CN106205256A - 一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其包括舰艇处理器、信标装置和手持显示器，其中，所述舰艇处理器包括搜索处理器、信号调制器、数据处理模块、信号接收模块和搜索天线，在舰艇发射操雷后，信标装置向所述舰艇处理器发射跟踪信号，所述舰艇处理器获取发射基准，确定搜索信号的发射范围；所述舰艇处理器发射搜索信号，所述浮标感应后向所述舰艇处理器发射反馈信息；所述舰艇处理器接收信号，由所述数据处理模块根据所述浮标的反馈信息，确定操雷落点与基准线的夹角θ和操雷落点距离舰艇的距离r；并将该信息发送至所述手持显示器中进行显示。

Description

一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统

技术领域

本发明涉及海上舰艇定位领域,尤其涉及一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统。

背景技术

现有技术中的海上定位系统一般采用GPS进行定位，该种定位方式的保密性较差，并且依赖于外部网络的状况，在对炮点、鱼雷落地位置的检测上缺乏独立操作性。

其中，现有的操雷控制装置，因为正常情况下操雷发射后应该穿过目标舰底，如果鱼雷航行深度过浅会撞损目标舰，过深会扎入海底；所以一旦出现上述情况，控制装置就会自动断掉电路和气路，鱼雷会自动上浮。操雷上还装有烟火盒，当鱼雷浮到海面，水压传感器压力为零时，烟火盒就会冒出彩色烟雾，标示操雷位置。现有操雷的位置是靠彩色烟雾。当遇上天气能见度低看不清楚，寻找操雷有难度。

并且，因操雷科技含量较高、造价昂贵，每次发射都要回收重新使用，训练用的操雷价值也有上百万，因此打捞操雷成为必然。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其包括舰艇处理器、信标装置和手持显示器，其中，

所述舰艇处理器包括搜索处理器、信号调制器、数据处理模块、信号接收模块和搜索天线，

所述信标装置设置在发射操雷的前端，其包括一浮标；在舰艇发射操雷后，信标装置向所述舰艇处理器发射跟踪信号，所述舰艇处理器获取发射基准，确定搜索信号的发射范围；操雷爆炸后，所述舰艇处理器发射搜索信号，所述浮标感应后向所述舰艇处理器发射反馈信息；所述舰艇处理器接收信号，由所述数据处理模块根据所述浮标的反馈信息，确定操雷落点与基准线的夹角θ和操雷落点距离舰艇的距离r；并将该信息发送至所述手持显示器中进行显示；

所述舰艇处理器的搜索范围计算公式为：

R＝H/tan(φ)*(T_f-T_dl-T_ul-T_TTG-T_RTG)

其中，Tf为所述搜索处理器的物理帧长度,Tdl为所述搜索处理器的下行帧长度，Tul为所述搜索处理器的上行帧长度；TTTG为下行子帧与上行子帧之间的保护时隙，TRTG为上行子帧与下一个帧的下行子帧之间的保护时隙，H为舰艇的基站高度，φ为舰艇的基站天线仰角；

上述搜素范围，在所述舰艇的发射强度越强时，覆盖的范围越大，通过调整信号的发射频率，改变信号覆盖范围；

所述数据处理模块确定操雷落点与基准线OA的夹角θ的公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{sin\frac{1}{2}(\arctan \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\min }}{D}+\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D})}{sin\frac{1}{2}\left(\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D-d}\right)}$

式中，θ为浮标与基准线OA的夹角，Δθ_min为系统允许的最小夹角范围，其由舰艇和操雷决定，θ₂为系统确定的操雷落点与基准线的最大夹角，θ₁为系统确定的操雷落点与基准线的最小夹角，D为操雷落点距离舰艇的最大距离，d为操雷落点距离舰艇的最小距离；

$r=\frac{sin\frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\θ})}{sin\frac{1}{2}\mathrm{\θ}}\mathrm{\λ}f(t_2-t_1)$

