用于无人艇集群护航的海上威胁目标拦截点预报方法及系统

本发明属于海上威胁目标运动预报领域，具体涉及一种用于无人艇集群护航的海上威胁目标拦截点预报方法及系统。

背景技术：

1、海上商船进行货运时可能存在海盗等潜在威胁，采用无人艇集群进行护航的方法，能够有效地降低护航成本，并减少伤亡风险。护航场景下，需要考虑海上威胁目标较多的情况，此时每艘无人艇需要执行多个拦截任务，才能及时有效地降低航行危险。

2、海上威胁目标是指护航过程中可能对护航对象造成碰撞或恶意攻击行为的海上运动目标(包括船舶、无人艇等)。目前护航场景下对于海上威胁目标较为常见的拦截点计算方式为平行接近法计算拦截点，但此种方法事实上是采用护航对象对海上威胁目标进行平行接近所计算出来的拦截点，其从事实理论上来说是利用护航对象去拦截海上威胁目标，这种拦截点的确立方式背离了护航场景下需要尽可能保证护航对象安全性的初衷。若直接利用护航无人艇对海上威胁目标平行接近计算拦截点时，又会使得每一艘护航无人艇针对所有海上威胁目标都会存在一套拦截点。这使得后续护航艇对拦截点进行路径规划、以及任务分配时会发生紊乱，因为不同艇对同一威胁目标的拦截点不一致，无法置于同一个层面进行路径规划和任务分配。

3、综上所述，由于现有平行接近法背离了护航目的，因此，基于现有方法计算出的拦截点进行护航的效果较差，提出一种新的拦截点计算方法以保证护航效果是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决基于现有方法计算出的拦截点进行护航的效果差的问题，而提出了一种考虑安全距离的海上威胁目标拦截点预报方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

3、一种用于无人艇集群护航的海上威胁目标拦截点预报方法，所述方法具体包括以下步骤：

4、步骤一、获取海上威胁目标j的当前位置(xj,yj)、速度vj和航向θj，j＝1,2,...,m，m表示海上威胁目标的数量，获取护航对象的当前位置(xo,yo)、速度vo和航向θo；

5、并将获取的位置、速度和航向信息传输给护航对象；

6、步骤二、护航对象根据接收到的信息计算各海上威胁目标与护航对象之间的最近会遇距离dcpa和最近会遇时间tcpa；

7、步骤三、选择安全距离dc，根据最近会遇距离dcpa与dc的大小关系以及最近会遇时间tcpa，计算出各海上威胁目标的拦截点位置坐标；

8、步骤四、根据各海上威胁目标的拦截点位置坐标，分别计算出无人艇护航编队中的每个无人艇对各海上威胁目标的拦截代价；

9、根据计算出的拦截代价进行拦截任务分配，再根据拦截任务分配结果对海上威胁目标进行拦截。

10、进一步地，所述海上威胁目标的位置、速度和航向通过传感器搜索并记录，所述护航对象的位置、速度和航向利用组合导航记录，获取的位置、速度和航向信息通过组网通信传输给护航对象。

11、进一步地，所述步骤二的具体过程为：

12、步骤二一、对于海上威胁目标j，计算海上威胁目标j与护航对象之间的直线距离l：

13、

14、步骤二二、海上威胁目标j对于护航对象的方位角α为：

15、

16、其中：中间变量

17、步骤二三、计算海上威胁目标j与护航对象的相对速度大小、相对航向角；

18、

19、其中，vr为海上威胁目标j与护航对象的相对速度大小，vxr＝vxj-vx0，vyr＝vyj-vy0，vxj为海上威胁目标j在x轴上的速度分量，vyj为海上威胁目标j在y轴上的速度分量，vx0为护航对象速度vo在x轴上的速度分量，vy0为护航对象速度vo在y轴上的速度分量；

20、

21、其中，中间变量θr为海上威胁目标j与护航对象的相对航向角；

22、步骤二四、根据l、α、vr和θr计算海上威胁目标j与护航对象之间的dcpa、tcpa；

23、dcpa＝l*sin(θr-α-π)

24、tcpa＝l*sin(θr-α-π)/vr

25、步骤二五、对每个海上威胁目标均执行步骤二一至步骤二四的过程。

26、进一步地，所述步骤三的具体过程为：

27、步骤三一、对于海上威胁目标j，比较海上威胁目标j与护航对象之间的最近会遇距离dcpa和dc的大小；

28、若最近会遇距离dcpa大于等于dc，则执行步骤三二；

29、若最近会遇距离dcpa小于dc，则执行步骤三三；

30、步骤三二、将到达最近会遇距离dcpa时的海上威胁目标j的位置坐标，作为海上威胁目标j的拦截点坐标(xj,yj)：

31、

32、步骤三三、将到达安全距离dc时的海上威胁目标j的位置坐标，作为海上威胁目标j的拦截点坐标(xj,yj)：

33、

34、其中，tr为海上威胁目标j航行到安全距离时，海上威胁目标j的速度。

35、进一步地，所述海上威胁目标j航行到安全距离时，海上威胁目标j的速度tr为：

36、

37、其中，δx为海上威胁目标j与护航对象在x轴上的当前距离差，δy为海上威胁目标j与护航对象在y轴上的当前距离差，δx＝xj-x0，δy＝yj-y0。

38、进一步地，所述vx0、vy0、vxj和vyj的计算方法为：

39、

40、

41、其中，vxj为海上威胁目标j在x轴上的速度分量，vyj为海上威胁目标j在y轴上的速度分量，vx0为护航对象速度vo在x轴上的速度分量，vy0为护航对象速度vo在y轴上的速度分量。

