《1 引言》

1 引言

目标运动分析(TMA)是估计目标距离和运动参数的程序,是每个作战系统的核心内容,它将所有可利用的传感器的测量结果利用起来,由它建立起一幅潜艇周围环境的作战态势图。TMA的收敛时间,也就是TMA得到稳定结果所历经的时间,是潜艇整个武器系统反应时间的关键要素。此外,TMA在目标的检测、跟踪、定位和识别上有着重要意义TMA解算出目标的距离,实现目标的解算定位;其提供的目标速度值是目标识别判晚的重要信息;在发射鱼雷后,在目标已捕获的情况下应用TMA可以改善目标跟踪;一种基于频率-方位动态谱图的TMA,由于积分时间长,可增强检测能力。由于TMA的重要作用,各国海军都很重视TMA技术的研究应用。

潜艇,尤其是核潜艇具有水下长期潜航的特点,因此声纳是潜望状态以下唯一可利用的获取目标信息的传感器,TMA处理主要就是对声纳信息的处理。在指控领域中开展的TMA技术研究,也称为目标运动要素解算。由于以前声纳系统和指控系统是两个独立的分系统,因此TMA只能利用由声纳系统传递给指控系统的少量测量数据,而大量的水下基阵可利用的测量信息未得到充分利用。同时,由于指控台和声纳听音员处于不同的舶室战位,只在指控台上进行操作和运算,也就丢失了利用人耳听测信息参与TMA操作的机会,限制了TMA的能力和作用。

随着电子技术和计算机技术的飞速发展,成熟的商业技术广泛地应用于军事领域,使得作战系统的综合信息处理和显示控制能力大大改进,自动化程度显著提高,全综合、分布式的潜艇作战系统是必然的发展趋势。全综合、分布式的潜艇作战系统以高速局域网络为信息传输通道,以多功能显控台为信息综合处理和显控中心,已没有了严格分系统的概念,只有以发挥作战效能为目的的统一信息处理和显控的整体概念。因此在声纳、战术和火控多功能显控台上都应有TMA功能模块,且应是同样的TMA程序。我们检索的国外的有关技术资料也证实了这一点。TMA的信息处理以声纳信息处理为主,在多个台子上都可以进行TMA操作。

《2 TMA方法综述》

2 TMA方法综述

目前国内外的挂控和声纳专家们一直对TMA方法进行研究,以下是儿种典型的TMA方法。

1) 纯方位TMA    纯方位TMA方法是潜艇广泛应用的目标运动分析方法。这种方法只有本艇有利机动才能得出目标参数,需要至少两段不同的方位进续变化的航程。该方法最早采用的是最小二乘算法,此后国内外都先后进行了卡尔曼滤波、维纳涤波算法研究,但目前最小二乘算法仍是最有效的。

2) 以方位借息为主, 通过信息融合有效利用传感器(声纳、雷达、ESM、潜望镜等)获得其它信息(距离、航逊向、速度、机动等),以及人的听测借息和主观判断来实现TMA。由于非递归结构有较好的鲁棒性,因此该方法一般采用非递归涤波器。

3) 方位-多普勒TMA[1]方位-多普勤TMA将频率谱线路踪裕得的多普勤测量值用于TMA,采用无僧的速度限制条件改迹TMA收敛时间。由于多普勒信息的使用,可以较快违地供计出目标位置,避免了纲方位TMA条件下本艇作复杂的机动。

4) 燥声能量-方位联合位距方法“这种方法利用中远区声传播衰凑与距离的关系具有较理想的线性性质,通过声纳信噪比测量即可得到距变量,与方位借息一起联合佼计距离,为了提高精度和缥短收敛时间,采用卡尔曼滤波和最小二乘方法对方位和距变量进行预处理。该方法不需要本艇机动,但精度低于纯方位法。