式中，r为操雷落点距离舰艇的距离，δ_min为操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值，f为搜索信号的发射频率，λ为搜索信号的发射波长，t₂为舰艇处理器接收到浮标反馈信息的时刻，t₁为舰艇处理器发射搜索信号的时刻。

进一步，所述浮标中包括温度传感器、声呐发生器、信标处理器、信号收发模块，

其中，所述温度传感器在操雷运行时，通过所述信号发射模块将该信息传输至所述舰艇处理器，所述舰艇处理器根据该信号确定操雷的运行基准路线；

所述温度传感器和声呐发生器在浮标落水后，对海水温度和深度进行检测，并反馈至所述信标处理器；

所述信号收发模块，在所述舰艇发出搜索信号时，获取搜索信息并在所述信标处理器中进行解密，所述信标处理器通过所述信号收发模块发送确认信息，经发射天线发射。

进一步，操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{{\mathrm{\Δd}}_{\min }}{D}$

式中，Δd_min为系统允许的最小距离范围，D为操雷落点距离舰艇的最大距离。

进一步，

所述搜索处理器中还设置一加密模块，所述加密模块包括一密钥产生模块、一加密管理模块和一变换模块，其中，

密钥产生模块产生一随机密钥key并存储在加密管理模块中，所述变换模块，对消息帧中data1或data2即信息部分和密钥key分别进行移位变换；

所述变换模块，对移位变换后的消息部分和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的消息帧中data1或data2即信息部分；

所述变换模块，对加密管理单元存储的初始密钥K_known和密钥key分别进行移位变换，对移位变换后的加密管理单元存储的初始密钥K_known和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的密钥key。

进一步，在所述的浮标的信标处理器中设置有一相对应的解密模块，所述解密模块包括一验证模块、一解密管理模块和一逆变换模块，

其中验证模块对信息进行CRC校验和配对信息验证；如果接收到的一对消息帧，有一个CRC校验结果错误，则丢弃两个消息帧，解密管理模块向光纤路终端发送请求，等待光纤路终端重传；若校验结果正确，则对消息帧进行配对验证，选取配对信息一致的一对消息帧传递到逆变换模块中进行解码。

进一步，所述逆变换模块，首先使用所述解密管理模块存储的初始密钥k_known对密钥key解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和解密管理模块存储的初始密钥k_known进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和解密管理模块存储的初始密钥k_known进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，得到密钥key；

所述逆变换模块，后用密钥key对两个存放data1、data2的消息帧分别解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，逆变换模块得到解密后信息，将解密后信息发送给控制模块。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明在舰艇上设置搜索处理器，并在其内计算信号的搜索范围，在确定的范围内对浮标进行搜索，节省了搜索时间并且发送圆形的辐射信号，不依赖于现有的定位网络，保证信号收发的准确性和保密性。仅通过测定操雷落点相对于舰艇的基准角度和距离，即可确定落点的位置，经纬度等定位信息。定位装置作用能够防止操雷扎入海底，防止海水面天气能见度低看不清楚寻找操雷有难度，

在所述舰艇的处理器和浮标的处理器中分别设置加密和解密模块，保证位置确定的准确性。

本发明还设置一手持显示器，方便操作者及时了解操雷落点信息，对训练结果有直观的观测信息。

附图说明

图1为本发明模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统的功能框图；

图2为本发明搜索过程的示意图；

图3为本发明的加密模块的功能框图；

图4为本发明的解密模块的功能框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统的功能框图，本发明舰艇水下发射操雷，一艘跟随舰艇训练的打捞艇配合训练，舰艇水下发射操雷后，打捞艇负责寻找目标打捞操雷。本发明包括舰艇处理器、信标装置和手持显示器，其中，所述舰艇处理器设置在所述打捞艇上。

所述信标装置设置在发射操雷的前端，其包括一浮标；在舰艇发射操雷后，信标装置向所述舰艇处理器发射跟踪信号，所述舰艇处理器设置一发射基准；操雷爆炸后，所述舰艇处理器发射搜索信号，所述浮标感应后向所述舰艇处理器发射反馈信息；所述舰艇处理器接收信号进行处理，确定操雷的位置信息，如经纬度信息；并将该信息发送至所述手持显示器中进行显示。

