一種使用跟蹤雷達(dá)觀測水柱的聲吶校準(zhǔn)方法

李 元

（中國船舶集團(tuán)有限公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 引言

為了勘探水底/海底地形、防御/打擊水下目標(biāo)，需要使用聲吶作為傳感器感知水底/海底地形，或潛艇、魚雷、蛙人等水下目標(biāo)。常見的聲吶有艦殼/艇殼聲吶、拖曳陣聲吶、航空聲吶、便攜式聲吶、海岸聲吶等等。與艦炮武器系統(tǒng)配備的雷達(dá)或光電相比，聲吶的探測精度嚴(yán)重不足。正常的，聲吶探測精度的度量單位為度（°）［1-2］，雷達(dá)或光電探測精度的度量單位為毫?。╩rad）［3］，二者之間精度相差1～2個(gè)數(shù)量級。與使用雷達(dá)或光電的艦炮武器系統(tǒng)相比，受限于聲吶探測精度較低，水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算的精度一直難以提升，同時(shí)算法收斂時(shí)間較長，進(jìn)而導(dǎo)致各型反潛武器系統(tǒng)和魚雷防御武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間超長，且攔截/命中效果較差［4-5］，作戰(zhàn)能力偏弱。在某些特定情形下，甚至不得不采用面殺傷的方式來部分緩解聲吶無法精確定位來襲目標(biāo)的問題?？梢哉f，聲吶探測精度低已成為反潛武器和魚雷防御武器性能提升的瓶頸，嚴(yán)重制約反潛武器和魚雷防御武器的發(fā)展。

本文方法可以有效降低聲吶的系統(tǒng)偏差，特別是指定海域水文因素帶來的偏差，將聲吶的系統(tǒng)誤差精度由度級降低至毫弧量級，同時(shí)還可以獲取當(dāng)前海域的水中聲速信息。

1 聲吶探測誤差

聲吶探測精度低有多方面原因，如：有效感知水中聲音需要較大尺寸的水聽器陣列，聲吶設(shè)備尺寸太大導(dǎo)致難以為其配置伺服；拖曳陣聲吶是一個(gè)柔性而非剛性設(shè)備；不同時(shí)期不同水域/海域的不同鹽度、溫度、空泡分布帶來水中聲音傳播速度變化及聲道彎曲現(xiàn)象；安裝聲吶的艦船平臺(tái)可能存在微小形變等等。其中，水文因素同時(shí)影響聲吶探測的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，以系統(tǒng)誤差還是隨機(jī)誤差出現(xiàn)，依賴于水文觀測信息的準(zhǔn)確程度和水文對聲吶探測影響模型的準(zhǔn)確性。但在確定時(shí)間確定海域，同一距離方位，兩點(diǎn)間的水文特征對聲吶探測的影響基本恒定，可以納入系統(tǒng)偏差的范疇。

一般通過校準(zhǔn)方式消除主要系統(tǒng)偏差。但傳統(tǒng)的聲吶校準(zhǔn)方法，或?qū)Ｗ⒂趽Q能器靈敏度，或適用于試驗(yàn)室環(huán)境或水池環(huán)境［6-11］，適用于裝艦后真實(shí)海洋環(huán)境的系統(tǒng)偏差校準(zhǔn)方法研究較少。劉千里［12］給出了一種利用本艇和目標(biāo)GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)海洋環(huán)境下的聲吶校準(zhǔn)方法。但該方法受目標(biāo)裝備成本和校準(zhǔn)原理限制，耗時(shí)較長不適用于戰(zhàn)前快速校準(zhǔn)，且距離較近時(shí)受GPS 定位誤差影響，校準(zhǔn)精度較差。

2 利用炮彈入水聲音/水柱的聲吶標(biāo)校方法

一般艦船都裝備艦炮武器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的跟蹤雷達(dá)精度指標(biāo)一般在毫弧量級，遠(yuǎn)高于聲吶的精度指標(biāo)。本文的方法利用艦炮武器系統(tǒng)向預(yù)定方向和距離發(fā)射炮彈，通過跟蹤雷達(dá)觀測炮彈入水時(shí)的水柱獲取高精度的炮彈入水位置，同時(shí)聲吶從水下獲取炮彈入水聲的方位信息，利用高精度跟蹤雷達(dá)對聲吶進(jìn)行校準(zhǔn)。方法流程為：根據(jù)作戰(zhàn)需要確定需要校準(zhǔn)的大致方向和距離，艦炮武器系統(tǒng)向該方位發(fā)射炮彈；雷達(dá)跟蹤炮彈飛行直至入水，觀測到水柱反射信號；記錄觀測到水柱信號時(shí)的艦艏方向、艦船姿態(tài)、位置等信息，同時(shí)獲取艦船航行速度、方向等信息直至聲吶聽到炮彈入水聲音；記錄聲吶聽到炮彈入水聲間時(shí)刻的艦艏方向、艦船姿態(tài)、位置等信息；根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計(jì)算得到本次聲吶測量的角度偏差和水聲平均速度；將角度偏差用于聲吶探測校準(zhǔn)，必要時(shí)多次測量取角度偏差平均值進(jìn)一步提升校準(zhǔn)精度。

