艦船電場傳感器水下定位方法

張海鵬，　趙詩玥，　程崢華

(1. 海軍潛艇學(xué)院 動力操縱系， 山東 青島 266042；　2. 海軍裝備研究院， 北京 100161；　3. 92730部隊)

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艦船電場傳感器水下定位方法

張海鵬1，2，趙詩玥2，程崢華3

(1. 海軍潛艇學(xué)院 動力操縱系， 山東 青島 266042；2. 海軍裝備研究院， 北京 100161；3. 92730部隊)

為提高船舶電場傳感器在水下測量電場時的定位與姿態(tài)測量精度，設(shè)計了艦船電場傳感器新型水下姿態(tài)位置測量裝置，提出了利用該裝置測量艦船電場傳感器水下姿態(tài)位置的方法，并研究了水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)處理方法和位置、姿態(tài)計算方法。通過對水下姿態(tài)位置測量裝置的測量誤差分析，所設(shè)計的測量方法位置精度可控制在1m之內(nèi)，是一種有效的船舶電場傳感器水下定位與姿態(tài)測量方法。

水下定位；姿態(tài)測量；電場；傳感器

隨著降噪技術(shù)和消磁技術(shù)的快速發(fā)展，艦船已變得越來越安靜，為探測噪聲已降的很低的艦船，需要尋找新的可被遠程探測的艦艇特征信號。艦船電場作為艦船探測技術(shù)關(guān)注的一種顯著的新型艦船特征信號，容易被用來對艦船進行探測、跟蹤、定位和打擊[1]。俄、美、英和加拿大等發(fā)達國家已在艦船電場研究領(lǐng)域取得了相當(dāng)?shù)某删?，蘇聯(lián)可利用電場搜索水下沉底目標(biāo)[2]，北約國家裝備電場傳感器測量電場，加拿大海軍對許多電場特征信號進行了測量[3]。西方國家已有了電場掃雷具，瑞典和美國聯(lián)合研制了水下電勢裝置[4]。澳大利亞研制的掃雷系統(tǒng)可精確模擬目標(biāo)艦船電磁場[5]。為填補技術(shù)空白，近年來我國積極參與了電場測量領(lǐng)域的研究。分析可知影響目前水下測量精度的因素主要有2個：(1) 在海流、海浪、布放船顛簸等影響下，很難確定電場傳感器落點的準(zhǔn)確位置；(2) 如果海底不平坦，會嚴(yán)重影響電矢量方向的確定。因此，我國船舶電場傳感器在水下測量電場時的定位與姿態(tài)測量數(shù)據(jù)誤差非常大，遠遠不能滿足目前研究需要，成為阻礙我國船舶水下電場研究的一個瓶頸，亟待解決。

1　水下姿態(tài)位置測量裝置與方法

1.1水下姿態(tài)位置測量裝置設(shè)計

針對影響水下測量精度的兩大因素，提出船舶電場防護中電場傳感器姿態(tài)位置測量方法。用于測量艦船電場的電場傳感器位于一個由3根支桿相互正交形成的支架上。測量裝置與電場傳感器所處的支架固連，從而保證電場傳感器與測量裝置之間的位置相對固定，如圖1所示。

圖1　水下姿態(tài)位置測量裝置示意圖

測量裝置采用如下方法設(shè)計：選取一個由3根相互正交的支桿組成的支架，該支架形成三維正交坐標(biāo)系，即形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系Oxyz；在每一坐標(biāo)軸正方向的支架上設(shè)置一個加速度計，且每個加速度計敏感軸與其所處的坐標(biāo)軸重合；在每個坐標(biāo)軸正方向的支架上固連一個陀螺儀，且每個陀螺儀敏感軸與其所固連的坐標(biāo)軸平行。

在實驗室測量出各傳感器的安裝夾角，確定出電場傳感器與測量裝置的相對姿態(tài)和位置，如圖1中虛線所示。因此當(dāng)獲取了測量裝置的位置與姿態(tài)時，便可以唯一確定船舶電場傳感器的位置與姿態(tài)。