所述浮标中包括一温度传感器、声呐发生器、信标处理器、信号收发模块，其中，所述温度传感器在操雷运行时，通过所述信号发射模块将该信息传输至所述舰艇处理器，所述舰艇处理器根据该信号确定操雷的运行基准路线；所述温度传感器和声呐发生器在浮标落水后，对海水温度和深度进行检测，并反馈至所述信标处理器；所述信号收发模块，在所述舰艇发出搜索信号时，获取搜索信息并在所述信标处理器中进行解密，所述信标处理器通过所述信号收发模块发送确认信息，经发射天线发射；所述舰艇处理器中的数据处理模块根据接收的浮标信息确定其位置信息。

所述舰艇处理器包括搜索处理器、信号调制器、数据处理模块、信号接收模块和搜索天线，所述搜索处理器在操雷爆炸后，获取所述数据处理模块中的基准数据，并以该基准数据确定搜索信号的强度和范围，向所述信号调制器发送调制信号，所述信号调制器对调制信号进行整形并经信号放大器将信号放大；并发射至所述搜索天线

所述数据处理模块根据所述浮标的反馈信息，确定操雷与基准线的夹角θ和操雷落点距离舰艇的距离r。

请参阅图2所示，其为本发明搜索过程的示意图，所述搜索处理器根据确定的基准OA，以及舰艇和操雷的属性，确定搜索范围BCDE。

所述舰艇处理器的搜索范围计算公式为：

R＝H/tan(φ)*(T_f-T_dl-T_ul-T_TTG-T_RTG) (1)

其中，Tf为所述搜索处理器的物理帧长度,Tdl为所述搜索处理器的下行帧长度，Tul为所述搜索处理器的上行帧长度；TTTG为下行子帧与上行子帧之间的保护时隙，TRTG为上行子帧与下一个帧的下行子帧之间的保护时隙,H为舰艇的基站高度，φ为舰艇的基站天线仰角。上述搜素范围，在所述舰艇的发射强度越强时，覆盖的范围越大，通过调整信号的发射频率，改变信号覆盖范围。

所述搜索处理器确定的搜索范围为以舰艇为中心的向外辐射的圆形范围。因而，所述数据处理模块只需确定与基准线OA的夹角及距离中心点O的距离即可。

当所述舰艇处理器获取浮标信息后，所述数据处理模块确定操雷落点与基准线OA的夹角θ的公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{sin\frac{1}{2}(\arctan \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\min }}{D}+\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D})}{sin\frac{1}{2}\left(\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D-d}\right)}---\left(2\right)$

式中，θ为浮标与基准线OA的夹角，Δθ_min为系统允许的最小夹角范围，其由舰艇和操雷决定，θ₂为系统确定的操雷落点与基准线的最大夹角，θ₁为系统确定的操雷落点与基准线的最小夹角，D为操雷落点距离舰艇的最大距离，d为操雷落点距离舰艇的最小距离。

$r=\frac{sin\frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\θ})}{sin\frac{1}{2}\mathrm{\θ}}\mathrm{\λ}f(t_2-t_1)---\left(3\right)$

式中，r为操雷落点距离舰艇的距离，δ_min为操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值，f为搜索信号的发射频率，λ为搜索信号的发射波长，t₂为舰艇处理器接收到浮标反馈信息的时刻，t₁为舰艇处理器发射搜索信号的时刻。

其中，操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{{\mathrm{\Δd}}_{\min }}{D}---\left(4\right)$

式中，Δd_min为系统允许的最小距离范围，D为操雷落点距离舰艇的最大距离。

所述数据处理模块获取操雷落点与基准线OA的夹角θ、操雷落点距离舰艇的距离r，换算成经纬度信息后，发送至所述手持显示器中。

请参阅图3所示，其为本发明的加密模块的功能框图，在所述搜索处理器中还设置一加密模块，所述加密模块包括一密钥产生模块、一加密管理模块和一变换模块，其中密钥产生模块产生一随机密钥key并存储在管理模块中，所述变换模块，对消息帧中data1或data2即信息部分和密钥key分别进行移位变换，所述变换模块，对移位变换后的消息部分和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的消息帧中data1或data2即信息部分。