5) 与匹配场声源定位相结合的方法[2]匹配场处理(MFP)是利用海洋环境对声压场的影响,传计声源位景。可是对于舷侧阵和拖曳阵匹配场妤理并不是目标在任何位置都能得出同样的结果,特别是当目标在旁射附近时,由舷侧阵或拖蚊阵所乃样的声压场的变化最小。另一方面,当目标在端射附近,利用匹配场处理能得到更好的定位借息。而TMA在端寺方向因为角度分辨力减小,因而不可能有好的结果出现,但在旁射方向上一个小的方位变化率,就能得到比较好的角度分辨力。可见MFP和TMA在舷侧阻和拖虫阵的定位能力上互补充。

以上方法有的在工程上已经得到应用,有的还处于研究阶段,因此在装备上应用哪种方法更现定有效,还有待进一步研究。

《3 一种新型潜艇作战系统TMA的功能设计》

3 一种新型潜艇作战系统TMA的功能设计

我们从作战系统的角度出发开发TMA功能充分利用了多传感器获得的信息,以及人的听测信息和主观判断,增强了TMA的能力,使它能够更好地为指挥员战术决策服务,为武器的发射控制提供更加精确的目标运动要素解算结果。这种TMA具有的功能有,估计目标参数、本艇机动航迹建议、识别目标机动、自动和交互式TMA和TMA图形显示。下面详述这些功能。

《3.1 估计目标参数》

3.1 估计目标参数

通过所有可用传感器信息的融合,TMA计算每个系统目标可能有的最多的目标参数值方位、距离、航迹向/平均前进航线、航速/平均航速,及目标距离的置信区间。

如果目标采取防御性的“Z“形机动,TMA则计算平均航线和前进速度。在发射鱼雷后,在已捕获目标的情况下,TMA将作为重要的传感器来改善目标战术数据。TMA计算的目标置信区间是一个距离估计的2o值,通过计算TMA误差协方差矩阵得出,与TMA滤波器所用的输入数据和它们的权值有关。其数值小,则说明TMA计算得出了稳定、确切的解。置信区间在战术态势显示上标出,给操作员一个直观的印象。

《3.2 提供选定目标的最佳本艇机动航迹建议》

3.2 提供选定目标的最佳本艇机动航迹建议

通过考虑参与跟踪的传感器的检测部分,TMA逊续、自动地计算出每个目标建议的最优航迹,供指挥员参考。

在纯方位解算的情况下,只有在本艇有利机动之后才有目标参数的有理解。即使使用了其它额外信息(尤其是如果有大量错误的话),正确的本艇机动仍然对加速收敛起重要作用。本艇机动的选择决定了在一定误差容许范围内TMA算法估计出目标参数的快慢。有一种情况例外,即如果目标在本艇路踪的边界范围上,这时虽然机动是有效的,机动以后和没有机动时获得的方位没什么不同。

《3.3 识别目标机动》

3.3 识别目标机动

所有稳定自动跟踪的目标的TMA和所有预测路踪的目标的TMA都能够自动地检测到强的目标机动,并用字符显示给操作者。由他来确认机动。机动指示在机动确定和自动TMA转换完成后消失。为了确认机动,操作员向交互式TMA提供一个机动时间值(可通过TMA显示图中的光标)或使TMA自己找出最优的机动时间。

目标机动识别由TMA、被动全景声纳(PPS)中的窄带处理器、目标声级估计等一同实现。机动的检测以以下方面为基础,a方位偏差和它们作为时间函数的变化;b.佼计目标航迹向的变化;e.估计目标速度的变化;d.由全景被动声纳的窄带处理器完成的谱分析。

除了自动的机动检测,操作者能够通过TMA的图形显示知道目标机动,并且可以人工启动利用最新确定的目标位置进行运算的TMA。TMA通过考虑目标参数的最大可能变化,在最新有效位置的基础上,可获得目标数据的快速收敛。

《3.4 在提供自动TMA的同时提供交互式TMA》

3.4 在提供自动TMA的同时提供交互式TMA

在通常的目标自动TMA处理的同时,操作者可以交互地影响TMA处理结果。两者结果都显示给操作者,便于比较两者的距离可信度和方位偏差,可以判断出交互式输入是否是有帮助的。自动计算结果应保存,以免交互式操作造成数据丢失和时间损失。

