潜艇连续方位算法性能评估软件的设计与实现∗

（91388部队 湛江 524000）

1 引言

潜艇指控系统试验鉴定是潜艇作战系统试验鉴定的重要组成部分，对指控系统的考核评定不仅具有自身的意义，还将直接关系到鱼水雷武器系统的考核评定。目标运动要素解算算法是潜艇指控系统试验的重点项目，其中连续方位解算算法又是目标运动要素解算算法中的重难点考核评估项目。在连续方位算法中，纯方位法具有典型代表性，其利用连续的目标方位序列，通过滤波模型解算出目标运动要素。由于纯方位法对解算所需的数据类型单一（综合声纳被动工作方式下测得的方位数据），且能保持潜艇的隐蔽性，所以纯方位法是潜艇隐攻解算目标运动要素诸多算法中所采用的常用算法。纯方位法解算试验所需处理的数据量大，处理方法复杂，在试验中需要通过对试验数据进行实时的处理，来判别有效航次以及有效收敛航次，从而为试验指挥人员对试验进程的控制提供重要依据。因此，针对试验中数据处理的实时、快捷的要求，编制一套数据处理软件将为高效地完成指控系统试验任务发挥重要的作用。

2 功能需求分析

纯方位解算算法的关键性能指标有平均收敛时间、收敛率和解算精度等，为提供满足上述指标计算所需各类型数据，性能评估软件需要完成任务有：由于DGPS测得的目标与本艇坐标参数可能存在野点和丢点，因此必须对坐标参数进行平滑和插值处理，然后计算目标运动要素的真值；由于目标位置由DGPS测量，其所测量位置为其天线的位置，而非目标声中心位置，因此必须对目标几何中心位置进行修正；由于指控系统中的算法都是在假设目标等速直航的条件下进行解算，因此必须对航次有效性进行判断；判断统计航次的收敛性，以对收敛率指标做出考核；找出航次收敛时刻，计算航次收敛时间，以对平均收敛时间做出考核；统计每个航次收敛后的12个收敛点，以对航路解算精度做出考核；为了便于事后对真实航路进行分析和再现，需要显示目标与本艇航迹的静态与动态图。综上所述，软件应具备以下功能模块：

1）目标、本艇航迹的平滑处理以及目标运动要素真值的计算（Vm、Cm、Dm）；

2）对目标、本艇的坐标参数进行修正；

3）航次有效性判断；

4）航次收敛性判断；

5）收敛时间、时刻的计算；

6）目标运动要素解算精度的计算；

7）目标与本艇航迹的静态与动态再现。

3 设计思路及实现工具

软件通过高级应用软件Matlab提供的编程语言设计而成。Matlab提供了各种功能强大的函数库，使得程序能够完成复杂的运算，处理大量的数值数据。软件的主要流程图1所示，下面对流程图做简要说明。

1）开始：启动Matlab，对Matlab服务器初始化，运行处理软件程序，显示图形用户界面窗口。

2）试验数据读取：通过用户界面窗口分别导入目标真值数据、本艇真值数据以及本艇解算数据，人工键入的数据有坐标修正参数、开始攻击时刻及目标初距。

3）数据有效判断：如数据格式不对、数据超出规定范围，程序将提示输入无效，返回重新输入，否则程序往下执行。

4）开始解算：当按下开始处理键后，数据处理程序模块开始运行，包括目标坐标数据平滑处理，目标速度、航向、距离真值解算，目标稳定性检验、航次收敛率及收敛时间计算，目标运动要素解算精度计算。

5）航次有效判断：如检验出目标运动不满足稳定性的条件，则判为航次无效，此航次数据处理结束，显示处理结果，保存结果，返回进行下一航次数据处理，否则程序往下执行。

6）航次收敛判断：如计算出解算值不收敛，则此航次数据处理结束，显示处理结果，保存结果，返回进入下一航次数据处理，否则程序往下进行。

7）收敛时间、时刻计算：在航次收敛的情况下，计算本航次的收敛时间与收敛时刻。

8）解算精度计算：从收敛时刻开始，向后连续取12个点的目标速度、航向、距离的解算值和对应的真值，分别进行二阶原点距的计算，同时对野点进行剔除。

9）数据处理结果显示：将航次收敛判断处理结果显示到图形用户界面窗口中。包括航次有效性、航次收敛性、航次收敛时刻及收敛时间，目标运动要素解算精度。

10）航路再现：画出目标、本艇的原始航迹图及平滑处理后的航迹图，并且还将试验航路动态再现。

11）结果保存：将试验数据处理结果保存在选定的文件中，并提示存储情况信息。

图1 软件设计流程图

4 软件结构及组成

软件由用户界面和计算服务器组成，见图2。

用户界面由试验数据导入区和试验数据处理结果区两部分组成，试验数据导入区分为目标真值数据、本艇真值数据、本艇解算数据、坐标修正参数、开始攻击时刻及目标初距6个部分。试验数据处理结果区分为航次有效性判断、航次收敛性判断、航次收敛时间、航次收敛时刻、航次解算精度结果、试验航路再现6个部分。

