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均匀双圆环阵虚拟成阵方法研究
任笑莹, 王英民, 张立琛, 王奇, 廉杰
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202206012
摘要:
针对在航空声纳系统有限空间内双圆环阵因孔径受限而导致的目标分辨力和空间分辨率不足的问题, 提出了一种可以实现双圆环阵孔径扩展的虚拟成阵方法。所提方法利用双圆环阵模态域信号模型和双直线阵阵元域信号模型之间的关系, 设计了采样矩阵和相位旋转矩阵, 将均匀双圆环阵转换为均匀双直线阵。考虑了实际双圆环阵中的阵元位置误差、阵元间耦合、观察角度误差等的影响, 利用最小二乘准则提出了一种将实际双圆环阵近似转换为均匀双直线阵的优化模型, 并给出了迭代求解方法。与合成孔径方法相比, 所提方法是对基阵阵列流形进行的一种预处理, 对使用过程中基阵的运动特性没有特殊要求; 与模态域转换方法相比, 所提方法可以体现目标双直线阵的阵元间隔和两线阵间距, 充分利用了双直线阵相对于单直线阵的优势。仿真实验和水池实验的结果表明双圆环阵的孔径得到了扩展, 虚拟阵波束图比双圆环阵波束图的主瓣更窄且旁瓣更低, 有效提高了空间分辨力和目标分辨力。 针对在航空声纳系统有限空间内双圆环阵因孔径受限而导致的目标分辨力和空间分辨率不足的问题, 提出了一种可以实现双圆环阵孔径扩展的虚拟成阵方法。所提方法利用双圆环阵模态域信号模型和双直线阵阵元域信号模型之间的关系, 设计了采样矩阵和相位旋转矩阵, 将均匀双圆环阵转换为均匀双直线阵。考虑了实际双圆环阵中的阵元位置误差、阵元间耦合、观察角度误差等的影响, 利用最小二乘准则提出了一种将实际双圆环阵近似转换为均匀双直线阵的优化模型, 并给出了迭代求解方法。与合成孔径方法相比, 所提方法是对基阵阵列流形进行的一种预处理, 对使用过程中基阵的运动特性没有特殊要求; 与模态域转换方法相比, 所提方法可以体现目标双直线阵的阵元间隔和两线阵间距, 充分利用了双直线阵相对于单直线阵的优势。仿真实验和水池实验的结果表明双圆环阵的孔径得到了扩展, 虚拟阵波束图比双圆环阵波束图的主瓣更窄且旁瓣更低, 有效提高了空间分辨力和目标分辨力。
水下体域网系统架构及关键技术
肖蛰水, 陈发, 方坤升, 王巍, 黄海宁
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.20220014
摘要:
蛙人水下便携式特种装备的持续发展带动了智慧海洋跨介质物联网络的不断进步, 也使得水下体域网建设越来越受到各国的广泛关注。基于此, 文中探讨了水下体域网分层系统架构, 重点分析了水下体域网设计过程中所面临的网络标准化设计、信息稳健传输等热点问题, 给出了解决思路。文中工作可为蛙人水下体域网建设和优化提供参考。 蛙人水下便携式特种装备的持续发展带动了智慧海洋跨介质物联网络的不断进步, 也使得水下体域网建设越来越受到各国的广泛关注。基于此, 文中探讨了水下体域网分层系统架构, 重点分析了水下体域网设计过程中所面临的网络标准化设计、信息稳健传输等热点问题, 给出了解决思路。文中工作可为蛙人水下体域网建设和优化提供参考。
基于财年预算的美国蛙人特战装备发展现状及动向分析
朱兆彤, 陈自立, 赵琪
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.20220051
摘要:
水下特战是海战的重要组成部分, 蛙人水下作战因其隐蔽性好、作战效率高等优势, 成为特种作战任务的重要组成部分和“非对称作战”的重要支撑。作为重要军事强国, 美国在相关领域装备研发已很成熟, 具有很好的借鉴意义。文中基于美国2010~2023财年的国防科研、采购预算报告, 介绍了美海军水下特战领域重点研究项目, 分析了其研究现状、研发重点及改进动向, 梳理出美海军特战装备研发及项目管理特点, 以期为相关蛙人水下装备体系构建和研制提供参考。 水下特战是海战的重要组成部分, 蛙人水下作战因其隐蔽性好、作战效率高等优势, 成为特种作战任务的重要组成部分和“非对称作战”的重要支撑。作为重要军事强国, 美国在相关领域装备研发已很成熟, 具有很好的借鉴意义。文中基于美国2010~2023财年的国防科研、采购预算报告, 介绍了美海军水下特战领域重点研究项目, 分析了其研究现状、研发重点及改进动向, 梳理出美海军特战装备研发及项目管理特点, 以期为相关蛙人水下装备体系构建和研制提供参考。
