面向水下潛器隱蔽航路任務的地形可視性方法分析

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1、第1章緒論1．1課題研究背景與意義地形可視性表征了地形表面上各點能否可視與被可視的情況及相關的實際問題。它在森林防火、路線設計、通信信號、甚至軍事領域都具有重要的應用價值Ⅲ。在民用上，可以用在游戲產(chǎn)業(yè)的場景渲染、實時漫游上，也可以用于規(guī)劃通信公司的信號基站等。在軍事上，地形可視性歷來被用作分析地形的有利條件，也是如何在隱蔽自己的同時攻擊敵人的重要理論基礎。如今，地形可視性分析(TellramVisibilityAnalysis)是結合地理信息科學和計算機圖形學技術，通過幾何計算等數(shù)學方法形成處理地形表面各觀測點或觀測區(qū)

2、域可視性的方法和技術佇1。它主要包括：對具體的觀測點進行可視性信息計算，以及結合已知的可視性信息進行優(yōu)化分析。前者涉及到的可視性信息主要是基礎信息，比如各類觀測點的可視范圍等問題口1。而后者面向的問題更加具體，比如通過計算得出覆蓋某一區(qū)域的最少信號設備(雷達、信號塔等)的個數(shù)及覆蓋方法，如何在戰(zhàn)場上部署最佳的埋伏地點等。目前地形可視性已應用在陸地和天空的等諸多領域。在這些領域中，地形的可視與蠆都是以“自然光”或“電磁波”為判斷基礎。但是在海洋中還沒有有關地形可視性方面的應用實例，研究方案也末成體系。其實無論是地理環(huán)境，

3、還是導航方法，海洋中的水下潛器與飛行器都具有相似的航路規(guī)劃特征地形可視性分析。近年來，地形可視性研究在飛機的航路規(guī)劃領域中發(fā)揮了重要作用。其中飛機的航路規(guī)劃是在一定條件基礎上，通過衡量特定的數(shù)據(jù)指標確定飛行器從起點至終點的最優(yōu)航跗41。而飛機的航路規(guī)劃的目的則是通過地形信息和己知的敵情信息，規(guī)劃出安全系數(shù)最大的航路懵1。因此利用飛行器航路規(guī)劃的思想來解決水下潛器的相關問題從原理來說是可行的。自主式水下潛器(AutonomousUnderwaterVehicle，簡稱AUV)憑借其在水下作業(yè)中無需人工干預，可在遠程危險和

4、未知的海洋自主導航和避碰等任務的優(yōu)判61，成為了海洋資源開發(fā)的重要工具，同時在軍事上也占有1席之地。近些年來，海洋大國紛紛在大學和研究機構投入大量的人力物力研究開發(fā)新型AUV，AUV已經(jīng)成為水下機器人研究的發(fā)展方向，因此聚集了當今世界各國研究人員的目光。當今AUV的發(fā)展主要表現(xiàn)在：向遠程發(fā)展——平均每次的能源補給可以提供100海里以上的航行距離；向深海發(fā)展——航行深度達到6000米；向強大功能方向發(fā)展——更強的作業(yè)能力和更智能的工作行為；向軍用AUV發(fā)展——這是AUV發(fā)展的最大動力。水下潛器通常在較深的海下工作，海洋中

5、有著比陸地更復雜的地形環(huán)境。海底山脈(Oceanicrange)是指海洋ljI1000米以上的山脈，通常位于大洋的中脊和海嶺。大洋·

6、

7、脊是貫穿丁．世界各個大洋的洋底山系，構造上為板塊的生長擴張邊界。山頂?shù)?、lc均深度1哈爾浜工程大學碩士學位論文通常為2000到3000米，寬1000到1500公里，橫剖面具有雙峰，雙峰間為中央裂谷，谷寬數(shù)十公里，相對深度約1000到1500米。由于裂谷中不斷有玄武巖巖漿溢出，使兩側(cè)板塊相背分離擴張，并且洋脊的上面很少有沉積物覆蓋。因此從地理構造的角度出發(fā)，海底山脈和我們通常研究的陸地上

8、的山脈具有很高的相似度。而近年來人類在水下潛器的科學研究上也有了重大突破，例如2010年8月，“蛟龍?zhí)枴弊鳛槲覈牡谝慌_自行設計和研制的載人潛水器成功順利地完成3000米級海試任務，2011年7月26日，“蛟龍”號在下潛試驗中成功潛至5057米，5000米深度意味著，我們有能力到達地球70％以上的海底。同時該深度遠遠超過了山頂?shù)钠骄疃?，這預示著在不久的將來，水下潛器也可以向飛行器一樣在海底山脈中穿梭。水下潛器采用聲納系統(tǒng)探測海下目標，其中聲納的重要性等同于陸上的雷達。從原理上分析，雷達是利用無線電技術進行偵查和測距的

9、設備，它將無線電波送出，經(jīng)遠距離目標點的反射，并將此能量送回到雷達。而聲納則是通過水聲技術對目標進行探測，它根據(jù)接收到的聲信號對目標進行定位、分析、識別以及跟蹤口51。雷達和聲納的工作原理十分相似，參考飛行器的航路規(guī)劃技術，水下潛器可以用相似的方法在海底山脈中進行潛水作業(yè)。因此在水下潛器的航路規(guī)劃領域，引進地形可視性理論，從而形成一套針對水下潛器隱蔽航路的地形可視性研究是有可能的，也是有必要的。水下地形可視性分析與傳統(tǒng)的可視性分析相比，雖然其形式不同，但基本的原理思想是相通的。傳統(tǒng)可視性的研究對象是陸上的地形地貌，傳播

10、介質(zhì)通常是光線或雷達信息，而水下潛器的航行借助于聲音的傳播，兩者有著相同的思路。但是聲音在不同的溫度、鹽度和壓力的分布下變化很大，同時又具有混響、回聲等性質(zhì)，這使得聲音在傳播過程中呈現(xiàn)多種多樣的軌跡。因此，水下地形可視性分析比傳統(tǒng)的可視性分析更加復雜。本課題提出的研究方法，結合AUV的深海探索和軍用發(fā)展趨勢，利用其在與陸上地形可視