42、更进一步地，所述步骤四中，根据各海上威胁目标的拦截点位置坐标，分别计算出无人艇护航编队中的每个无人艇对各海上威胁目标的拦截代价；具体为：

43、步骤四一、无人艇i计算海上威胁目标j的威胁代价

44、

45、其中，j＝1,2,...,m，m表示海上威胁目标的数量，kj为海上威胁目标j的威胁程度，fj为海上威胁目标j的防御力；

46、步骤四二、计算无人艇i的航程代价

47、

48、其中，lij为无人艇i至海上威胁目标j的拦截点的路径距离，l′为预警范围，l′>0；

49、步骤四三、计算无人艇i的转向代价

50、

51、其中，ψi0为无人艇i的当前航向，ψij为无人艇i拦截海上威胁目标j时的航向；

52、步骤四四、计算护航对象受威胁代价

53、

54、其中，dij为无人艇i拦截到海上威胁目标j时，海上威胁目标j与护航对象的路径距离；

55、步骤四五、计算无人艇i对海上威胁目标j的拦截代价cij：

56、

57、其中，w1、w2、w3和w4为权重系数，且w1+w2+w3+w4＝1。

58、用于无人艇集群护航的海上威胁目标拦截点预报系统，所述系统包括海上威胁目标状态信息获取模块、护航对象状态信息获取模块、拦截点位置计算模块、拦截代价计算模块以及拦截任务分配模块；

59、海上威胁目标状态信息获取模块用于获取海上威胁目标j的当前位置(xj,yj)、速度vj和航向θj；

60、护航对象状态信息获取模块用于获取护航对象的当前位置(xo,yo)、速度vo和航向θo；

61、拦截点位置计算模块用于计算各海上威胁目标的拦截点位置坐标；拦截点位置坐标的计算过程为：

62、对于海上威胁目标j，计算海上威胁目标j与护航对象之间的直线距离l：

63、

64、海上威胁目标j对于护航对象的方位角α为：

65、

66、其中：中间变量

67、计算海上威胁目标j与护航对象的相对速度大小、相对航向角；

68、

69、其中，vr为海上威胁目标j与护航对象的相对速度大小，vxr＝vxj-vx0，vyr＝vyj-vy0，vxj为海上威胁目标j在x轴上的速度分量，vyj为海上威胁目标j在y轴上的速度分量，vx0为护航对象速度vo在x轴上的速度分量，vy0为护航对象速度vo在y轴上的速度分量；

70、

71、其中，中间变量θr为海上威胁目标j与护航对象的相对航向角；

72、根据l、α、vr和θr计算海上威胁目标j与护航对象之间的dcpa、tcpa；

73、dcpa＝l*sin(θr-α-π)

74、tcpa＝l*sin(θr-α-π)/vr

75、比较最近会遇距离dcpa和dc的大小：

76、若最近会遇距离dcpa大于等于dc，则将到达最近会遇距离dcpa时的海上威胁目标j的位置坐标，作为海上威胁目标j的拦截点坐标(xj,yj)：

77、

78、若最近会遇距离dcpa小于dc，则将到达安全距离dc时的海上威胁目标j的位置坐标，作为海上威胁目标j的拦截点坐标(xj,yj)：

79、

80、其中，tr为海上威胁目标j航行到安全距离时，海上威胁目标j的速度；

81、同理，计算出每个海上威胁目标j的拦截点坐标；

82、拦截代价计算模块用于计算无人艇护航编队中的每个无人艇对各海上威胁目标的拦截代价；

83、拦截任务分配模块用于拦截任务分配。

84、进一步地，所述海上威胁目标j航行到安全距离时，海上威胁目标j的速度tr为：

85、

86、其中，δx为海上威胁目标j与护航对象在x轴上的当前距离差，δy为海上威胁目标j与护航对象在y轴上的当前距离差，δx＝xj-x0，δy＝yj-y0。

87、更进一步地，所述拦截代价的计算过程为：

88、无人艇i计算海上威胁目标j的威胁代价

89、

90、其中，j＝1,2,...,m，m表示海上威胁目标的数量，kj为海上威胁目标j的威胁程度，fj为海上威胁目标j的防御力；

91、计算无人艇i的航程代价

92、

93、其中，lij为无人艇i至海上威胁目标j的拦截点的路径距离，l′为预警范围，l′>0；

94、计算无人艇i的转向代价

95、

96、其中，ψi0为无人艇i的当前航向，ψij为无人艇i拦截海上威胁目标j时的航向；

97、计算护航对象受威胁代价

98、

99、其中，dij为无人艇i拦截到海上威胁目标j时，海上威胁目标j与护航对象的路径距离；

100、计算无人艇i对海上威胁目标j的拦截代价cij：

101、

102、其中，w1、w2、w3和w4为权重系数，且w1+w2+w3+w4＝1。

103、本发明的有益效果是：

104、本发明在护航场景下考虑最近会遇距离作为拦截点预报的一种方式，解决了现有利用平行接近法计算拦截点，背离了护航初衷的原则问题，利用本发明方法计算出的拦截点可以提升护航效果。并且计算的拦截点更加具备合理性，可以有效提高无人艇护航编队的拦截效率。同时通过引入安全距离，保证了最近会遇距离过小时护航对象的航行安全。