水下无人系统学报

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文海兵, 宋保维, 张克涵, 闫争超

2019, 27(4): 361-368. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.001

[摘要](786) [PDF 2147KB](591)

摘要:
相较于传统的湿插拔水下电能补给方式, 磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)技术具有绝缘性好、结构简单、电能传输安全性高、操作方便等优势, 在水下航行器等海洋机电设备电能补给方面有良好的应用前景。文章首先介绍了MCR-WPT技术的基本结构和工作原理, 重点关注了海洋环境下MCR-WPT的特殊性; 分别从机理研究和应用研究两方面阐释了水下MCR-WPT技术的研究现状与热点问题; 最后分析了该技术待解决的关键问题及其发展趋势, 主要包括电能传输机理、电磁耦合器设计、系统海洋环境适应性、电磁兼容性以及新材料的应用。文中研究旨在为我国水下MCR-WPT技术的发展和应用提供参考。

超高速水下航行器控制方法研究热点综述

刘伟, 范辉, 吕建国

2019, 27(4): 369-378. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.002

[摘要](757) [PDF 619KB](530)

摘要:
超高速水下航行器借助超空泡减阻技术可以达到常规全沾湿航行器难以企及的200 kn以上的高航速, 对这类航行器的研究近年来呈现出由机理阐释向应用研究发展的主导趋势。在此趋势下, 针对超高速航行器控制方法的研究日益成为该领域的热点。文中首先给出了超高速水下航行器的概念, 继而综述了国内外最新研究进展, 随后提出并分析了若干热点研究问题, 包括对被广泛引用的Dzielski模型的讨论, 以及非线性滑行力、系统不确定性等动力学特性的研究热点, 和线型控制、反馈线性化、变结构控制、模糊控制等热点控制方法的优劣对比等, 最后对研究现状进行了总结, 展望了未来的发展方向, 提出对被控对象描述范围的拓展将是超高速水下航行器控制领域未来发展的主要驱动力, 同时智能控制也将成为超高速水下航行器控制方法的重要研究方向之一。

基于协方差矩阵特征向量的圆环阵目标方位估计方法

朱少豪, 杨益新, 汪勇

2019, 27(4): 379-385. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.003

[摘要](635) [PDF 652KB](405)

摘要:
为解决传统高分辨方位估计(DOA)算法计算量大、不稳健的问题, 文章首先利用圆环阵空间均匀噪声场中噪声协方差矩阵的特征向量重新定义了不同阶数的特征向量和阵列流形向量, 并将数据采样协方差矩阵根据阶数的大小进行了降维处理, 最后利用新的阵列流形向量和降维的数据采样协方差矩阵采用最小方差无失真响应(MVDR)进行目标方位估计。仿真结果表明, 在没有误差的情况下, 所提方法的最高阶方位估计结果与传统MVDR一致; 存在幅度和相位误差时, 更稳健的低阶方位估计的结果要优于传统MVDR方法, 在提升了抗误差稳健性的同时, 降维的数据协方差矩阵也大大减少了求逆的计算量。海试结果验证了文中方法的有效性, 采用的12元均匀圆环阵, 其2阶和3阶方位估计的结果要优于传统的MVDR方法。文中方法可为水下无人系统等平台上的圆环阵水下目标方位估计提供应用参考。

基于多维联合仿真技术的鱼雷动力系统特性研究

李鑫, 杨赪石, 彭博

2019, 27(4): 386-391. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.004

[摘要](569) [PDF 568KB](217)

摘要:
为获得鱼雷动力系统和组件特性改变时的相互影响规律, 文中建立了动力系统零维性能仿真模型、发动机缸内过程一维仿真模型和发动机三维虚拟样机模型, 将传统研究相对独立的零维、一维和三维仿真模型相结合, 使得数值计算更高效、准确, 并对动力系统的性能和发动机的动力学特性进行了数值计算, 仿真了动力系统启动、换速、变深和实航工况下发动机关键部位受力和运动情况, 以及发动机进气比对动力系统性能的影响, 仿真结果和试验结果基本吻合。文中研究的联合仿真技术为动力系统和发动机组件的设计提供了一种新方法, 可为产品的工程设计提供参考。

