[发明专利]一种基于海洋环境的水下航行器隐蔽路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于海洋环境的水下航行器隐蔽路径规划方法，该方法包括提取所选海域的环境数据、基于环境场数据声场构建、利用蚁群算法进行路径规划以及对路径进行平滑处理等主要步骤。本发明通过海洋环境信息对敌方位置进行声场构建，充分考虑了环境对探测方声呐性能的影响，在复杂且不均匀的声场信息中通过改进后的蚁群算法规划得到一条由任务起始点到达任务目标点的最优隐蔽路径；其中针对复杂的海洋环境，对蚁群算法做了如下改进：将传播损失信息作为启发因子加入启发函数；由于三维路径规划问题规模较大，更改信息素的存储方式，加快算法的运算效率以及减小存储空间；在信息素的更新中引入奖惩因子，更有利于全局搜索。

技术领域

本发明属于水下航行器路径规划领域，尤其涉及一种基于海洋环境的水下航行器隐蔽路径规划方法。

背景技术

自主水下航行器可在水下承担海洋观测、海底矿物勘探、搜救、水下目标探测、预警、水声对抗等多种任务。作为重要的水下探测和预警设备，具有突击能力强，隐蔽性强，机动灵活等突出的特点。对于执行水下对抗的自主水下航行器，路径选择的好坏直接影响其生存能力，基于海洋环境的路径优化设计可极大程度地发挥航行器本身的隐蔽特性。

声呐作为水下目标探测的主要设备，其性能易受外界条件的影响。比较直接的因素包括传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等，它们大多与海洋环境因素有关，因此在自主水下航行器的路径规划中考虑环境信息，分析敌方声呐的探测性能，对于其发挥隐蔽功能并顺利完成相关任务都具有十分重要的意义。

现有的隐蔽性路径规划通常考虑敌方声呐位置，将其探测半径建模成圆形、圆柱形或者球形等规则形状，其可提高计算效率，从而使算法容易较快得到一个收敛的解集，但没有考虑实际环境因素对于声呐探测能力的影响，在规则形状外围也可能存在易被发现的位置。亦有部分隐蔽性路径规划考虑环境信息，利用温跃层以及海洋的透明度等信息进行隐蔽规划，然而未对敌方声呐的探测性能进行具体建模分析。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于海洋环境的水下航行器隐蔽路径规划方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于海洋环境的水下航行器隐蔽路径规划方法，包括以下步骤：

1)环境数据收集：根据规划终点、航行器当前所在位置以及敌方位置确定航行区域，收集该区域的海洋环境信息，包括海底地形、声速分布、沉积层地声参数等。

2)声场构建：根据所需声场的精度及范围对步骤1)中得到的环境数据进行插值，采用声传播模型构建三维声传播损失；

3)隐蔽路径规划：采用栅格法建模地图，栅格中包含步骤2)得到的传播损失，利用蚁群算法进行路径规划，输出隐蔽性较高的路径结果。

4)路径平滑：由于是栅格建模，蚁群算法输出的路径结果平滑度不够好，采用B样条曲线对结果进行平滑，将平滑后得到的路径作为最终结果输出。

进一步地，所述步骤3)中，针对实现隐蔽路径规划的任务目标，对蚁群算法的数学模型重新设计：

对启发信息η_ij进行重新设计如下：

其中，tl_j表示栅格j的传播损失值，λ是用来调节传播损失与路径长度的侧重。d_j表示栅格j到终点的距离。

为防止信息素堆积，不利于全局搜索，对信息素更新公式改进如下：