面向小型水下无人平台的移动水声通信系统
姚俊辉, 赵燕锋, 童峰, 陈东升, 上官明禹
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0029
摘要:
移动水声通信信道具有典型的多径、多普勒双重扩展特征, 严重影响通信性能。特别是用于水下特战等领域的小型水下无人平台装备, 具有航行状态多变、多浅海应用、受限功耗下发射功率低等特点, 导致多普勒变化、多径严重、信噪比低, 对传统移动水声通信方案造成极大挑战。文中提出了一种面向特战领域小型水下无人平台的移动水声通信方案, 该方案通过直接数字频率合成器芯片, 调整系统模拟/数字转换采样率, 从而在硬件上实现实时多普勒补偿; 结合直接扩频序列调制, 提高低信噪比条件下的抗多径性能; 采用双曲调频同步设计保证同步捕获性能。半实物仿真实验结果验证了该系统的有效性。 移动水声通信信道具有典型的多径、多普勒双重扩展特征, 严重影响通信性能。特别是用于水下特战等领域的小型水下无人平台装备, 具有航行状态多变、多浅海应用、受限功耗下发射功率低等特点, 导致多普勒变化、多径严重、信噪比低, 对传统移动水声通信方案造成极大挑战。文中提出了一种面向特战领域小型水下无人平台的移动水声通信方案, 该方案通过直接数字频率合成器芯片, 调整系统模拟/数字转换采样率, 从而在硬件上实现实时多普勒补偿; 结合直接扩频序列调制, 提高低信噪比条件下的抗多径性能; 采用双曲调频同步设计保证同步捕获性能。半实物仿真实验结果验证了该系统的有效性。
基于前视三维声呐的轨条砦识别方法
李宝奇, 任露露, 陈发, 钱斌, 黄海宁
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0016
摘要:
针对轨条砦目标探测和识别困难的问题, 文中利用前视三维成像声呐提高轨条砦目标探测效果, 并设计一种基于单步检测(SSD)的三维点云目标识别方法(PCSSD)。该方法首先对原始波束域数据进行阈值滤波和直通滤波处理; 接着, 对滤波后的三维点云数据进行前向投影, 并得到深度灰度图和深度伪彩图; 而后, 利用SSD目标检测模型对深度伪彩图进行检测识别; 随后, 从深度灰度图检测目标特征中计算目标的深度范围; 最后, 结合二维目标检测结果和深度范围对三维点云中的轨条砦目标进行标注。与此同时, 提出了一个基于多尺度注意力机制的特征提取模块, 并利用该模块设计了改进的目标检测模型SSD-MV3ME。在三维点云轨条砦目标检测数据集GTZ上, SSD-MV3ME在检测时间基本相等的条件下, 检测精度比轻量化目标检测模型SSD-MV3提升1.05%, 模型参数减少2 482 KB。实验结果表明, 基于SSD-MV3ME的PCSSD更适合轨条砦目标识别任务。 针对轨条砦目标探测和识别困难的问题, 文中利用前视三维成像声呐提高轨条砦目标探测效果, 并设计一种基于单步检测(SSD)的三维点云目标识别方法(PCSSD)。该方法首先对原始波束域数据进行阈值滤波和直通滤波处理; 接着, 对滤波后的三维点云数据进行前向投影, 并得到深度灰度图和深度伪彩图; 而后, 利用SSD目标检测模型对深度伪彩图进行检测识别; 随后, 从深度灰度图检测目标特征中计算目标的深度范围; 最后, 结合二维目标检测结果和深度范围对三维点云中的轨条砦目标进行标注。与此同时, 提出了一个基于多尺度注意力机制的特征提取模块, 并利用该模块设计了改进的目标检测模型SSD-MV3ME。在三维点云轨条砦目标检测数据集GTZ上, SSD-MV3ME在检测时间基本相等的条件下, 检测精度比轻量化目标检测模型SSD-MV3提升1.05%, 模型参数减少2 482 KB。实验结果表明, 基于SSD-MV3ME的PCSSD更适合轨条砦目标识别任务。
湿式蛙人输送艇水下风险应急处置刍议
刘文武, 俞旭华, 徐佳骏, 文宇坤, 李慈, 方以群
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0056
摘要:
