張?jiān)? 李保平 楊裕浩 王斌

【摘 要】研究基于非同步水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的潛艇水下定位誤差修正方法。在建立NSAPS模型和INS模型的基礎(chǔ)上，先后設(shè)計(jì)了INS/NSAPS卡爾曼濾波方法，分析仿真結(jié)果表明，INS/NSAPS濾波器將顯著提高系統(tǒng)的精度。

【關(guān)鍵詞】組合導(dǎo)航系統(tǒng)；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）；非同步水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）

【中圖分類(lèi)號(hào)】U666.12 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0075-02

0 引言

潛艇的高精度導(dǎo)航定位能力影響到潛艇的整體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平[1]，其導(dǎo)航系統(tǒng)具有保證潛艇水下安全航行，向武器子系統(tǒng)提供潛艇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，初始化導(dǎo)彈的位置、速度和姿態(tài)，使導(dǎo)彈子系統(tǒng)正確豎立和對(duì)準(zhǔn)等作用。所以潛艇的高精度定位關(guān)系到潛艇的生命力、航行控制能力、武器投放精度等性能，始終是航海導(dǎo)航領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

潛艇高精度導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)組合導(dǎo)航系統(tǒng)完成，常規(guī)潛艇主要裝備平臺(tái)羅經(jīng)系統(tǒng)、中等精度的電控羅經(jīng)和計(jì)程儀等設(shè)備，水下定位精度不高，可供利用的信息源較少[2]。戰(zhàn)略核潛艇則配備高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。以往常規(guī)潛艇多采取推算方法進(jìn)行艦艇定位的修正誤差。若采用相對(duì)型計(jì)程儀，其速度測(cè)量精度為0.1knot，海流速度為2knot，方向同潛艇運(yùn)動(dòng)方向；羅經(jīng)指向誤差為0.10，潛艇航速20knot，采取羅經(jīng)和計(jì)程儀進(jìn)行1小時(shí)的推算艦位誤差將在2海里左右。相對(duì)于推算定位，核潛艇裝備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）則具備更高的定位精度。INS不需要任何外來(lái)信息也不向外輻射任何信息，可在任何介質(zhì)和任何環(huán)境下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，能輸出載體需要的位置、速度、方位和姿態(tài)等多種導(dǎo)航參數(shù)，精度不受海流影響；系統(tǒng)的頻帶寬，能跟蹤運(yùn)載體的任何機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)航輸出數(shù)據(jù)平穩(wěn)，短期穩(wěn)定性好；但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間積累，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。所以需要研究在水下環(huán)境建立新的導(dǎo)航定位手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)INS誤差的修正。

水聲定位系統(tǒng)是通過(guò)水聲定位技術(shù)精確、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離測(cè)量水下載體的方位、距離和航行軌跡的系統(tǒng)，可在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)較高的位置和速度測(cè)量精度。本文研究采用“非同步式”水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的問(wèn)題。首先介紹NSAPS系統(tǒng)原理，建立了NSAPS模型和INS模型，建立了基于卡爾曼濾波的INS/NSAPS組合定位算法，并進(jìn)行了充分的仿真，仿真比較分析表明，引入NSAPS修正信息后，可顯著提高潛艇水下定位精度。

1 NSAPS系統(tǒng)原理

水聲定位系統(tǒng)是通過(guò)水聲定位技術(shù)精確、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離測(cè)量水下載體的方位、距離和航行軌跡的系統(tǒng)。按照水聲基陣布放位置，通常在預(yù)定海域的海底布放多個(gè)聲應(yīng)答器，組成應(yīng)答器陣。在載體上安裝詢(xún)問(wèn)聲源發(fā)射系統(tǒng)和應(yīng)答接收系統(tǒng)。海底應(yīng)答器在收到詢(xún)問(wèn)脈沖后發(fā)出具有不同頻率的應(yīng)答脈沖，根據(jù)各脈沖到達(dá)艦船的傳播時(shí)間，測(cè)得船與各應(yīng)答器距離，從而確定船位[3]。系統(tǒng)還可以依托島嶼和海岸建立固定化的海底基陣，采用多個(gè)基陣接力的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量。

當(dāng)聲源時(shí)鐘與測(cè)量系統(tǒng)時(shí)鐘不同步，存在時(shí)鐘偏差時(shí)，在定位模型中引入時(shí)鐘偏差△t，選用（1）式所示的非同步定位模型，聯(lián)立多個(gè)基元測(cè)量方程可以計(jì)算出載體方位和距離[4]。由于到兩個(gè)陣元的距離差為定值，對(duì)應(yīng)的二次方程確定一個(gè)雙曲面，非同步定位模型也常被寫(xiě)為“雙曲面交匯模型”。

（）（）（）

vτ分別在100s～200s區(qū)間內(nèi)選取，NSAPSV為均值為零，方差為NSAPSR的白噪聲。NSAPSW與NSAPSV互不相關(guān)[5]。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)，定位精度為5m（CEP），速度精度0.1m/s。NSAPS系統(tǒng)位置仿真曲線如圖1，2所示。

2.2 INS系統(tǒng)模型

記系統(tǒng)狀態(tài)變量XINS=[δL δλ δve δvn φe φn φu Ae An εe εn εu]T，分別為慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的緯度誤差、經(jīng)度誤差、東向速度誤差、北向速度誤差、平臺(tái)的東向失準(zhǔn)角、北向失準(zhǔn)角、方位失準(zhǔn)角，東向和北向加速度計(jì)零偏和東、北和方位陀螺儀漂移。慣導(dǎo)系統(tǒng)取半解析式當(dāng)?shù)厮街副盙INS，東北天坐標(biāo)系，誤差狀態(tài)方程[5]如下：

參考文獻(xiàn)

[1]朱海，莫軍.水下導(dǎo)航信息融合技術(shù)[M] .北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[2]朱海，莫軍.水下導(dǎo)航信息融合技術(shù)[M] .北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[3]張紅梅，趙建虎，，楊鯤，田春和.水下導(dǎo)航定位技術(shù)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[4]陳曉中，梁國(guó)龍，王逸林，趙羽.非同步水聲定位技術(shù)及其性能評(píng)價(jià)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2003，28（4）：353-362.

[5]Millan J C.A GPS attitude error model for kalman filtering[A] . Proceeding of the Position Location and Navigation Symposium[C] . Las Vegas，1994（4）.

[6]王學(xué)斌，徐建宏，張章.卡爾曼濾波器參數(shù)分析與應(yīng)用方法研究[J].