基于空时频联合处理的水下目标宽带声成像

杜金香, 许恒博

2019, 27(4): 392-397. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.005

[摘要](379) [PDF 521KB](276)

摘要:
宽带信号的声成像方法需要在距离维度和时间尺度维度进行扫描, 运算量巨大。同时, 对于水下目标探测和识别, 往往希望发射信号具有较好的多普勒宽容性, 在时间尺度维度具有较低的分辨力, 并且对于空间体目标而言, 其回波中不同波形分量对应的尺度差异较小, 因此难以准确估计目标速度, 进而去除声成像过程中由于目标运动产生的距离维误差, 从而导致成像畸变的问题。为了解决以上2个问题, 文中采用发射双向调频多普勒宽容信号的策略, 无需尺度搜索, 可以准确估计目标速度, 消除声图像在距离维度上的误差, 提高宽带信号声成像的准确性。对多亮点模型的运动目标声成像仿真结果证实了双向调频波形策略具有更好的成像性能。

基于信号特征的舰船轴频电场检测改进算法

李越, 张伽伟, 程锦房

2019, 27(4): 398-405. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.006

[摘要](626) [PDF 731KB](420)

摘要:
为了能够在较低的信噪比下提高目标的检测概率, 降低检测的虚警率和漏警率, 文中依据实测舰船目标的水下轴频电场数据, 对不同舰船的轴频电场信号进行了深入分析。针对轴频电场信号及环境电场噪声信号在时域及频域特点的不同, 对原有的一种基于信号特征的舰船轴频电场信号检测算法从线谱识别和检测判据等方面进行了改进, 同时采用Welch法替换原有功率谱估计方法, 降低了运算量, 使算法更具实时性。通过对不同情况下仿真信号和不同舰船类型的实测信号的检测可知, 运用该算法可在较低信噪比下实现目标检测, 从而满足了提高检测概率、降低虚警率的需求。该算法适用于水雷等打击精度较高的水中兵器。

基于迭代观测更新滤波的单站无源定位算法

熊露, 谌剑, 毕晓文, 陈安全

2019, 27(4): 406-412. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.007

[摘要](579) [PDF 496KB](216)

摘要:
单站无源定位具有较强的隐蔽性, 能够避免多个观测平台之间数据的融合与同步等问题。针对单站无源定位算法性能易受测量误差一致性和初始状态误差等因素影响的问题, 文中从线性估计理论出发, 提出了一种基于迭代观测更新滤波(IMUF)的单站无源定位算法。首先, 将经典的一步离散线性估计器观测更新改写为连续时间上的逐步更新过程, 推导了连续逐步状态及其误差矩阵的演化方程, 然后进一步离散化得到迭代观测更新方程, 并采用Sigma点方法对其中的高斯矩进行近似计算, 得到了一种具有类似Kalman滤波运算形式, 适用于单站无源定位问题的迭代观测更新滤波算法。仿真试验证明, 较之传统算法, 该算法能够有效处理非一致性观测误差和大初始状态误差下的性能恶化问题, 在滤波收敛性与估计准确性方面更有优势。

潜伏式武器水下施放后纵平面运动仿真

练永庆, 宋保维, 李宗吉

2019, 27(4): 413-419. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.008

[摘要](445) [PDF 503KB](264)

摘要:
为了研究潜伏式武器自潜艇外部施放后在纵平面内的运动规律以及使用分离减速方案实现安全坐底的可行性, 将武器施放后的运动过程分为2个阶段, 第1阶段为武器下沉直至分离前, 第2阶段为武器分离开始直至武器完全坐底。针对这2个不同的运动阶段分别推导了相关数学模型, 并进行了整个运动过程的仿真计算, 分析了潜伏式武器水下施放后初始阶段的运动特性, 得出了分离减速坐底的规律。仿真结果证明了潜伏式武器采用分离减速方案可安全坐底。

一种宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿方法

谭思炜, 赵军, 张萌, 任志良

2019, 27(4): 420-427. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.009

[摘要](612) [PDF 661KB](182)