随着近海作战需求的不断提高, 蛙人运载装备的重要性不断凸显。湿式蛙人输送艇是一种技术较为成熟的、用于多人编队水下作战任务的蛙人运载器。蛙人水下着闭式/半闭式呼吸装置通过湿式蛙人输送艇进行水下投送时, 受到装备和环境的影响, 水下风险显著增加。虽然国外已有对闭式/半闭式呼吸装置水下作业的潜在风险及其处置措施的相关介绍, 但针对湿式蛙人输送艇水下投送过程中的风险及其应急处置鲜有报道。为了更好的了解水下投送过程中不同阶段存在的风险, 及针对相应风险的预防和处置措施, 文中对水下投送时航行阶段和出艇阶段存在的可能风险及其处置进行简要介绍。不仅能为未来水下特种作战蛙人的培训提供指导, 也有助于减少投送风险, 降低事故发生率及其伤残率与死亡率。 随着近海作战需求的不断提高, 蛙人运载装备的重要性不断凸显。湿式蛙人输送艇是一种技术较为成熟的、用于多人编队水下作战任务的蛙人运载器。蛙人水下着闭式/半闭式呼吸装置通过湿式蛙人输送艇进行水下投送时, 受到装备和环境的影响, 水下风险显著增加。虽然国外已有对闭式/半闭式呼吸装置水下作业的潜在风险及其处置措施的相关介绍, 但针对湿式蛙人输送艇水下投送过程中的风险及其应急处置鲜有报道。为了更好的了解水下投送过程中不同阶段存在的风险, 及针对相应风险的预防和处置措施, 文中对水下投送时航行阶段和出艇阶段存在的可能风险及其处置进行简要介绍。不仅能为未来水下特种作战蛙人的培训提供指导, 也有助于减少投送风险, 降低事故发生率及其伤残率与死亡率。
一种水声自适应通信的信噪比估计方法
王巍, 普湛清, 钮彪, 陶磊, 黄海宁
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0017
摘要:
针对链路自适应通信中的信噪比估计问题, 提出了一种适用于跨介质链路自适应通信的信噪比估计方法。利用低导频占用率信道估计算法过程中的重构数据对MMSE信噪比估计算法进行改进, 实现时变信道条件下的信噪比跟踪。仿真结果表明, 所提方法在高信噪比条件下能够获得高准确度的信噪比估计结果, 在低信噪比条件下的信噪比估计结果能够快速下降, 适合链路自适应通信的速率调整策略, 所提方法给出的自适应速率调整策略可以有效降低功耗, 提高通信数据率。 针对链路自适应通信中的信噪比估计问题, 提出了一种适用于跨介质链路自适应通信的信噪比估计方法。利用低导频占用率信道估计算法过程中的重构数据对MMSE信噪比估计算法进行改进, 实现时变信道条件下的信噪比跟踪。仿真结果表明, 所提方法在高信噪比条件下能够获得高准确度的信噪比估计结果, 在低信噪比条件下的信噪比估计结果能够快速下降, 适合链路自适应通信的速率调整策略, 所提方法给出的自适应速率调整策略可以有效降低功耗, 提高通信数据率。
基于四元阵的超短基线便携式定位设备定向算法分析
郭晓明, 田甜
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0006
摘要:
超短基线定位技术作为水下定位主流技术之一, 因其设备尺寸较小, 便于安装的特点, 目前广泛应用于各类舰船定位。针对日益增长的潜水员水下协同作业应用需求, 在传统超短基线定位技术基础上, 设计适用于潜水员水下作业的、基于微型超短基线正四面体接收基阵的水下定位测向技术方案, 针对其测向能力, 特别是多径等复杂水声信道特性、接收基阵不同阵元之间存在的常规手段难以校准的相位差、潜水员水下作业姿态变化不平稳等潜水员水下作业便携应用带来的影响测向精度的因素展开仿真分析。仿真结果表明, 该定位测向技术方案具备实际可行性, 可满足潜水员水下协同作业时获取相互位置信息的应用需求。 超短基线定位技术作为水下定位主流技术之一, 因其设备尺寸较小, 便于安装的特点, 目前广泛应用于各类舰船定位。针对日益增长的潜水员水下协同作业应用需求, 在传统超短基线定位技术基础上, 设计适用于潜水员水下作业的、基于微型超短基线正四面体接收基阵的水下定位测向技术方案, 针对其测向能力, 特别是多径等复杂水声信道特性、接收基阵不同阵元之间存在的常规手段难以校准的相位差、潜水员水下作业姿态变化不平稳等潜水员水下作业便携应用带来的影响测向精度的因素展开仿真分析。仿真结果表明, 该定位测向技术方案具备实际可行性, 可满足潜水员水下协同作业时获取相互位置信息的应用需求。