所述变换模块，对加密管理单元存储的初始密钥K_known和密钥key分别进行移位变换，对移位变换后的管理单元存储的初始密钥K_known和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的密钥key。

请参阅表1、表2所示，其为消息帧结构格式图，表1为data1部分消息帧格式图，表2为data2部分消息帧格式图，其中加密模块产生一组相同的随机数，作为加密信息的配对信息，加密信息中data1部分选取信息的基数位，data2部分选取信息的偶数位，key为对信息加密和解密密钥，CRC验证为一种差错校验码，验证传输过程中是否有误码。

配对信息

data1

key

CRC校验

表1

配对信息

data2

key

CRC校验

表2

请参阅图4所示，其为本发明的解密模块的功能框图，在所述的浮标的信标处理器中设置有一相对应的解密模块，所述解密模块包括一验证模块、一解密管理模块和一逆变换模块，其中验证模块对信息进行CRC校验和配对信息验证。如果接收到的一对消息帧，有一个CRC校验结果错误，则丢弃两个消息帧，解密管理模块向光纤路终端发送请求，等待光纤路终端重传。若校验结果正确，则对消息帧进行配对验证，选取配对信息一致的一对消息帧传递到逆变换模块中进行解码。

所述逆变换模块，首先使用管理模块存储的初始密钥k_known对密钥key解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和解密管理模块存储的初始密钥k_known进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和管理模块存储的初始密钥k_known进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，得到密钥key。

所述逆变换模块，后用密钥key对两个存放data1、data2的消息帧分别解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，逆变换模块得到解密后信息，将解密后信息发送给控制模块。

在所述浮标中的信号收发模块中还设置有调制器和放大器，对反馈信号进行调制和放大，传输至发射天线中。

本发明在舰艇上设置搜索处理器，并在其内计算信号的搜索范围，在确定的范围内对浮标进行搜索，节省了搜索时间并且发送圆形的辐射信号，不依赖于现有的定位网络，保证信号收发的准确性和保密性。仅通过测定操雷落点相对于舰艇的基准角度和距离，即可确定操雷的位置，经纬度等定位信息。

在所述舰艇的处理器和浮标的处理器中分别设置加密和解密模块，保证位置确定的准确性。

本发明还设置一手持显示器，方便操作者及时了解操雷落点信息，对训练结果有直观的观测信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其特征在于，其包括舰艇处理器、信标装置和手持显示器，其中，

所述舰艇处理器设置在打捞艇上，其包括搜索处理器、信号调制器、数据处理模块、信号接收模块和搜索天线，

所述信标装置设置在发射操雷的前端，其包括一浮标；在舰艇发射操雷后，信标装置向所述舰艇处理器发射跟踪信号，所述舰艇处理器获取发射基准，确定搜索信号的发射范围；操雷爆炸后，所述舰艇处理器发射搜索信号，所述浮标感应后向所述舰艇处理器发射反馈信息；所述舰艇处理器接收信号，由所述数据处理模块根据所述浮标的反馈信息，确定操雷落点与基准线的夹角θ和操雷落点距离舰艇的距离r；并将该信息发送至所述手持显示器中进行显示；

所述舰艇处理器的搜索范围计算公式为：

R＝H/tan(φ)*(T_f-T_dl-T_ul-T_TTG-T_RTG)

其中，Tf为所述搜索处理器的物理帧长度,Tdl为所述搜索处理器的下行帧长度，Tul为所述搜索处理器的上行帧长度；TTTG为下行子帧与上行子帧之间的保护时隙，TRTG为上行子帧与下一个帧的下行子帧之间的保护时隙，H为舰艇的基站高度，φ为舰艇的基站天线仰角；