摘要:
宽带信号具有较好的抗干扰性能和反对抗能力, 但要在鱼雷电磁引信上实现工程应用仍有许多问题亟待解决, 宽带直接耦合干扰的快速、有效补偿问题即是其中之一。文中分析研究了鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的特征, 提出了一种快速、有效的宽带直接耦合干扰补偿方法。该方法采用Butterworth低通滤波器传递函数对递推最小二乘算法的遗忘因子迭代更新模型进行改进, 解决了标准算法在对突变信号的快速跟踪性能与低稳态误差特性上的矛盾。将改进算法分别应用于跳频和调相2种宽带体制下鱼雷电磁引信直接耦合干扰的自适应补偿中, 并进行了仿真分析。仿真结果表明, 文中改进的自适应算法对突变信号具有较好的跟踪性能和较低的稳态误差, 能够实现对跳频体制和调相体制鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的快速、有效补偿。

空化器操纵过程水动力试验方法

张珂, 李鹏, 颜开, 陈伟政, 王志, 吴文婷

2019, 27(4): 428-433. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.010

[摘要](539) [PDF 1057KB](203)

摘要:
操纵空化器转角是超空泡航行器姿态控制的常用手段之一, 为进一步研究空化器操纵过程中空泡和水动力特性, 文中通过精细计算和分析优化, 提出并建立了一种空化器操纵过程非定常水动力测量的水洞试验模型和方法。通过在试验模型内部紧凑布置直线电机、位移传感器、压力传感器、传动系统、通气系统以及测力天平, 实现了对空化器转角的操纵以及泡内压力和水动力测量功能, 静态工况空化器水动力测量结果与经验公式结果对比, 证明了该试验方法的有效性。

均匀混响背景下抗多目标干扰恒虚警检测器设计

殷超然, 闫林杰, 郝程鹏, 孙梦茹

2019, 27(4): 434-441. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.011

[摘要](334) [PDF 545KB](311)

摘要:
为提高恒虚警(CFAR)方法的抗多目标干扰能力, 文中提出一种能够对抗多目标干扰的新型UMCASO-CFAR检测器。该检测器的特点是分别对前后沿滑窗数据使用无偏最小方差估计(UMVE)方法和单元平均(CA)方法得到2个局部估计, 然后采用最小选择(SO)处理取二者中较小的一个作为均匀混响背景功率水平估计。在Swerling II型目标假设下, 推导出均匀混响背景下UMCASO-CFAR检测器虚警概率和检测概率的解析表达式, 证明其具有CFAR性能。进一步通过解析方法、蒙特卡洛仿真和实测数据处理三方面研究了该方法在均匀混响背景和多目标环境下的性能, 结果表明相较于现有方法, UMCASO-CFAR具有更好的抗多目标干扰的性能, 而且在均匀混响背景下具有非常小的CFAR检测损失。

一种惯性测量组合陀螺常值漂移外场标定方法

阮卫, 张秦南, 迪玉茹, 国琳娜, 王立文

2019, 27(4): 442-445. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.012

[摘要](375) [PDF 393KB](229)

摘要:
针对惯性测量组合(IMU)外场标定问题, 文中提出一种IMU陀螺常值漂移3位置外场标定方法。在静基座条件下, 先利用二次对准技术测出产品的姿态角, 再利用卡尔曼滤波估计北向陀螺漂移, 结合3个位置的姿态角和北向陀螺漂移, 再利用最小二乘法对陀螺漂移进行求解。仿真结果表明, 该标定方法简单易行, 无需转台, 能够对陀螺常值漂移进行有效估计。

基于目标舷别判断的火箭助飞鱼雷射击方法

赵艾奇, 王戈, 孙建, 高天, 姜丽伟

2019, 27(4): 446-451. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.013

[摘要](573) [PDF 510KB](259)

摘要:
在对火箭助飞鱼雷反潜作战特点和水下弹道特点分析的基础上, 提出了一种对目标当前位置射击方法的改进和优化方法, 通过对目标舷别的判断来确定战斗载荷水下搜索方式和落点偏移瞄准量, 进而确定鱼雷射击参数。建立了单雷射击模型和双雷齐射射击数学模型, 运用该方法进行了反潜作战效能仿真分析, 结果表明, 该方法可以有效提高火箭助飞鱼雷反潜作战效能, 特别是打击远距离高速机动目标的效果, 该方法为火箭助飞鱼雷作战使用提供了决策支持和理论参考。

