第2期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ·321. 作为第一需求，所以海水的透明度作为最需要考虑的 因素改变自己的航行路线，避开了强度最大的跃层 水文要素。如果任务是海底侦查，则海流的因素影响 区域，避免航路过于绕远，浪费能源，采取了从内波 较小，而内波和跃层则是比较大的影响因素。 值较弱的区域穿过去。 表1海洋水文因素在各任务中参考威胁权重 90 Table 1 The threaten weight of ocean factors in dif- 点 ferent missions 70 任务 海流 透明度 跃层 内波 60H 近岸巡逻 4 1 3 2 海底搜索 2 1 3 40 港口侦查 3 4 2 1 30 远程调度 3 2 1 因文章考虑因素的原因只列举4项，可根据海 洋环境数据扩展该表格。 102030405060708090 本文采用启发式搜索算法A·算法，A·算法由已 X/100m 知代价和估计代价共同组成了代价函数。函数形式为 图8水文环境干扰下自主航路规划 f(n)=g(n)+h(n) Fig.8 The autonomous sailing rout under the dis- 式中：n为待扩展节点，则g(n)表示实际代价：h(n) turbance of ocean environment 表示估计代价。这样，f(n)就表示从起点经由点n到 图9为三维视角下的航路规划图，图中的峰值状 达目标点的最小代价路径的估计值。 物体表示该点的海洋内波与跃层的强度。峰值越高 使命任务要求水下航行器能够根据地形的不同 表示强度越大。此图可明显看出，航行器在威胁度权 情况进行回避，使航行器所受到的海洋威胁度最小，并 值的参考作用下，首先避开了3个侦测设备的危险区 保证有足够的能量完成全部使命。因此代价函数要考 域，并且寻得内波与跃层影响最小路线，在最后的侦 虑威胁、地形障碍等因素，同时还要尽量缩短航程，减 测设备附近，因内波与跃层的关系，航行器选择越过 少航行时间。实际代价函数表示为 此点，避免过于绕远而浪费能源。最终抵达终点。 g(ni,n)=aT (ni,n)aDis(ni,n)aHig(ni,n;) 仿真2是近岸巡逻任务，参考威胁权值为海流 式中：T,(n,n,)为平均威胁强度；Dis(n:,n)为航路 距离；Hig(n,n)为平均航行高度，a1a2,a为权值 为4，透明度为1，跃层为3，内波为2，此次仿真通过 系数且a1、a2、a3>0 采用威胁权值与不采用做一个对比。图10为未采 用威胁权值的航路规划及误差，图中阴影部分为岛 4 仿真验证 屿，轮廓线包围区域为海流，浅黑轮廓线表示海流较 本文以浅海定常海流作为海流对象。在受海洋 小的区域，深黑轮廓线表示海流较大的区域，从图中 环境因素影响下的路径规划过程中，以A·算法为 可以看出，因躲避岛屿，水下航行器选择安全性最高 自主控制方法。假设水下航行器收到海流，内波，跃 的航线，选择远离岛屿，这样航线就处于海流较强的 层等因素的影响，并且以相应的数学模型进行路径 区域的距离比较长，对航行器的航行精度影响较大。 规划及最优化。仿真1是基于海洋环境因素威胁度 的自主水下航行器航路规划，如表1所示，以参考威 终点 胁权值为海流为2，透明度为1，跃层为4，内波为3 ×10 的海底侦查任务为例。其中，增加了海底敌方的侦 01 ×10 听设备，在避开这些设备的同时，利用或避免海洋环 100 80 境因素的干扰，制定安全、最优的航行路径。 三20o 300 60 40 如图8所示，图中等高线分别代表内波，跃层等 80 6040 X/m 20 海洋水文条件的强度，因任务在水下较深地区，仿真 20 1 Y/m 中透明度近似恒定值，海流为定常流。航行器在优 图9三维水文环境干扰下自主航路规划 先避开最大威胁侦测设备的前提下，根据海洋环境 Fig.9 The 3-D autonomous sailing rout under the disturbance of ocean environment作为第一需求，所以海水的透明度作为最需要考虑的 水文要素。 如果任务是海底侦查，则海流的因素影响 较小，而内波和跃层则是比较大的影响因素。 