1.2水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)的測量方法研究

如圖2所示，根據(jù)水下姿態(tài)位置測量裝置的設(shè)計特點，研究提出本裝置測量方法：

1) 將所述測量裝置置于水中，并在預(yù)設(shè)的t時間內(nèi)保持不動；

2) 利用測量船、繩纜等工具迅速回收本測量裝置，盡量在2min之內(nèi)將本裝置拉出水面；

3) 在測量裝置拉出水面時，立即將載波相位差分GPS定位裝置安裝在本測量裝置的某個確定位置上。

圖2　測量裝置出水路徑示意圖

本裝置預(yù)設(shè)的時間t為10min以上，該裝置保持靜止不動10min后，即可保證姿態(tài)測量精度優(yōu)于0.005°。若保持靜止時間更長，則姿態(tài)測量精度更高。

1.3水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)處理方法研究

1.3.1初始姿態(tài)計算方法分析

姿態(tài)計算時，參考捷聯(lián)慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的粗對準(zhǔn)技術(shù)，一般即可得出滿足精度的初始姿態(tài)。數(shù)據(jù)處理時，利用2個水平加速度計測量重力加速度在坐標(biāo)軸Ox和Oy上的分量，從而確定坐標(biāo)系的Oxy平面與大地坐標(biāo)系的夾角；利用陀螺儀測量地球自轉(zhuǎn)角速度確定該坐標(biāo)系(導(dǎo)航坐標(biāo)系)與地球北向的夾角。如果粗對準(zhǔn)精度不能滿足要求，可以采用精對準(zhǔn)技術(shù)[6]，利用卡爾曼濾波技術(shù)，提高姿態(tài)矩陣的精度。

1.3.2位置計算方法分析

位置計算時，基于GPS定位裝置生成的表示測量裝置位置的GPS數(shù)據(jù)，對陀螺儀和加速度計輸出數(shù)據(jù)的運算結(jié)果進行逆運算，獲取船舶電場傳感器的位置，其中逆運算在后面給出了詳細的運算步驟。

數(shù)據(jù)處理時，在坐標(biāo)系Oxyz中設(shè)本測量裝置在水下布放的位置為(0,0,0)點，當(dāng)初始對準(zhǔn)完成后，即可知道本測量裝置在水下布放的姿態(tài)。當(dāng)測量任務(wù)完成后，在本裝置回收過程中，利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，可以解算出其運動軌跡上任意點在坐標(biāo)系Oxyz中的位置，并最終解算出本裝置出水后、GPS安裝完畢時本裝置在坐標(biāo)系Oxyz的位置(x,y,z)。此時解算的位置均相對于參考點為本測量裝置在水下布放的位置點(即坐標(biāo)系原點(0,0,0))的位置。同時，當(dāng)本裝置出水后，GPS可以給出本裝置在大地坐標(biāo)系中的精確位置(xd,yd,zd)，其誤差在厘米級。利用本裝置在大地坐標(biāo)系中的位置(xd,yd,zd)與GPS放置完畢時計算出的位置(x,y,z)進行比較，逆運算反推出本裝置回收過程中其運動軌跡上任意點在大地坐標(biāo)系中的位置，也可以反推出本測量裝置布放在水下保持靜止?fàn)顟B(tài)時在大地坐標(biāo)系中的位置。

圖3　逆運算流程示意圖

1.3.3逆運算方法分析

在位置計算時，需要用逆運算反推出本裝置回收過程中的運動軌跡。逆運算過程參考捷聯(lián)導(dǎo)航運算方法[7]，流程如圖3所示。

1) 將測量裝置在水下布放的位置設(shè)為位置原點(0，0，0)，將姿態(tài)計算結(jié)果作為初始姿態(tài)和方位角，得出捷聯(lián)解算的初始姿態(tài)矩陣。

2) 根據(jù)測量裝置拉出水面過程中陀螺儀和加速度計生成的數(shù)據(jù)，計算出測量裝置拉出水面并安裝完畢GPS時，測量裝置相對于原點的位置(x,y,z)。

