一種UUV水下航速測(cè)試方法

楊 松

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

水下航速是UUV 水中航行性能的重要參數(shù)。UUV 在水中航行時(shí)，沒有校準(zhǔn)自身位置的參照物，從某個(gè)確定的位置點(diǎn)出發(fā)后，在水下航行就要靠航速、航向做出其軌跡圖，確定自己的位置。只有UUV的水下航速具備較高精度，才能在長時(shí)間的水下運(yùn)動(dòng)過程中不迷失自己的位置，不會(huì)誤闖危險(xiǎn)海域。

本文介紹一種工程實(shí)踐中簡易可行、可直接測(cè)試UUV水下航行的測(cè)試方法。該方法已經(jīng)過多次測(cè)試，均取得了較好的測(cè)試效果。

1 基本方法

在海中任意位置布置1 枚測(cè)試聲標(biāo)，發(fā)射周期性導(dǎo)航脈沖信號(hào)，在UUV 上配備對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收裝置，通過聲吶接收信號(hào)，利用測(cè)量單個(gè)聲信號(hào)傳播時(shí)間并參照水中聲速兩者之間的聲程，即為距離。

如圖1所示。測(cè)試信標(biāo)位于海底固定位置，在m1，m2，m3……等時(shí)刻依次發(fā)射聲信號(hào)，水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試聲標(biāo)定深勻速直航，于行進(jìn)過程中分別在n1，n2，n3……等時(shí)刻接收到對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)。任取其中2 次聲信號(hào)接收的數(shù)據(jù)，即可算出水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。如圖2所示假設(shè)海區(qū)平均聲速為c，水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與測(cè)試聲標(biāo)的深度差為h，則水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度為:

圖1 基本方法中的機(jī)動(dòng)方法示意圖Fig.1 Sketch map of motorization method

圖2 基本方法中的計(jì)算示意圖Fig.2 Sketch map of calculation method

2 基本方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及精度分析

2.1 計(jì)算因子的測(cè)量

從式(1)可知，速度解算時(shí)需要平均聲速c，深度差h，聲信號(hào)傳播時(shí)間ni－mi，航行時(shí)間ni+1－ni。

平均聲速按經(jīng)驗(yàn)公式代入實(shí)測(cè)的溫度、深度數(shù)據(jù)計(jì)算得到。深度差由實(shí)測(cè)的海區(qū)深度、目標(biāo)航行深度、聲標(biāo)深度決定。

聲信號(hào)傳播時(shí)間、水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航行時(shí)間都由配置在UUV 上的接收機(jī)提供。測(cè)試聲標(biāo)和接收機(jī)在工作前，均通過GPS 設(shè)置初始時(shí)刻，完成時(shí)間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使得接收機(jī)保存有測(cè)試聲標(biāo)每次發(fā)出聲信號(hào)的時(shí)刻值，當(dāng)接收機(jī)收到信號(hào)時(shí)，與保存的信號(hào)發(fā)射時(shí)刻比較，得出信號(hào)的傳播時(shí)間。水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航行時(shí)間為接收機(jī)分別接收到2個(gè)信號(hào)的時(shí)間差值。

2.2 測(cè)試精度分析

依次分析參與計(jì)算的測(cè)量因子所引入的測(cè)量誤差及對(duì)速度計(jì)算結(jié)果的影響程度。

假定UUV 在某區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，UUV與聲標(biāo)深度差為35 m，航速約10 kn，用20 s的時(shí)間從距離600 m 處接近到500 m，并接收到信號(hào)。

深度測(cè)量。依據(jù)市面上的溫深儀參數(shù)，在數(shù)百米的深度量程范圍內(nèi)精度優(yōu)于千分之一，也就是深度測(cè)試誤差小于1 m 可輕松實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式(1)，在上述條件下1 m的深度誤差對(duì)速度的影響量為:

可見，根據(jù)這種方法，只要距離值遠(yuǎn)大于深度值，深度誤差的影響很小，可忽略。當(dāng)距離遠(yuǎn)大于深度值時(shí)，式(1)可化簡為

從式(2)可以看出，速度近似為對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)距離差與時(shí)間差的比值。

平均聲速裝訂、選擇水文條件良好、海區(qū)溫度平穩(wěn)的測(cè)試條件，利用測(cè)得的溫深曲線裝訂平均聲速，并用于距離計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所引入的測(cè)距誤差可小于千分之一。

時(shí)間測(cè)量。目前水聲信號(hào)檢查的技術(shù)基本成熟，檢查能力高。計(jì)時(shí)單元采用高精度的石英晶體，每次測(cè)試前重新調(diào)整狀態(tài)，僅在測(cè)試過程中會(huì)形成時(shí)間累積誤差。以3 天的工作時(shí)間計(jì)算，對(duì)于精度為10-9的晶體時(shí)間累積誤差3 天后達(dá)到最大，為0.259 2 ms，所引入的測(cè)距誤差為0.39 m。對(duì)照式(2)，其影響也有限。

通過以上分析，依據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平可實(shí)現(xiàn)水下航速的高精度測(cè)試。

3 適宜工程應(yīng)用的測(cè)試方法

在實(shí)際測(cè)試中存在許多工程應(yīng)用問題，如水域海流對(duì)航速的影響，測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境隨機(jī)因素的干擾，根據(jù)該方法是否方便可行，如何判斷測(cè)試是否有效等。因此，需要對(duì)上述基本方法進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

