水下無人航行器動(dòng)目標(biāo)跟蹤與攻擊機(jī)動(dòng)策略研究.pdf

1、水下無人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)受到海洋軍事工程領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者們的極大關(guān)注。作為一種可以由潛艇和水面艦艇搭載的新型水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)，UUV通常依靠所攜帶的被動(dòng)聲納進(jìn)行水下純方位角目標(biāo)跟蹤(Bearing Only Target Tracking，BOTT)，估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并規(guī)劃機(jī)動(dòng)航路完成攻擊使命。因此研究具有高精度和穩(wěn)定性的BOTT方法及攻擊機(jī)動(dòng)策略成為亟待解決的重要問題，具有重要

2、的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。
　　本文深入研究UUV的水下BOTT濾波估計(jì)算法，根據(jù)命中目標(biāo)等概率圓原理實(shí)時(shí)計(jì)算UUV的攻擊陣位，通過設(shè)計(jì)控制算法使UUV完成目標(biāo)攻擊任務(wù)。主要完成了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　建立BOTT系統(tǒng)的過程模型及聲納觀測(cè)模型，對(duì)BOTT系統(tǒng)進(jìn)行可觀測(cè)性分析，并建立UUV的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)的UUV目標(biāo)跟蹤及攻擊策略研究奠定基礎(chǔ)。
　　針對(duì)傳統(tǒng)擴(kuò)展 Kalman濾波(Extended Kal

3、man Filter,EKF)求解 BOTT問題時(shí)可能出現(xiàn)預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣不可逆導(dǎo)致狀態(tài)估計(jì)發(fā)散及計(jì)算過程繁瑣的問題，提出一種適用于BOTT系統(tǒng)的差分-卡爾曼濾波(Divided Difference-Kalman Filter，DD-KF)算法。利用差分濾波(Divided Difference Filter，DDF)處理聲納非線性測(cè)量模型，使用Stirling差值法線性化模型中的非線性項(xiàng)，結(jié)合Kalman濾波(Kalman Filte

4、r，KF)設(shè)計(jì)一階DD-KF(DD-KF1)算法和二階DD-KF(DD-KF2)算法。Monte Carlo仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提出的DD-KF算法不僅簡(jiǎn)化了跟蹤的計(jì)算過程，而且跟蹤的精度及穩(wěn)定性都要優(yōu)于EKF。
　　針對(duì)DD-KF算法中系統(tǒng)噪聲特性與實(shí)際特性不匹配導(dǎo)致跟蹤精度不高甚至發(fā)散的問題，結(jié)合非線性支持向量機(jī)，提出基于支持向量回歸機(jī)的自適應(yīng)DD-KF(Support Vector Regression Adaptive Div

5、ided Difference-Kalman Filter,SVRADD-KF)算法。利用非線性支持向量回歸機(jī)對(duì)新息的理論協(xié)方差與實(shí)際協(xié)方差差值進(jìn)行函數(shù)擬合，得到新息與噪聲統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)因子之間的函數(shù)關(guān)系，使噪聲統(tǒng)計(jì)特性接近于實(shí)際噪聲。Monte Carlo仿真實(shí)驗(yàn)表明SVRADD-KF算法不受初始系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)選取的影響，具有較高的估計(jì)精度及魯棒性。
　　針對(duì)非穩(wěn)態(tài)非高斯測(cè)量噪聲(閃爍噪聲)條件下，傳統(tǒng)粒子濾波(Parti

6、cle Filter，PF)算法因粒子退化現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)精度低甚至嚴(yán)重發(fā)散問題，結(jié)合DD-KF算法，提出適用于BOTT的差分-卡爾曼-粒子濾波(Divided Difference-Kalman F-Particle Filter，DD-KF-PF)算法。利用DD-KF生成粒子建議分布，將最新測(cè)量值信息融入建議分布的計(jì)算，采用高斯混合密度函數(shù)近似粒子似然函數(shù)，改善粒子退化現(xiàn)象。不同粒子數(shù)下的Monte Carlo仿真實(shí)驗(yàn)表明

7、，隨著粒子數(shù)的增加，DD-KF-PF算法的跟蹤性能得到提升。
　　針對(duì)UUV的目標(biāo)攻擊問題，引入潛艇水下目標(biāo)攻擊機(jī)動(dòng)航路規(guī)劃方法，基于目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)值規(guī)劃機(jī)動(dòng)航路，利用三角函數(shù)求解法計(jì)算等概率圓上的最佳攻擊陣位，基于欠驅(qū)動(dòng)UUV整體模型提出一種新型級(jí)聯(lián)反步控制。并基于平行目標(biāo)(Constant Bearing,CB)導(dǎo)引算法，設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)導(dǎo)引跟蹤控制使UUV跟蹤機(jī)動(dòng)航路，證明了導(dǎo)引控制閉環(huán)系統(tǒng)的全局一致漸近穩(wěn)定。綜合數(shù)值仿真試驗(yàn)表