上述搜素范围，在所述舰艇的发射强度越强时，覆盖的范围越大，通过调整信号的发射频率，改变信号覆盖范围；

所述数据处理模块确定操雷落点与基准线OA的夹角θ的公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{sin\frac{1}{2}(\arctan \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\min }}{D}+\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D})}{sin\frac{1}{2}\left(\arctan \frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{D-d}\right)}$

式中，θ为浮标与基准线OA的夹角，Δθ_min为系统允许的最小夹角范围，其由舰艇和操雷决定，θ₂为系统确定的操雷落点与基准线的最大夹角，θ₁为系统确定的操雷落点与基准线的最小夹角，D为操雷落点距离舰艇的最大距离，d为操雷落点距离舰艇的最小距离；

$r=\frac{sin\frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_{\min }+\mathrm{\θ})}{sin\frac{1}{2}\mathrm{\θ}}\mathrm{\λ}f(t_2-t_1)$

式中，r为操雷落点距离舰艇的距离，δ_min为操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值，f为搜索信号的发射频率，λ为搜索信号的发射波长，t₂为舰艇处理器接收到浮标反馈信息的时刻，t₁为舰艇处理器发射搜索信号的时刻。

2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述浮标中包括温度传感器、声呐发生器、信标处理器、信号收发模块，

其中，所述温度传感器在操雷运行时，通过所述信号发射模块将该信息传输至所述舰艇处理器，所述舰艇处理器根据该信号确定操雷的运行基准路线；

所述温度传感器和声呐发生器在浮标落水后，对海水温度和深度进行检测，并反馈至所述信标处理器；

所述信号收发模块，在所述舰艇发出搜索信号时，获取搜索信息并在所述信标处理器中进行解密，所述信标处理器通过所述信号收发模块发送确认信息，经发射天线发射。

3.根据权利要求2所述的模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其特征在于，操雷落点与基准线的夹角的误差补偿值为：

${\mathrm{\δ}}_{\min }=\arctan \frac{{\mathrm{\Δd}}_{\min }}{D}$

式中，Δd_min为系统允许的最小距离范围，D为操雷落点距离舰艇的最大距离。

4.根据权利要求1或2所述的模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其特征在于，

所述搜索处理器中还设置一加密模块，所述加密模块包括一密钥产生模块、一加密管理模块和一变换模块，其中，

密钥产生模块产生一随机密钥key并存储在加密管理模块中，所述变换模块，对消息帧中data1或data2即信息部分和密钥key分别进行移位变换；

所述变换模块，对移位变换后的消息部分和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的消息帧中data1或data2即信息部分；

所述变换模块，对加密管理单元存储的初始密钥K_known和密钥key分别进行移位变换，对移位变换后的加密管理单元存储的初始密钥K_known和密钥部分进行乘积变换，并对所述对上述步骤中乘积变换结果进行移位变换，得到加密后的密钥key。

5.根据权利要求4所述的模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其特征在于，在所述的浮标的信标处理器中设置有一相对应的解密模块，所述解密模块包括一验证模块、一解密管理模块和一逆变换模块，

其中验证模块对信息进行CRC校验和配对信息验证；如果接收到的一对消息帧，有一个CRC校验结果错误，则丢弃两个消息帧，解密管理模块向光纤路终端发送请求，等待光纤路终端重传；若校验结果正确，则对消息帧进行配对验证，选取配对信息一致的一对消息帧传递到逆变换模块中进行解码。

6.根据权利要求5所述的模拟训练舰艇水下发射操雷定位系统，其特征在于，所述逆变换模块，首先使用所述解密管理模块存储的初始密钥k_known对密钥key解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和解密管理模块存储的初始密钥k_known进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和解密管理模块存储的初始密钥k_known进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，得到密钥key；

所述逆变换模块，后用密钥key对两个存放data1、data2的消息帧分别解密，所述逆变换模块，对消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行反移位变换，对移位变换后的消息帧中密钥key和消息帧中的data1、data2进行逆乘积变换，对所述对上述步骤中乘积变换结果进行反移位变换，逆变换模块得到解密后信息，将解密后信息发送给控制模块。