水下八格空气腔角反射体声散射特性
褚子超, 罗祎, 文无敌
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204012
摘要:
水下角反射器具有较强的回波特性, 可用于标记水下结构、模拟水下假目标等, 针对单格角反射器反射范围具有局限性等不足, 设计了一种新的八格空气腔角反射体。采用有限元-边界元法, 对八格空气腔角反射体和单格空气腔角反射器的声散射特性进行仿真对比, 分析了八格角反射体由于多格带来的影响, 以及改变声源的入射角度、入射波频率和空气腔厚度等因素对八格空气腔角反射体散射声场的影响。结果表明: 八格空气腔角反射体散射范围大、具有更大的散射强度, 有效弥补了单格空气腔角反射器散射强度低、存在反射盲区等问题; 多格之间的相互影响能有效增大散射宽度; 由于结构的振动会形成较大范围的散射声场; 在不同频率条件下改变空气腔的厚度对其目标强度无明显影响。 水下角反射器具有较强的回波特性, 可用于标记水下结构、模拟水下假目标等, 针对单格角反射器反射范围具有局限性等不足, 设计了一种新的八格空气腔角反射体。采用有限元-边界元法, 对八格空气腔角反射体和单格空气腔角反射器的声散射特性进行仿真对比, 分析了八格角反射体由于多格带来的影响, 以及改变声源的入射角度、入射波频率和空气腔厚度等因素对八格空气腔角反射体散射声场的影响。结果表明: 八格空气腔角反射体散射范围大、具有更大的散射强度, 有效弥补了单格空气腔角反射器散射强度低、存在反射盲区等问题; 多格之间的相互影响能有效增大散射宽度; 由于结构的振动会形成较大范围的散射声场; 在不同频率条件下改变空气腔的厚度对其目标强度无明显影响。
水声双程信道建模及自适应采样反演
赵罡, 孙乃葳, 申珅, 杨益新
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0041
摘要:
高置信度水声双程信道仿真建模是水下目标回波仿真研究的基础内容, 对水下作战装备的研发具有重要作用。文中基于经典信道模型通过合理的假设建立了水声双程信道解析模型。在此基础上, 以Bayes-MCMC反演算法为核心, 分析水声双程信道参数反演问题特点, 设计了M-H自适应单维度串行采样算法, 实现了基于回波信号的信道模型参数高效反演。经仿真及实测数据验证, 所设计的自适应采样反演方法其结果具有较好的一致性和收敛性, 在水下作战装备仿真测试方面具有良好的工程应用前景。 高置信度水声双程信道仿真建模是水下目标回波仿真研究的基础内容, 对水下作战装备的研发具有重要作用。文中基于经典信道模型通过合理的假设建立了水声双程信道解析模型。在此基础上, 以Bayes-MCMC反演算法为核心, 分析水声双程信道参数反演问题特点, 设计了M-H自适应单维度串行采样算法, 实现了基于回波信号的信道模型参数高效反演。经仿真及实测数据验证, 所设计的自适应采样反演方法其结果具有较好的一致性和收敛性, 在水下作战装备仿真测试方面具有良好的工程应用前景。
蛙人推进器声散射特性研究
黎洁, 范军, 李兵
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0026
摘要:
蛙人推进器(diver propulsion vehicle, DPV)声隐身性能是特种作战的关键, 决定了蛙人部队能否秘密渗透。文中基于声纳目标声散射特性预报的近场板块元方法、频域间接法以及回声层析成像方法, 结合DPV几何外形的三维精确建模, 仿真计算DPV宽带全向时域回波、频率响应曲线以及DPV声层析成像结果, 分析入射平面波频率和入射方位角对其声散射特性的影响规律。开展了DPV静态声散射特性测量湖上试验, 获得正横方位频率响应曲线, 试验与仿真结果吻合较好, 正横方位回声强度在−10 dB左右, 频响曲线误差在3 dB以内, 验证理论建模的准确性。文中所做研究可为进一步研究DPV声隐身设计及探测提供参考。 蛙人推进器(diver propulsion vehicle, DPV)声隐身性能是特种作战的关键, 决定了蛙人部队能否秘密渗透。文中基于声纳目标声散射特性预报的近场板块元方法、频域间接法以及回声层析成像方法, 结合DPV几何外形的三维精确建模, 仿真计算DPV宽带全向时域回波、频率响应曲线以及DPV声层析成像结果, 分析入射平面波频率和入射方位角对其声散射特性的影响规律。开展了DPV静态声散射特性测量湖上试验, 获得正横方位频率响应曲线, 试验与仿真结果吻合较好, 正横方位回声强度在−10 dB左右, 频响曲线误差在3 dB以内, 验证理论建模的准确性。文中所做研究可为进一步研究DPV声隐身设计及探测提供参考。
