XX子弹药自组织网络及目标探测技术研究

摘要

具有双向沟通能力，且能够自动探测跟踪目标的网络化引信是引信灵巧化与智能化的发展方向之一。引信的沟通能力分为静态信息交联和动态信息交联，网络化引信属于静态信息交联，可通过远程抛撒方式快速部署到指定区域，实现子弹间协同作战以达到最优的目标探测和最佳的封锁效果，从而迟滞或阻滞敌方快速行进的机械化部队。同时XX子弹药又能与远程作战指挥系统互通互联，实现战场侦察功能，为其他攻击型武器提供良好的作战环境。目前针对部署在地面上的网络化引信并没有完整的研究体系，依然存在近地面无线通信的环境干扰问题、锚节点密度过小的节点自定位问题、有向传感器的全向探测问题以及子弹间协同探测问题，本文将网络化引信分为自组织网络和目标探测两大部分，完善静态网络化引信的基础理论架构，推进引信向网络化与智能化发展。
　　建立了近地面草丛遮蔽环境下无线信道模型。XX子弹药抛撒部署于地面上，收发天线均贴近地面，并且有草丛遮蔽无线信道形成非视距通信。基于对数距离的单斜率路径损耗模型对可靠通信范围内433MHz和2.4GHz两种频率的无线信道衰减特性进行了测量和拟合，确定了水泥路面、低矮草丛、茂密草丛三种环境下无线信道模型。根据XX子弹药的抛撒范围和无线信道模型，构建了双跳自组织网络。
　　提出针对锚节点密度过小的稀疏型网络的分布式节点自定位算法，以质心定位法获得的节点位置作为初始迭代位置，通过接收信号强度比例向量迭代逼近真实位置。优化了自定位算法的迭代次数，在迭代次数与定位精度之间建立平衡关系。仿真了在不同的稀疏型网络中比例向量迭代节点自定位算法的定位过程和精度，算法能够在锚节点数量较少且随机的条件下获得较高的节点定位精度。
　　设计了单发单收旋转扫描系统和超声波阵列探测系统，以实现对子弹周围360°范围内车辆目标的探测能力。超声波有向传感器的全向探测能力对子弹单一探测性能起着决定性的作用，为了扩大超声波测距范围，优化了锥形号筒结构的参数。对于单发单收超声波旋转扫描探测系统，根据测距的渡越时间内超声波换能器偏转导致接收回波变小的现象，建立了旋转扫描探测数学模型，分析了最高转速与最大测距范围之间的关系，确定了旋转扫描转速和超声波脉冲频率之间的最优匹配关系，计算了旋转扫描系统的目标捕获率。对于阵列式超声波全向探测系统，建立了车辆目标的探测模型;将低功耗的被动声探测作为预警信号和辅助定位手段，提出了主被动声传感器车辆目标探测控制算法，在保证超声波全向探测系统目标探测性能的前提下，降低了系统功耗。
　　针对抛撒区域外部目标预警和内部目标定位问题，分别提出了Y型四元无线声阵列目标定位算法和具有能源有效性的加权最小线性二乘法。所有子弹均配备单个声音传感器，利用自组织网络的信息融合协同探测目标。对影响定位精度的阵列参数、声音衰减系数、子弹自身位置误差和传感器探测范围等误差源进行了分析。确定了抛撒区域外部目标预警时的Y型无线声阵列节点选择方法和抛撤区域内部目标定位时的能量自适应节点选择方法。最后针对大规模WASN抛撒区域内部移动目标的跟踪问题，以加权线性最小二乘法的定位结果作为卡尔曼滤波的输入，简化了卡尔曼滤波算法的观测方程，增加了目标跟踪精度。
　　设计了XX子弹药信息交联系统和目标探测系统，开展了北斗定位试验、节点双向通信试验和自组织网络试验，验证了通信链路的通信能力。进行了超声波测距试验和超声波环境试验，验证了超声波探测目标回波能可靠地提取。对主被动声传感器车辆全向探测系统进行了测试，系统能在半径为20 m的范围内探测到目标车辆，并在6m范围内得知车辆的运动轨迹。分别对抛撒区域外部和抛撒区域内部目标声源进行了定位试验，抛撒区域外部目标定位误差小于1m，抛撒区域内部目标定位误差小于0.5m。XX子弹药自组织网络和目标探测技术的研究，对推进无人值守地面武器平台的发展起到重要的作用。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 可抛撒XX子弹药国内外研究现状

