器在uuv所處深度平面上的投影所在位置時(shí)，第一個(gè)磁傳感器采集到的信號(hào)幅度，第二個(gè)磁傳感器的判決門限值為當(dāng)高速uuv位于第一個(gè)磁傳感器在uuv所處深度平面上的投影所在位置時(shí)，第二個(gè)磁傳感器采集到的信號(hào)幅度；若當(dāng)前檢測(cè)單元的各磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值均大于各自對(duì)應(yīng)的判決門限值，則確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元的內(nèi)部穿過；若當(dāng)前檢測(cè)單元的每一對(duì)磁傳感器中，均至少有一個(gè)磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值不大于對(duì)應(yīng)的判決門限值，則確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元的外部穿過；若當(dāng)前檢測(cè)單元的兩對(duì)磁傳感器中，峰值時(shí)間較晚的一對(duì)磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值均大于各自對(duì)應(yīng)的判決門限值，峰值時(shí)間較早的一對(duì)磁傳感器中至少有一個(gè)磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值不大于對(duì)應(yīng)的判決門限值，則確定高速uuv從磁傳感器陣列外部穿入當(dāng)前檢測(cè)單元；若當(dāng)前檢測(cè)單元的兩對(duì)磁傳感器中，峰值時(shí)間較早的一對(duì)磁傳感器各自采集到的信號(hào)幅度的最大值均大于各自對(duì)應(yīng)的判決門限值，峰值時(shí)間較晚的一對(duì)磁傳感器中至少有一個(gè)磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值不大于對(duì)應(yīng)的判決門限值，則確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元穿出磁傳感器陣列。對(duì)于高速uuv的不同的穿過情況，其建立距離估計(jì)方程時(shí)有所不同，因此預(yù)先判斷高速uuv是以何種形式穿過檢測(cè)單元的，可以提升距離估計(jì)方程建立的速度和準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提升高速uuv航跡測(cè)量的精度。

11、可選地，若確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元的內(nèi)部穿過，則利用uuv穿過基準(zhǔn)檢測(cè)單元的角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程，表示為：

12、

13、

14、其中，h1、h2、h3依次為基準(zhǔn)磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相對(duì)的磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相鄰的磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值，h為高速uuv的所處深度，d1為基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離在平行于一對(duì)傳感器連接線方向上的投影。

15、可選地，若確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元的外部穿過，則利用uuv穿過基準(zhǔn)檢測(cè)單元的角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程，表示為：

16、

17、其中，h1、h2、h3依次為基準(zhǔn)磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相對(duì)的磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相鄰的磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值，h為高速uuv的所處深度，d1為基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離在平行于一對(duì)傳感器連接線方向上的投影。

18、可選地，若確定高速uuv從磁傳感器陣列外部穿入當(dāng)前檢測(cè)單元，則利用uuv穿過基準(zhǔn)檢測(cè)單元的角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程，表示為：

19、

20、其中，h1、h2、h3依次為基準(zhǔn)磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相對(duì)的磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相鄰的磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值，h為高速uuv的所處深度，d1為基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離在平行于一對(duì)傳感器連接線方向上的投影。

21、可選地，若確定高速uuv從當(dāng)前檢測(cè)單元穿出磁傳感器陣列，則利用uuv穿過基準(zhǔn)檢測(cè)單元的角度、基準(zhǔn)檢測(cè)單元中的各磁傳感器的信號(hào)幅度的最大值、磁傳感器之間的距離和未知的基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離，建立距離估計(jì)方程，表示為：

22、

23、其中，h1、h2、h3依次為基準(zhǔn)磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相對(duì)的磁傳感器、基準(zhǔn)磁傳感器相鄰的磁傳感器采集到的信號(hào)幅度的最大值，h為高速uuv的所處深度，d1為基準(zhǔn)磁傳感器到高速uuv航跡的水平距離在平行于一對(duì)傳感器連接線方向上的投影。