2.1 不同時(shí)刻我艦位置變化

艦船在水面/海面上很難實(shí)現(xiàn)絕對靜止。但無論艦船是相對靜止還是自由航行，均不影響本文方法的實(shí)施。在炮彈發(fā)射、跟蹤雷達(dá)探測到水柱、聲吶探測到炮彈入水聲音3 個(gè)時(shí)刻，艦船位置如圖1 所示。本文方法需要獲取跟蹤雷達(dá)探測到水柱時(shí)與聲吶探測到炮彈入水聲音時(shí)，艦船位置的相對位置。具體可通過航程累積或衛(wèi)導(dǎo)定位獲取。特別地，炮彈入水至水柱濺起被跟蹤雷達(dá)探測到之間有一個(gè)小的時(shí)間間隔，約0.23 s。本文中所述的跟蹤雷達(dá)探測到水柱時(shí)刻實(shí)際上指的炮彈入水時(shí)刻。本文所指的跟蹤雷達(dá)探測到的水柱距離、方位，也是修正該時(shí)間間隔期間我艦運(yùn)動(dòng)累積影響及艦體姿態(tài)差異后的入水點(diǎn)距離、方位。

圖1 不同時(shí)刻艦船位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ship position at different times

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

艦船在水中時(shí)刻處于搖擺狀態(tài)，雷達(dá)和聲吶探測目標(biāo)時(shí)，均需要將探測信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，才能得到地理坐標(biāo)系下的絕對坐標(biāo)。甲板坐標(biāo)系與艦船地理坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系如圖2 所示，變換矩陣為

圖2 艦艇地理坐標(biāo)系OXYZ 變換至甲板坐標(biāo)系OdXdYdZdFig.2 The coordination system OXYZ of ship is converted into deck coordinate system OdXdYdZd

傳感器坐標(biāo)系與甲板坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換比較簡單，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為傳感器基線的坐標(biāo)平移。

2.3 聲吶校準(zhǔn)角度偏差計(jì)算

使用本文方法，需要發(fā)射炮彈以產(chǎn)生水柱和入水聲音?？梢栽诳碧阶鲬?zhàn)水域/海域時(shí)，將目標(biāo)可能來襲方向或需實(shí)測水文環(huán)境對聲音影響的方向作為發(fā)射炮彈方向，將目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離或需要摸底海域水文區(qū)域大小作為入水點(diǎn)距離。該距離不能超過艦船上的艦炮射程，一般設(shè)定在1 km～25 km。

記跟蹤雷達(dá)觀測到水柱的時(shí)刻為t0，該時(shí)刻艦船的艦艏方向P0、縱搖角ψ0、模搖角θ0、水柱方位Q0、水柱距離D0。從t0時(shí)刻開始，記錄艦船的運(yùn)動(dòng)軌跡，即，船體行進(jìn)方向Cship（t）和行進(jìn)速度Vship（t），直至聲吶探測到炮彈入水聲音時(shí)刻t1。記錄t1時(shí)刻艦船的艦艏方向P1、縱搖角ψ1、模搖角θ1，以及聲吶探測到的炮彈入水點(diǎn)方位角為Q1。其中，Q0、D0為跟蹤雷達(dá)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，Q1為聲吶坐標(biāo)系數(shù)據(jù)。

記在跟蹤雷達(dá)和聲吶在艦船上的基線分別為（xradar，yradar，hradar）、（xsadar，ysadar，hsadar）。

則到t1時(shí)刻炮彈入水點(diǎn)在聲吶坐標(biāo)系中的位置為

式中的航程累積部分也可由t0時(shí)刻、t1時(shí)刻衛(wèi)導(dǎo)定位的艦船地理系位置（xship，0，yship，0，hship，0）、（xship，1，yship，1，hship，1）來代替。即

進(jìn)而得到此次測量的角度偏差（校準(zhǔn)角度）：

3 傳感器誤差等對校準(zhǔn)方法的影響

本文的校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)精度受跟蹤雷達(dá)的距離、角度測量精度，慣導(dǎo)的航向、搖擺測量精度，衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度，以及跟蹤雷達(dá)、待校聲吶的基線測量/安裝精度的影響。記t0時(shí)刻，跟蹤雷達(dá)的距離測量誤差為ΔD0、跟蹤角度誤差為ΔQ0，慣導(dǎo)的航向誤差為ΔP0、縱搖誤差為Δψ0、橫搖誤差為Δθ0，衛(wèi)星導(dǎo)航的定位誤差（地理系）為（Δxship，0，Δyship，0，Δhship，0）；t1時(shí)刻，慣導(dǎo)的航向誤差為ΔP1、縱搖誤差為Δψ1、橫搖誤差為Δθ1，衛(wèi)星導(dǎo)航的定位誤差（地理系）為（Δxship，1，Δyship，1，Δhship，1）；以及跟蹤雷達(dá)基線誤差（甲板系）為（Δxradar，Δyradar，Δhradar）、待校聲吶基線誤差（甲板系）為（Δxsadar，Δysadar，Δhsadar）。則實(shí)際得到的聲吶測量角度為