表 １ 海洋水文因素在各任务中参考威胁权重 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｔｈｒｅａｔｅｎ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｄｉｆ⁃ ｆｅｒｅｎｔ ｍｉｓｓｉｏｎｓ 任务 海流 透明度 跃层 内波 近岸巡逻 ４ １ ３ ２ 海底搜索 ２ １ ４ ３ 港口侦查 ３ ４ ２ １ 远程调度 ４ ３ ２ １ 因文章考虑因素的原因只列举 ４ 项，可根据海 洋环境数据扩展该表格。 本文采用启发式搜索算法 Ａ ∗ 算法， Ａ ∗ 算法由已 知代价和估计代价共同组成了代价函数。 函数形式为 ｆ（ｎ） ＝ ｇ（ｎ） ＋ ｈ（ｎ） 式中： ｎ 为待扩展节点，则 ｇ（ｎ） 表示实际代价； ｈ（ｎ） 表示估计代价。 这样， ｆ（ｎ） 就表示从起点经由点 ｎ 到 达目标点的最小代价路径的估计值． 使命任务要求水下航行器能够根据地形的不同 情况进行回避，使航行器所受到的海洋威胁度最小，并 保证有足够的能量完成全部使命。 因此代价函数要考 虑威胁、地形障碍等因素，同时还要尽量缩短航程，减 少航行时间。 实际代价函数表示为 ｇ（ｎｉ，ｎｊ） ＝ α１Ｔｇ（ｎｉ，ｎｊ） ＋ α２Ｄｉｓ（ｎｉ，ｎｊ） ＋ α３Ｈｉｇ（ｎｉ，ｎｊ） 式中： Ｔｇ（ｎｉ，ｎｊ） 为平均威胁强度； Ｄｉｓ（ｎｉ，ｎｊ） 为航路 距离； Ｈｉｇ（ｎｉ，ｎｊ） 为平均航行高度， α１ 、α２ 、α３ 为权值 系数且 α１ 、α２ 、α３ ＞ ０。 ４ 仿真验证 本文以浅海定常海流作为海流对象。 在受海洋 环境因素影响下的路径规划过程中，以 Ａ ∗ 算法为 自主控制方法。 假设水下航行器收到海流，内波，跃 层等因素的影响，并且以相应的数学模型进行路径 规划及最优化。 仿真 １ 是基于海洋环境因素威胁度 的自主水下航行器航路规划，如表 １ 所示，以参考威 胁权值为海流为 ２，透明度为 １，跃层为 ４，内波为 ３ 的海底侦查任务为例。 其中，增加了海底敌方的侦 听设备，在避开这些设备的同时，利用或避免海洋环 境因素的干扰，制定安全、最优的航行路径。 如图 ８ 所示，图中等高线分别代表内波，跃层等 海洋水文条件的强度，因任务在水下较深地区，仿真 中透明度近似恒定值，海流为定常流。 航行器在优 先避开最大威胁侦测设备的前提下，根据海洋环境 因素改变自己的航行路线，避开了强度最大的跃层 区域，避免航路过于绕远，浪费能源，采取了从内波 值较弱的区域穿过去。 图 ８ 水文环境干扰下自主航路规划 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｓａｉｌｉｎｇ ｒｏｕｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓ⁃ ｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ 图 ９ 为三维视角下的航路规划图，图中的峰值状 物体表示该点的海洋内波与跃层的强度。 峰值越高 表示强度越大。 此图可明显看出，航行器在威胁度权 值的参考作用下，首先避开了 ３ 个侦测设备的危险区 域，并且寻得内波与跃层影响最小路线，在最后的侦 测设备附近，因内波与跃层的关系，航行器选择越过 此点，避免过于绕远而浪费能源。 最终抵达终点。 仿真 ２ 是近岸巡逻任务，参考威胁权值为海流 为 ４，透明度为 １，跃层为 ３，内波为 ２，此次仿真通过 采用威胁权值与不采用做一个对比。 图 １０ 为未采 用威胁权值的航路规划及误差，图中阴影部分为岛 屿，轮廓线包围区域为海流，浅黑轮廓线表示海流较 小的区域，深黑轮廓线表示海流较大的区域，从图中 可以看出，因躲避岛屿，水下航行器选择安全性最高 的航线，选择远离岛屿，这样航线就处于海流较强的 区域的距离比较长，对航行器的航行精度影响较大。 图 ９ 三维水文环境干扰下自主航路规划 Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ３⁃Ｄ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｓａｉｌｉｎｇ ｒｏｕｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ 第 ２ 期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ·３２１·