3) 將GPS測量的本測量裝置相對于大地的位置(xd,yd,zd)與本測量裝置相對于坐標(biāo)系(Oxyz)的位置(x,y,z)進行比較，獲取位置差(Δx，Δy，Δz)，所述位置差即為測量裝置在水下布放的相對于大地坐標(biāo)系的位置，繼而根據(jù)該位置獲取船舶電場傳感器的位置。

2　水下姿態(tài)位置測量裝置的誤差分析

假設(shè)本裝置選用的石英加速度計精度為30μg，初始對準(zhǔn)10min，選用U50型激光陀螺儀(精度為0.01°/h)，載波相位差分GPS誤差為2cm，回收本裝置時間為2min。

慣性導(dǎo)航誤差的經(jīng)驗公式[8]為

分析該公式可知，Δs受時間t的影響很大。時間t越短，誤差Δs越小，應(yīng)用本測量方法得出的位置精度越高；反之，時間t越長，誤差Δs越大，應(yīng)用本測量方法得出的位置精度越低。

一般的，加速度計精度為30μg，初始對準(zhǔn)10min后，初始對準(zhǔn)姿態(tài)誤差為0.005°，則導(dǎo)航誤差為

Δs=0.005×20+(30×10-6×1202)/2+

(0.01/(3 600)×1203)/6≈1 m

如果要提高測量精度，需減小本裝置開始運動到出水的時間，若能控制在1 min內(nèi)，則導(dǎo)航誤差為

Δs=0.005×20+(30×10-6×602)/2+

(0.01/(3 600)×603)/6=0.254m

3　結(jié) 束 語

本文提出的測量艦船電場傳感器水下姿態(tài)位置新方法，能夠準(zhǔn)確地確定電場傳感器系統(tǒng)在水下的位置和姿態(tài)，從而為校正測得的電場方向和確定測得的電場位置提供依據(jù)，其位置測量精度可控制在1m之內(nèi)，是一種船舶電場傳感器水下定位與姿態(tài)測量的有效方法。

References)

[1]林春生, 龔沈光.艦船物理場[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社, 2007:233-256.

[2]楊國義.艦船水下電磁場國外研究現(xiàn)狀[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011(12):138-141.

[3]鄭軍林，吳宏，楊東升.艦船電場研究概況[J].艦船工程研究，2007(2):24-27.

[4]劉進.瑞典和美國聯(lián)合研制掃雷艇[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，1996(2):8-11.

[5]夏立新. 輕型多感應(yīng)掃雷系統(tǒng)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，2001 (3):12-13.

[6]高偉,奔粵陽. 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對準(zhǔn)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：65-72.

[7]劉危.基于MEMS的低成本MIMU的應(yīng)用研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008:45-48.

[8]吳俊偉,曾啟明,聶莉娟.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差估計[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2002(6):1-5.

(編輯：李江濤)

MethodofUnderwaterPositioningofElectricFieldSensorforShip

ZHANGHaipeng1,2，ZHAOShiyue2，CHENGZhenghua3

(1.DepartmentofDynamicsControl,NavySubmarineAcademy，QingdaoShandong266042，China；2.NavyEquipmentResearchInstitute，Beijing100161，China；3. 92730Troops，China)

Toimproveprecisionofunderwaterpositioningandattitudedeterminationofelectricfieldsensoroftheship,thepaperdesignsanewmeasuringdevice,proposesmeasuringmethodwithsuchdeviceforunderwaterpositioningandattitudedetermination.Then,thepaperdiscussesdataprocessingmethodandpositionandattitudecomputationmethod.Throughanalysisonmeasurementerrorofthisdevice,thepaperdesignsapositionmeasuringmethodwithprecisionwithin1masaneffectivemethodofunderwaterpositioningandattitudedeterminationofelectricfieldsensor.

underwaterpositioning;attitudedetermination;electricfield;sensor

2015-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(51377169)

張海鵬(1977-)，男，講師，博士，主要研究方向為精密儀器及機械。fdrk01@163.com

TM154.2

2095-3828(2016)04-0093-03

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.019