其中，

4 仿真分析

假設(shè)跟蹤雷達(dá)距離精度指標(biāo)（1σ，下同）為2 m，角度精度為1 mrad；衛(wèi)導(dǎo)的定位精度為0.3 mrad；慣導(dǎo)的艏向精度為1 mrad，搖擺測姿精度為0.5mrad。計(jì)算t0時(shí)刻、t1時(shí)刻時(shí)間差時(shí)，海水聲速取值1 500 m/s。艦船的縱橫搖角在［-10°，10°］中隨機(jī)選取。

4.1 一次測量與多次測量平均的校準(zhǔn)效果比較

分別模擬艦船向約5 km、10 km 遠(yuǎn)發(fā)射炮彈，在此期間艦船以［0 kn，30 kn］的速度隨機(jī)向四周以勻速直線方式行駛。對5 km、10 km 各模擬10 000 次。統(tǒng)計(jì)一次測量校準(zhǔn)偏差，以及多次測量取平均后的校準(zhǔn)偏差情況，結(jié)果包括圖3、圖4 所示。

圖3 入水點(diǎn)的校準(zhǔn)偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)（5 km）Fig.3 Calibration deviation result statistics with entry point of（5 km）

圖4 入水點(diǎn)的校準(zhǔn)偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)（10 km）Fig.4 Calibration deviation result statistics with entry point of（10 km）

從圖可以看出，一次校準(zhǔn)（發(fā)射一次炮彈）的精度已達(dá)到毫弧量級（均方根1.619，最大偏離6.602），且外在因素帶來偏差均值0.045 可忽略不計(jì)。與當(dāng)前的聲吶指標(biāo)相比，精度提升1～2 個(gè)數(shù)量級。如多次校準(zhǔn)（發(fā)射多發(fā)炮彈）取平均，可進(jìn)一步提升校準(zhǔn)的精度。校準(zhǔn)次數(shù)越多，精度越高。其中，兩次校準(zhǔn)取平均帶來的精度提升最明顯，效益最大。

4.2 入水點(diǎn)距離對校準(zhǔn)效果的影響分析

仿真模擬對［0.1 km，20 km］不同距離方法的校準(zhǔn)偏差情況，各個(gè)距離分別模擬10 000 次，分別統(tǒng)計(jì)一次測量和兩次測量取平均的校準(zhǔn)偏差情況，結(jié)果見下頁圖5、圖6。從圖中可以看出，200 m 時(shí)校準(zhǔn)偏差已低至2 mrad（1 σ）左右，方法已有很好的校準(zhǔn)精度。水柱在1 km 之外，距離帶來的精度提升已經(jīng)微乎其微。具體向多遠(yuǎn)距離發(fā)射炮彈校準(zhǔn)聲吶，可結(jié)合校準(zhǔn)時(shí)間限制（遠(yuǎn)距離時(shí)炮彈飛行時(shí)間略長）和水域范圍綜合確定。

圖5 不同距離一次測量的校準(zhǔn)偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.5 Once measured calibration deviation result statistics at different ranges

圖6 不同距離兩次測量取平均的校準(zhǔn)偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.6 Averaged calibration deviation result statistics measured twice at calibration deviation result statistics

4.3 航速、航向?qū)π?zhǔn)效果的影響分析

從校準(zhǔn)方法精度（校準(zhǔn)偏差）計(jì)算公式可以看出，方法不受艦船靜止或運(yùn)動(dòng)，以及不同運(yùn)動(dòng)模式的影響。仿真試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)果，在此不贅述。

5 結(jié)論

本文提供一種使用跟蹤雷達(dá)觀測水柱輔助聲吶校準(zhǔn)方法，利用了艦炮武器系統(tǒng)，通過向擬校準(zhǔn)區(qū)域發(fā)射炮彈，跟蹤雷達(dá)跟蹤炮彈飛行至入水雷達(dá)觀測到水柱信號，聲吶從水下探測炮彈入水聲音，根據(jù)不同時(shí)刻艦船的位置姿態(tài)等信息，跟蹤雷達(dá)測量信息轉(zhuǎn)換為其他時(shí)刻聲吶位置的理論探測角度等流程，得到聲吶的校準(zhǔn)偏差。仿真結(jié)果表明，通過本文提供的校準(zhǔn)方法，聲吶系統(tǒng)偏差由度級降低至毫弧級，大幅降低了聲吶安裝、船體形變、水文環(huán)境等因素對聲吶探測基準(zhǔn)的影響。

同時(shí)，該方法充分利用了艦船自身裝備，無需其他場地或設(shè)備輔助，對標(biāo)校的時(shí)間、地點(diǎn)，以及艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等無特殊要求，具有方便、快捷、成本低等特點(diǎn)，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。