航行器水面滑行喷水推进特性研究
刘富强, 孙元, 王雪峰, 闫靠
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007
摘要:
基于STAR-CCM+软件, 选用剪切应力传输k-w湍流模型, 采用多重运动参考系和理想水泵模型构建航行器水面航行喷水推进数值计算模型, 并进行了可行性验证。基于理想水泵模型对内流道单侧进水特性进行仿真, 并用理想水泵特征压差的大小表征轴流水泵吸水能力。对航行器在不同压差和不同浸没深度水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。结果表明, 理想水泵模型对轴流水泵吸水具有较好的仿真效果; 对比不同特征压差航行器内流道的流体动力特性, 发现随着压力值的增大, 内流道阻力明显增大, 内流道升力几乎不变; 在不同浸没深度水面滑行数值仿真中, 当进水口浸没深度大于20 mm, 内流道进水效果不再受浸没深度影响。研究结果可为水面航行器喷水推进工程应用提供参考。 基于STAR-CCM+软件, 选用剪切应力传输k-w湍流模型, 采用多重运动参考系和理想水泵模型构建航行器水面航行喷水推进数值计算模型, 并进行了可行性验证。基于理想水泵模型对内流道单侧进水特性进行仿真, 并用理想水泵特征压差的大小表征轴流水泵吸水能力。对航行器在不同压差和不同浸没深度水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。结果表明, 理想水泵模型对轴流水泵吸水具有较好的仿真效果; 对比不同特征压差航行器内流道的流体动力特性, 发现随着压力值的增大, 内流道阻力明显增大, 内流道升力几乎不变; 在不同浸没深度水面滑行数值仿真中, 当进水口浸没深度大于20 mm, 内流道进水效果不再受浸没深度影响。研究结果可为水面航行器喷水推进工程应用提供参考。
基于分布式MPC的欠驱动自主水下航行器编队控制
郭渊博, 李琦, 闵博旭, 高剑, 陈依民
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204018
摘要:
分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)相较于集中式模型预测控制需要更低的计算量且具有更强的容错性和鲁棒性, 被广泛应用于多智能体编队控制。文中提出了一种基于分布式模型预测控制的欠驱动自主水下航行器编队控制方法, 基于局部邻居信息为每一个AUV控制器构建预测控制的代价函数和约束条件, 通过优化算法求解一定时域内的最优控制输入。同时, 针对编队系统可能存在的障碍物避碰问题和通信时延问题, 分别设计了基于距离和相对视线差的避障方法, 以及在接收到所有邻居信息后再求解的等待机制。仿真结果表明, 采用文中提出的方法, 多航行器编队能够在障碍及通信时延条件下保持队形稳定。 分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)相较于集中式模型预测控制需要更低的计算量且具有更强的容错性和鲁棒性, 被广泛应用于多智能体编队控制。文中提出了一种基于分布式模型预测控制的欠驱动自主水下航行器编队控制方法, 基于局部邻居信息为每一个AUV控制器构建预测控制的代价函数和约束条件, 通过优化算法求解一定时域内的最优控制输入。同时, 针对编队系统可能存在的障碍物避碰问题和通信时延问题, 分别设计了基于距离和相对视线差的避障方法, 以及在接收到所有邻居信息后再求解的等待机制。仿真结果表明, 采用文中提出的方法, 多航行器编队能够在障碍及通信时延条件下保持队形稳定。
基于广义预测控制的永磁同步电机单环鲁棒控制
杨曦, 刘国海, 刘亚兵, 崔佳伦
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203007
摘要:
为改进无人水下航行器用永磁同步电机控制系统的动态性能和鲁棒性, 简化控制系统结构, 提出了一种基于广义预测控制的永磁同步电机单环控制策略。首先基于连续时间的永磁同步电机模型, 通过优化新型目标函数的非线性广义预测控制策略, 设计了永磁同步电机转速-电流单环控制器。此外, 采用电流约束策略, 避免电流过大对电机和逆变控制器造成损害。此控制策略的控制结构简单, 只需调节预测时域即可实现永磁同步电机强鲁棒控制, 工程上易于实现。最后仿真实验结果表明, 所研究控制策略能有效地抑制外部扰动和内部参数摄动的影响, 实现了无人水下航行器用永磁同步电机控制系统的快动态响应和强鲁棒性。 为改进无人水下航行器用永磁同步电机控制系统的动态性能和鲁棒性, 简化控制系统结构, 提出了一种基于广义预测控制的永磁同步电机单环控制策略。首先基于连续时间的永磁同步电机模型, 通过优化新型目标函数的非线性广义预测控制策略, 设计了永磁同步电机转速-电流单环控制器。此外, 采用电流约束策略, 避免电流过大对电机和逆变控制器造成损害。此控制策略的控制结构简单, 只需调节预测时域即可实现永磁同步电机强鲁棒控制, 工程上易于实现。最后仿真实验结果表明, 所研究控制策略能有效地抑制外部扰动和内部参数摄动的影响, 实现了无人水下航行器用永磁同步电机控制系统的快动态响应和强鲁棒性。
EKF和UKF在双观测站纯方位目标跟踪中的应用
成春彦, 李亚安
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203014
摘要:
为了对水下运动目标进行实时跟踪, 以静止双观测站纯方位跟踪系统为研究对象, 分别结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和无迹卡尔曼滤波(UKF)算法的原理, 对基于EKF和UKF算法的双观测站纯方位跟踪系统进行了仿真分析及比较。结果表明, 基于2种算法的双观测站纯方位系统都能适用于水下运动目标实时跟踪, 但后者具有更快的收敛速度和更好的鲁棒性。同时, 分别分析了双站距离以及方位角量测误差对实时跟踪效果的影响, 仿真结果表明, 2个观测站距离过近或者过远都会降低目标跟踪的效果, 基于EKF和UKF算法的双观测站系统在两站距离800 m时分别能够得到更加满意的跟踪效果; 随着方位角量测误差的增大, 基于2种算法的双观测站系统的跟踪性能都会下降, 但UKF算法在EKF算法跟踪失效时仍然具有较好的跟踪性能。 为了对水下运动目标进行实时跟踪, 以静止双观测站纯方位跟踪系统为研究对象, 分别结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和无迹卡尔曼滤波(UKF)算法的原理, 对基于EKF和UKF算法的双观测站纯方位跟踪系统进行了仿真分析及比较。结果表明, 基于2种算法的双观测站纯方位系统都能适用于水下运动目标实时跟踪, 但后者具有更快的收敛速度和更好的鲁棒性。同时, 分别分析了双站距离以及方位角量测误差对实时跟踪效果的影响, 仿真结果表明, 2个观测站距离过近或者过远都会降低目标跟踪的效果, 基于EKF和UKF算法的双观测站系统在两站距离800 m时分别能够得到更加满意的跟踪效果; 随着方位角量测误差的增大, 基于2种算法的双观测站系统的跟踪性能都会下降, 但UKF算法在EKF算法跟踪失效时仍然具有较好的跟踪性能。
基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计研究
王重阳, 于化鹏, 李子圆, 赵德鑫
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202011
摘要:
自主导航是无人水下航行器完成水下任务的关键技术, 姿态信息是自主导航的重要参数。现有高精度导航设备价格昂贵、体积大, 因此小型化、低成本自主导航技术是研究热点。受仿生学研究启发, 构建了基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计模型, 将已知压强、姿态数据输入模型, 训练出模型参数, 从而利用压强数据反演估计姿态信息。按照轨迹、深度、速度等因素开展了多组试验验证, 检验了所提出方法的有效性。试验结果表明, 利用基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计方法, 俯仰角误差优于2.0699°, 横滚角误差优于2.9908°, 且不存在累积误差, 在自主导航系统中具有较高应用潜力。 自主导航是无人水下航行器完成水下任务的关键技术, 姿态信息是自主导航的重要参数。现有高精度导航设备价格昂贵、体积大, 因此小型化、低成本自主导航技术是研究热点。受仿生学研究启发, 构建了基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计模型, 将已知压强、姿态数据输入模型, 训练出模型参数, 从而利用压强数据反演估计姿态信息。按照轨迹、深度、速度等因素开展了多组试验验证, 检验了所提出方法的有效性。试验结果表明, 利用基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计方法, 俯仰角误差优于2.0699°, 横滚角误差优于2.9908°, 且不存在累积误差, 在自主导航系统中具有较高应用潜力。
波浪滑翔器海洋观测数据质量控制研究
周莹, 于佩元, 孙秀军, 桑宏强
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202003
摘要:
观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心, 有效的数据质量控制方法是推动波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量, 本文以气温、气压数据为例, 提出一种新型海洋观测数据质量控制方法, 该方法包括数据检验和数据修正环节。数据检验包括范围检验和尖峰检验, 对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除。数据修正采用BP神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正, 提升观测数据整体准确性。前期, “黑珍珠(Black Pearl)”波浪滑翔器集成AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对实验获取大量数据样本, 本文使用该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时, 为验证本文提出的数据质量控制方法的有效性, 对“黑珍珠”波浪滑翔器进行海上实验获取的观测数据进行数据质量控制和分析, 实验结果表明本文提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。 观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心, 有效的数据质量控制方法是推动波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量, 本文以气温、气压数据为例, 提出一种新型海洋观测数据质量控制方法, 该方法包括数据检验和数据修正环节。数据检验包括范围检验和尖峰检验, 对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除。数据修正采用BP神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正, 提升观测数据整体准确性。前期, “黑珍珠(Black Pearl)”波浪滑翔器集成AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对实验获取大量数据样本, 本文使用该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时, 为验证本文提出的数据质量控制方法的有效性, 对“黑珍珠”波浪滑翔器进行海上实验获取的观测数据进行数据质量控制和分析, 实验结果表明本文提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。
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