1．3 相关技术研究进展

1．3．1 XX子弹药自组织网络技术

1．3．2 XX子弹药自定位技术

1．3．3 XX子弹药目标探测技术

1．4 本文的研究内容及行文安排

2 XN子弹药网络化引信基础理论架构

2．1 XN子弹药网络化引信基本理论及设计

2．2 无线网络通信原理

2．2．1 无线通信技术

2．2．2 无线局域网

2．3 XX子弹药探测原理

2．3．1 被动声探测原理

2．3．2 超声波主动探测原理

2．4 本章小结

3 近地面草丛遮蔽无线信道模型及自组织网络构建

3．1 自由空间无线电信号路径损耗模型

3．2 复杂环境下无线信号路径损耗模型

3．3 近地面草丛遮蔽无线信道路径损耗模型

3．3．1 信道测量方案

3．3．2 信道模型与分析

3．4 XX子弹药自组织网络构建

3．5 本章小结

4 稀疏型网络节点高精度自定位迭代算法

4．1 问题描述与典型的自定位算法

4．1．1 质心自定位算法

4．1．2 APIT自定位算法

4．1．3 DV-hop自定位算法

4．2 RSSI-RVI节点自定位算法与迭代优化

4．2．1 RSSI-RVI节点自定位算法

4．2．2 RSSI-RVI算法迭代次数减小方法

4．3 RSSI-RVI节点自定位算法仿真

4．3．1 3个锚节点自定位仿真

4．3．2 4个锚节点自定位仿真

4．4 本章小结

5 增强型超声波车辆全向探测机理

5．1 增强型超声波形成机理研究

5．1．1 超声波波束号筒增强原理

5．1．2 增强型超声波换能器仿真优化设计

5．2 超声波周向扫描车辆探测机理

5．2．1 超声波周向扫描最高转速

5．2．2 扫描转速与脉冲频率匹配及目标捕获率研究

5．3 低功耗主被动声传感器车辆探测机理

5．3．1 主被动声探测方案设计

5．3．2 主被动声探测控制算法

5．3．3 超声波阵列探测全向探测模型

5．4 磁与超声波复合车辆过顶探测机理

5．4．1 磁轴偏转对探测性能的影响

5．4．2 系统结构及工作原理

5．4．3 复合探测车辆位置识别算法

5．5 本章小结

6 无线声传感器网络车辆目标定位与跟踪算法

6．1 WASN抛撒区域外围目标定位算法

6．1．1 四元无线声传感器阵列区域外目标定位算法

6．1．2 四元无线声阵列目标定位算法误差源分析

6．1．3 节点选择算法

6．2 WASN抛撒区域内部目标定位与跟踪算法

6．2．1 基于WLLS的声源目标定位算法

6．2．2 基于WLLS声源目标定位算法误差源分析

6．2．3 能源有效节点选择算法

6．2．4 改进的卡尔曼滤波的目标跟踪算法

6．3 本章小结

7 XX子弹药网络化引信系统设计与试验验证

7．1 XX子弹药自组织网络设计与试验

7．1．1 XX子弹药引信自组织网络系统设计

7．1．2 北斗二代定位及节点双向通信试验

7．1．3 静止抛撒试验

7．2 具有全向探测能力的超声波节点设计与试验

7．2．1 超声波测距范围验证试验

7．2．2 超声波探测环境试验

7．2．3 主被动声传感器节点全向探测试验

7．2．4 磁与超声波复合车辆位置识别试验

7．3 无线声传感器网络车辆目标定位试验

7．3．1 无线声传感器网络节点设计

7．3．2 Y型四元无线声传感器阵列目标定位试验

7．3．3 抛撒区域内部声源目标定位试验

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 全文的工作总结

8．2 本文的创新点

8．3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和专利情况

攻读博士学位期间参加的科学研究情况