全驱动AUV系统路径跟踪设计与实现

姚金艺, 曾庆军, 周启润, 朱志宇, 包灵卉

2019, 27(4): 452-458. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.014

[摘要](668) [PDF 2264KB](287)

摘要:
针对全驱动自主水下航行器(AUV)水下搜救和回收等应用需求, 提出一种基于全球定位系统(GPS)、多普勒计程仪(DVL)、光纤惯导和深度计及航路点跟踪的AUV路径跟踪控制系统。结合自主研发的“探海Ι型”AUV样机, 介绍了AUV分布式系统组成结构、基于MOOS库的软件开发设计以及基于PC104总线架构开发的硬件设计, 并针对AUV系统的路径跟踪功能, 阐述了航路点跟踪原理及以GPS、DVL、光纤惯导和深度计为基础的导航算法, 并设计了比例-积分-微分(PID)路径跟踪控制器, 最后进行了路径跟踪湖试, 经过对试验曲线的分析, 验证了该方法的有效性, 为今后进一步优化路径跟踪探明了一条可行的技术途径。

基于双欧拉法的鱼雷空中弹道仿真

任斌, 温志文, 杨智栋

2019, 27(4): 459-462. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.015

[摘要](623) [PDF 407KB](296)

摘要:
传统鱼雷弹道六自由度仿真多基于欧拉角方法求解运动微分方程, 可以直观地得到鱼雷的位置和姿态角。但随着鱼雷空投弹道的出现, 在倾角±90°的情况下会产生奇异点, 致使欧拉方程无法求解, 得不到正确结果。为克服上述不足, 文中采用双欧拉法建立鱼雷运动数学模型, 并对鱼雷空中弹道进行数值计算。仿真结果表明, 基于双欧拉法的弹道模型能够正确地反映鱼雷空中弹道运动规律, 在计算过程中不会因出现奇异点而发散。

远程投送水下航行器自主航行安全性策略设计方法

李杰, 马徐琨

2019, 27(4): 463-468. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.016

[摘要](398) [PDF 456KB](215)

摘要:
远程投送水下航行器因其航程较远, 加之复杂海底深度突变、岛礁等障碍物阻碍以及导航精度偏差等因素, 可能存在碰撞、触底等自主航行风险, 迫切需要开展自主航行安全性策略设计研究。现有的研究成果需要的传感器信息较多、通用性不强、算法相对复杂, 无法满足测试信息较少的远程投送水下航行器自主导航要求。文中提出了一种基于作图法的航路再规划方法, 以及基于航行深度控制数学模型的航行深度控制设计方法, 在保证安全性的前提下, 以最短路径和深度控制相对稳定为设计准则, 分析了平坦的常规水深(含深水)、浅水深度控制以及深度突变情况下航行深度控制, 并给出了控制流程。通过仿真数据分析, 验证了该方法的可行性。该方法是一种简便、通用的远程投放水下航行器自主航行安全性策略设计方法, 可满足大部分情况下的航行安全性要求。

悬浮式深弹武器系统对鱼雷拦截能力试验方案设计

侯宝娥, 田恒斗, 李兵, 冯鹏飞

2019, 27(4): 469-472. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.017

[摘要](516) [PDF 318KB](245)

摘要:
武器装备作战能力考核是装备定型的重要内容。文章针对悬浮式深弹武器系统对鱼雷拦截能力的考核要求, 提出武器实际发射与模拟发射相结合的试验模式, 在阐述试验航路设计思路的基础上, 给出具体的试验方案, 主要包括辅助定位浮标布设区域的确定、深弹落点拍摄方案及试验数据处理方法的选取等。通过试验实现了对该系统布阵能力、完整作战流程的考核, 可以对该系统鱼雷拦截能力给出客观评价, 成功解决了试验子样数不足、武器弹药不充分的难题。经实航试验验证, 文章所述试验方案设计思路、落点拍摄及数据处理方法等具有一定的可操性及实用性。

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