完善后的測(cè)試方法及UUV的機(jī)動(dòng)方式如圖3所示。在海底布放2 枚頻率不同的聲標(biāo)，聲標(biāo)連線與平潮時(shí)的流速方向一致，聲標(biāo)之間的連線作為測(cè)試段，進(jìn)入測(cè)試段前的一段作為預(yù)備段。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)布置及目標(biāo)機(jī)動(dòng)方式示意圖Fig.3 Sketch map of system setting and motorization method

UUV 連續(xù)進(jìn)行3個(gè)趟次的航行，依次為順流、逆流、順流或者是逆流、順流、逆流的形式。機(jī)動(dòng)方式的平面投影圖如圖4所示。因?yàn)橐谕?個(gè)航向上均進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試段兩端都存在預(yù)備段，測(cè)試時(shí)以按較遠(yuǎn)的聲標(biāo)作為測(cè)試聲標(biāo)，近處的聲標(biāo)作為導(dǎo)航聲標(biāo)，輔助引導(dǎo)UUV 就位。在預(yù)備段，要求2個(gè)聲標(biāo)的信號(hào)在同一個(gè)波束內(nèi)且角度為0。下面對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行補(bǔ)充描述。

3.1 靜水對(duì)地速度的測(cè)試

在絕大多數(shù)情況下，測(cè)試海域中存在海流或潮汐，測(cè)得的航速值包含了海流的影響，而非單純地由目標(biāo)速度(靜水對(duì)地速度)。

圖4 機(jī)動(dòng)軌跡投影平面示意圖Fig.4 Projection of motorization track

若要獲取靜水對(duì)地速度，可在測(cè)試選擇海流較小區(qū)域，避開漲潮落潮等海流變化較大的時(shí)刻，并采用往復(fù)航行、重復(fù)航跡的實(shí)施方法。令UUV 在測(cè)試段連續(xù)往返3 趟，計(jì)算3個(gè)趟次的平均速度。利用這種方法，在海流慢速變化的海域中，基本可以消除海流對(duì)速度測(cè)試造成的影響。

式中:v1，v2，v3分別為3 趟次測(cè)得的速度值。

如在第1 趟次時(shí)，海流等環(huán)境因素對(duì)速度影響量為v。在第2 趟次反向航行時(shí)，海流流速變化了a，則影響量為－(v + a)。在第3 趟次時(shí)，間隔時(shí)間相同，則海流變化量為2a，對(duì)速度的影響為(v +2a)。則按上式平均后，理論上影響量為0。

3.2 UUV的操作

UUV 必須在進(jìn)入測(cè)試段前調(diào)整好航行狀態(tài)，以保證測(cè)試段內(nèi)的勻速直航狀態(tài)，如圖5所示。在UUV就位的后期，在預(yù)備段，應(yīng)達(dá)到航向、航速穩(wěn)定。

圖5 UUV 就位示意圖Fig.5 Sketch map of UUV perch

提供2 枚頻率不同的聲標(biāo)進(jìn)行引導(dǎo)，可使UUV準(zhǔn)確快速完成就位。當(dāng)UUV 從就位區(qū)出發(fā)接收2個(gè)聲標(biāo)的信號(hào)時(shí)，即可根據(jù)2個(gè)聲標(biāo)的舷角推導(dǎo)出UUV相對(duì)于測(cè)試段的方位，引導(dǎo)UUV 準(zhǔn)確就位。當(dāng)UUV進(jìn)入預(yù)備段后應(yīng)使接收到的2個(gè)聲標(biāo)信號(hào)均位于水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)正前方，并在進(jìn)入測(cè)試段后把定航向、航速，不再改變。為保證航跡重復(fù)的程度，提高海流抵消的效果，要求UUV 盡量從2 枚聲標(biāo)正上方通過。由于水下航行時(shí)沒有其他參照物，若UUV 未按要求在進(jìn)入測(cè)試段前調(diào)整好航向、航速，就會(huì)出現(xiàn)偏離測(cè)試段的現(xiàn)象。試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)測(cè)的聲標(biāo)與UUV 航跡的正橫距離(即接收到的最小距離)推斷本航次UUV的質(zhì)量，確定本航次的有效性。經(jīng)過試驗(yàn)證明，該操作較易實(shí)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)方式切實(shí)可行。

3.3 試驗(yàn)中環(huán)境誤差的消除

水下航速測(cè)試屬于動(dòng)態(tài)測(cè)試，每個(gè)測(cè)量對(duì)應(yīng)的UUV 姿態(tài)、環(huán)境作用都有所不同，僅在統(tǒng)計(jì)意義上存在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境條件?？蓪⒃摐y(cè)試視為一種隨機(jī)平穩(wěn)過程。通過多個(gè)時(shí)間上獲得的數(shù)據(jù)平均降低環(huán)境誤差的影響。因此，在試驗(yàn)中需要保證有足夠的數(shù)據(jù)量，根據(jù)航速的不同，可選取1.5～2 n mile的長度作為測(cè)試段。式(1)即變化為:

4 結(jié) 語

本文測(cè)試方法是一種UUV水下航速的直接測(cè)試，測(cè)試方法簡捷直觀，測(cè)試結(jié)果可信。在應(yīng)用方面，測(cè)試獲得的當(dāng)趟測(cè)試速度可與同時(shí)段其他測(cè)試手段的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，利用趟次平均獲得的靜水對(duì)地速度可與經(jīng)過同樣處理的其他測(cè)試手段的數(shù)值測(cè)速值比較。

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