计算服务器包括五个主要模块：试验数据读取模块、处理计算模块，计算结果显示模块、动态航迹再现模块和计算结果存储模块。

用户通过用户界面窗口导入试验数据区导入试验数据，服务器获取导入的试验数据，当按下“开始处理”键后，进行处理计算模块进行处理处理，然后通过计算结果显示模块将结果显示在用户界面窗口中。用户还可以通过航迹图再现模块对目标和本艇的静态和动态航迹再现。最后，用户通过计算结果存储模块对处理结果进行保存。

图2 纯方位算法性能评估软件结构框图

5 关键软件模块的实现

5.1 数据文件格式要求

软件输入的文件数据有目标和本艇航迹数据、本艇解算数据等，数据读取主要采用textread函数完成。读取的数据格式要求见表1和表2。

表1 目标和本艇航迹数据格式

表2 本艇解算数据格式

5.2 有效性判断

航次有效性判断的方法如下：在某一航次中，目标速度和航向真值标准差与对应的精度指标的比值同时满足不大于十分之一，则本航次有效，否则无效。

5.3 收敛判定算法

在数据处理方法中，对航次收敛时刻的判定是方法如下：从指挥台发出“开始攻击”时刻作为零点。对第k航次录取的数据，首先通过真值和解算值计算出各时刻的速度、航向、初距的一次差，然后判别连续有4个点进入3б范围之内的点（三个量同时进入），将其第1个点的时刻记为t3，接着判别连续有4个点进入2б范围之内的点，将其第1点的时刻记为t2，再接着判别连续有4个点进入б范围之内的点，将其第1点的时刻记为t1。同时在确定出t3之后，t1之前，若有点又跳出3б（或2б）范围，则前面确定的t1（或t2）无效，重新确定t1（或t2）。最终确定出t1、t2、t3后，按国军标给出的计算公式 t=0.05×t1＋0.27×t2＋0.68×t3，来获得本航次的收敛时刻。其中б为目标运动要素的精度指标。该方法逻辑性强，编程实现繁琐，程序冗长，本文在深刻理解此方法的基础上，创新提出了一种简便快捷的实现方法，即先判别是否有4个点进入б范围之内，如果不存在，则此航次不收敛，如果存在，则此航次收敛，并找出t1，再以t1为起点向前找出t2、t3，这种方法极大地简化了程序。

5.4 航迹复现

航迹复现主要包括静态和动态两种，静态复现就是直接显示出本艇和目标的航迹曲线，描述两者的运动趋势，如图3所示；动态复现可以实时显示本艇和目标之间的相对态势关系，并给出主要运动态势参数，如图4所示。

图3 本艇和目标的航迹静态复现图

图4 本艇和目标的航迹动态复现图

5.5 图形用户界面

Matlab为用户开发图形界面了一个方便、高效的集成环境—图形用户界面开发环境（Graphical User Interface Development Environment，GUIDE）。本软件的用户界面也正是通过Matlab提供的图形用户界面开发环境GUIDE进行设计和实现的。

界面制作包括两部分工作内容，分别为界面设计和程序实现，具体的实现步骤如下：

1）对界面所需要实现的主要功能进行分析，从而明确设计的方向和目标；

2）从用户的角度出发，预先对界面草图进行构思，并在稿纸上绘制出来；

3）对照稿纸上预先绘制出的界面草图，在电脑上首先制作静态界面；

4）完成静态界面实现后，接着编写界面动态功能的程序，并进行整体运行、调试和检查。

界面分为试验数据导入区和试验数据处理结果区，如图5所示。试验数据导入区包括导入目标坐标数据、导入本艇坐标数据、导入解算值数据、坐标修正参数、关键时间等；试验数据处理结果区包括航次有效性判断结果、收敛性判断结果、航次收敛时间、航次收敛时刻、目标运动要素解算精度和目标与本艇的航迹再现。

图5 软件图形用户界面

6 结语

本文叙述了潜艇纯方位算法性能评估软件设计与实现的过程，文中首先对软件的功能进行了需求分析，在功能分析的基础上，给出了软件设计流程图，并对流程图作了说明。软件的开发和设计环境选用了高级应用软件Matlab提供的编程语言。文中对数据文件读取、收敛性判断、收敛时间确定、航迹复现、图形用户界面等关键模块实现分别进行了描述。该软件的实现已为试验工程人员开展潜艇目标运动要素解算试验的数据处理和性能指标评定工作提供了不可或缺的辅助手段，取得了较好的军事和经济效益。