如果操作者通过交互式操作改进了跟踪效果,他就可以将交互模式的输入用于自动模式,这样最终的目标数据参数在整个战术数据处理部分和武器控制部分就成为有应用价值的了。在火控台、战术台和声纳台上都可以执行交互式TMA操作。由于有交互式的TMA,使人耳的听测信息和人的主观判晚得以利用。

操作者可以采取以下可能的措施来改进跟踪:a.隐去方位(数据完整保留,但TMA不使用);b.输入有时间参考的距离数据;e.输入航迹向;4.输入速度;e.输入目标机动时间值;f.激活一次检测机动;g.链接或脱离目标。

此外,操作员可以对每个系统目标执行下列操作:a.消除操作员的输入(输入的数据消除,并重新使用隐去的方位);b.再触发TMA。

《图1》

图1 TMA显示说明

Fig,1 TMA display explanation

为支持交互式的操作,在TMA显示上应进行相应的设计。

《3.5 TMA图形显示》

3.5 TMA图形显示

为了提供操作者一种TMA结果的概况,使他能够监视目标运动和执行交互式的跟踪改进,我们借鉴国外相关技术,设计了三种TMA图形显示,如图1所示,即平面位置指示(PPI)图、方位偷差图及时间/方位图。每个目标的TMA计算用于TMA显示的数据。

时间方位图显示所有被跟踪的目标,并显示所有选定目标和本艇的30分钟方位历史数据,其作用如下:

1) 指示被跟踪的目标相对于本艇的方位。

2) 使操作者了解一次本艇航向机动对目标方位变化的影响。在本艇机动前/后的方位变化率的显著变化导致特定目标的TMA解的快速收敛。

3) 使操作者了解目标机动。目标方位变化率的变化不是同本艇机动一起变化,就表示目标机动,目标机动的时间数值可以通过时间方位图或PPI及方位偏差图用光标或摸球输入。

PPI图是本艇和选定目标的最近30分钟的相应的战术态势的选录。如果没有激活交互TMA,目标参数是自动TMA的,否则是交互TMA的。PPI图显示本艇轨迹和目标艇的估计轨迹,两者都在实际位置上显示航迹向和航速矢量,此外还绘制出棠一链接传感器的方位线(操作者可选择传感器)。如果选定的传感器能提供阶离信息,那么距离值在相应的方位线上以点的形式绘制出来。PPI图使操作者能够,a.知道不正确的方位并清除;b.评价佼计的目标轨迹能否较好地与被动测距声纳的距离数值吻合(如果被动测距声纳被链接的话);e.通过方位线上的变化了解目标机动,输入目标机动时间值。

此外作为一个最优的TMA信息显示,PPI图还应能自动或人工改变比例尺,人工选定任意位置作为显示中心,可删除方位线使显示更清晤等。

方位偷差图反映了一个选定目标的自动TMA和并行的交互式TMA解的质量。它可以显示链接的传感器的最近30分钟的测量方位和估计方位的

差值,即TMA滁波器的误差。方位偏差图使操作员能够:a.当出现不正确的测量结果与佼计方位有较大的偷差时,识别并删除该方位;b.知道目标机动,即目标机动后,测量的方位与估计方位是有偏差的,趋向于相同或相反方向,目标机动的时间值可以用光标或摸球输入;e.评价一般情况下一种链接传感器相对于另一链接传感器的测量精度;d.评价支持数据的影响,即比较交互式TMA与自动TMA的方位偏差,数值不正确意显着有较大的偷差。

此外,在声纳、战术和火控多功能显控台上都应有TMA显示,这样交互TMA的操作可以同对三个目标进行,如果同一目标被多个显控台定,则只允许第一个选定的人进入输入操作,刀他操作者,这个特定的目标的操作被屏蔽,他f能进行显示操作。通过链接几个目标,操作员可肢动多个TMA,同时进行多目标的自动TMA和交互式TMA。

《4 结束语》

4 结束语

本文在新型潜艇全综合、分布式作战系统的体系结构下,提出了一种TMA的功能设计,力求充分利用多基阵测量信息及人的主观判断,同时通过TMA的显示设计,使操作员能够得到更多的信息,如确认目标机动,了解TMA结果的正确伯等,并通过交互式操作提高TMA的能力。该设计具有较高的应用价值。

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