一種船載水聲定位系統(tǒng)標(biāo)定方法研究

劉百峰，羅 坤

(中國(guó)人民解放軍91388 部隊(duì)，廣東 湛江524022)

0 引 言

隨著水下跟蹤系統(tǒng)的迅速發(fā)展，水聲定位系統(tǒng)的定位精度越來越受到人們的關(guān)注。但是由于海中基準(zhǔn)點(diǎn)的建立一直比較困難，因而一直以來都是沿用理論分析精度，尚無有效的測(cè)試手段及相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)通過試驗(yàn)來測(cè)試標(biāo)定其實(shí)際定位精度［1］。據(jù)此本文設(shè)計(jì)一種以試驗(yàn)船作為載體，在船上剛性安裝一個(gè)水聲換能器作為標(biāo)校系統(tǒng)的海上基準(zhǔn)點(diǎn)，水聲換能器發(fā)射與被標(biāo)校系統(tǒng)信號(hào)體制相同的水聲信號(hào)，被標(biāo)校的水聲定位系統(tǒng)通過接收水聲信號(hào)對(duì)海上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行定位，或者測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)標(biāo)校系統(tǒng)根據(jù)自身的GPS 及方位姿態(tài)儀同步解算出海上基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡，同被標(biāo)校的水聲定位系統(tǒng)的定位軌跡進(jìn)行對(duì)比，即可對(duì)水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校。也可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，分析系統(tǒng)的定位精度［2］。

1 船載式標(biāo)校系統(tǒng)平臺(tái)

利用船體作為平臺(tái)，對(duì)硬件安裝要求很高，由于船體抗風(fēng)浪的能力比較強(qiáng)，使得船載式標(biāo)校系統(tǒng)能適應(yīng)較為惡劣的海況;船載式標(biāo)校系統(tǒng)模型如圖1所示，合作信標(biāo)安裝在升降桿裝置的圓柱桿頂端，工作時(shí)圓柱桿能穿過閘閥伸到船底以下某一深度位置，船上安裝差分GPS 接收設(shè)備和方位姿態(tài)儀。用星站式高精度動(dòng)態(tài)差分GPS和航向姿態(tài)測(cè)量傳感器及深度傳感器可精確標(biāo)定作為模擬信標(biāo)的發(fā)射換能器的大地位置坐標(biāo)，從而為水聲跟蹤定位裝備提供精確的目標(biāo)聲源位置［3］。GPS 天線安裝在離升降機(jī)構(gòu)水平距離最近的地方，這樣可減小由于航向測(cè)量精度帶來的基準(zhǔn)位置的偏差。通過測(cè)量得到合作信標(biāo)的安裝點(diǎn)與DGPS 定位天線安裝點(diǎn)的相對(duì)位置［4］。通過深度傳感器可知道合作信標(biāo)的布放深度，于是可以精確確定合作信標(biāo)的大地位置。

圖1 系統(tǒng)在船上的安裝示意圖Fig.1 The sketch map of system fix on the ship

對(duì)此，建立3個(gè)坐標(biāo)系即可求出合作信標(biāo)的大地坐標(biāo)，船上GPS 天線高斯坐標(biāo)(X0，Y0，Z0);船體縱搖角α(船頭向下為正)，橫搖角β (船右舷向下為正)，航向角θ (與正北方向夾角，北偏東為正)［5］。

1)首先進(jìn)行坐標(biāo)系①到②的轉(zhuǎn)換

圖2 坐標(biāo)系①、②轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 The sketch map of coordinate ①to ②

表1 坐標(biāo)系①、②坐標(biāo)軸間夾角Tab.1 The angle between the coordinate system ①、②and axes

于是得到O′Z′=l·cosβ·cosα，Z′A=l·cosβ·sinα。

所以Z′ 軸與ˉZ 軸夾角arccos(cosα·cosβ)。

由表1 得到

得到坐標(biāo)系①到②轉(zhuǎn)換公式

2)坐標(biāo)系②到③的轉(zhuǎn)換

如圖4 可得坐標(biāo)系②、③轉(zhuǎn)換公式

圖4 坐標(biāo)系②到③的轉(zhuǎn)換Fig.4 The sketch map of coordinate ②to ③

2 結(jié)果分析

在南海某海域?qū)δ承蛯?dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行精度標(biāo)定試驗(yàn)，海底布放4個(gè)應(yīng)答器，成矩形陣，相鄰應(yīng)答器間距離為3 500 m，深度為40 m 左右，目標(biāo)船以小于4 kn 航速在陣中航行，發(fā)射聲信號(hào)重復(fù)周期5 s，利用長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)模擬目標(biāo)船進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)和模擬目標(biāo)的真實(shí)GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖5 某型系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)船導(dǎo)航定位軌跡Fig.5 The sketch map of compass measure direction error

根據(jù)前文所述方法由式(2)得到目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間序列(xk，yk)，按照對(duì)應(yīng)時(shí)間關(guān)系分別減去某型定位系統(tǒng)測(cè)量軌跡的時(shí)間序列(x′k，y′k)，得到定位系統(tǒng)的測(cè)量誤差［7］，通過對(duì)各區(qū)域的測(cè)量誤差進(jìn)行分析，就可以認(rèn)為考核出某型水聲定位系統(tǒng)的近似精度值。利用某型目標(biāo)導(dǎo)航軟件解進(jìn)行修正精度，對(duì)于系統(tǒng)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航的真實(shí)性具有重要意義［8］。

從表2的精度結(jié)果數(shù)據(jù)可以直接看出該型系統(tǒng)在陣型內(nèi)外不同區(qū)域的定位精度，在陣內(nèi)時(shí)平均值(1～10)點(diǎn)大約為8.3 m，而陣外精度大于20 m，為系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度提供有力證明，增強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。同時(shí)，針對(duì)在不同區(qū)域時(shí)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，可以對(duì)試驗(yàn)所需的最佳陣型和航路提供可靠參考和優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 某型水聲定位系統(tǒng)各區(qū)域精度結(jié)果Tab.2 The result of simulate platform measure direction error

3 結(jié) 語

利用船載式標(biāo)校時(shí)，由于船載升降機(jī)構(gòu)限制，發(fā)射聲源只能布放在離海面10 m 以內(nèi)的地點(diǎn)，同時(shí)船體經(jīng)過多年航行，導(dǎo)致船體尺寸無法準(zhǔn)確測(cè)量，就導(dǎo)致高精度動(dòng)態(tài)差分GPS和航向姿態(tài)測(cè)量傳感器的安裝有很大偏差，從而影響到系統(tǒng)的標(biāo)校效果。

［1］RAUREL.Long base-line acoustic tracking/positioning system.

［2］張寶成，魏新華，徐雪仙.水聲跟蹤系統(tǒng)時(shí)差法定位原理及誤差分析［J］.水聲通訊，1987，1.

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