劉百峰 羅 坤 趙 珩

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下潛艇位置監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)有兩種［1～3］，分別是浮標(biāo)式和潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)。浮標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量浮標(biāo)需要錨系于海底，對(duì)潛艇的安全機(jī)動(dòng)及拖曳式聲納的安全使用造成影響。而潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由于工藝水平及海洋噪聲影響了聲的傳播距離，使得監(jiān)測(cè)船對(duì)潛標(biāo)的管理有效距離大大降低，無(wú)法滿足在水下目標(biāo)進(jìn)行大范圍對(duì)抗時(shí)母船對(duì)其監(jiān)測(cè)。本文提出了一種基于監(jiān)測(cè)浮標(biāo)中繼配合潛標(biāo)的技術(shù)，使得在監(jiān)測(cè)母船水聲作用距離之外的潛標(biāo)，其聲學(xué)信號(hào)由監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收后經(jīng)無(wú)線電轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)測(cè)母船通過(guò)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收轉(zhuǎn)發(fā)的聲學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離潛標(biāo)的信號(hào)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到擴(kuò)大監(jiān)測(cè)區(qū)域的目的，可有效提高潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍。

2 浮標(biāo)式長(zhǎng)基線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

浮標(biāo)式長(zhǎng)基線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由船載跟蹤顯控分系統(tǒng)（或稱(chēng)為基站）、海上浮標(biāo)分系統(tǒng)和無(wú)線通信鏈系統(tǒng)等三部分組成。浮標(biāo)分系統(tǒng)中還裝有差分GPS接收機(jī)［4～5］，對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行精確定位。浮標(biāo)通過(guò)水聲測(cè)量水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)并將DGPS系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的浮標(biāo)位置信息通過(guò)無(wú)線通信鏈匯總到基站計(jì)算機(jī)，基站將接收的參數(shù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算軟件解算出目標(biāo)的相關(guān)信息并顯示測(cè)量參數(shù)?；九c浮標(biāo)兩分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)通過(guò)無(wú)線通信鏈系統(tǒng)完成。

圖1 浮標(biāo)式長(zhǎng)基線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

3 潛標(biāo)式長(zhǎng)基線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成及功能

潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由海底潛標(biāo)陣、艇載分系統(tǒng)組成［6］。其中海底潛標(biāo)陣在校準(zhǔn)后通過(guò)配合艇載分系統(tǒng)、共同完成潛艇的水下位置監(jiān)測(cè)。

3.2 工作原理

海底布放N個(gè)潛標(biāo)組成測(cè)量陣，潛艇在測(cè)量陣內(nèi)航行，艇載分系統(tǒng)在同步鐘觸發(fā)下周期性發(fā)射詢(xún)問(wèn)聲信號(hào)，潛標(biāo)基陣接收后發(fā)射應(yīng)答聲信號(hào)，監(jiān)測(cè)母船在同步鐘觸發(fā)下周期性接收應(yīng)答聲信號(hào)（見(jiàn)圖2），測(cè)定“潛艇—潛標(biāo)—監(jiān)測(cè)母船”之間的聲傳播時(shí)延（Ti），監(jiān)測(cè)母船的位置可由其自身的DGPS確定，各潛標(biāo)的位置在測(cè)量陣布放完畢后校準(zhǔn)確定［7］。

可求得潛艇發(fā)射位置到各潛標(biāo)的空間距離（ri），以此建立方程組：

式中，（xt，yt，zt）是第t時(shí)刻潛艇的空間位置；（xi，yi，zi）是第i個(gè)潛標(biāo)的空間位置；（xf，yf，zf）是監(jiān)測(cè)母船的空間位置；ri為潛艇到潛標(biāo)i之間的空間距離；Ti為潛艇到潛標(biāo)i到監(jiān)測(cè)浮標(biāo)之間的聲傳播時(shí)延；C為平均聲速。

由于x，y的坐標(biāo)差值遠(yuǎn)大于z的坐標(biāo)差值，因此，z方向的誤差對(duì)系統(tǒng)的定位誤差影響較小，可視z坐標(biāo)為已知數(shù)值在解算前預(yù)先裝訂，那么，取3組方程就可以解得潛艇準(zhǔn)確位置，如果有歷史信息作為參考，取2組方程也可以解得潛艇準(zhǔn)確位置，這樣，可大大提高系統(tǒng)定位成功率。

由于水聲換能器傳播距離有限，這就需要在不放水下陣元時(shí)充分考慮到節(jié)點(diǎn)的通信通暢，覆蓋范圍越大，所需節(jié)點(diǎn)數(shù)就越多，在進(jìn)行陣形設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證各潛標(biāo)與上級(jí)測(cè)距平臺(tái)測(cè)距儀通信正常，如圖2所示的6個(gè)潛標(biāo)和測(cè)量母船便可構(gòu)成滿足一個(gè)簡(jiǎn)單的跟蹤陣，測(cè)量母船能實(shí)現(xiàn)對(duì)陣元狀態(tài)控制、導(dǎo)航和定位等所有功能［8］。但是，在對(duì)潛艇進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)導(dǎo)航時(shí)，考慮到安全性能，測(cè)量母船不能過(guò)于接近陣區(qū)。同時(shí)，由于跟蹤區(qū)域需求過(guò)大導(dǎo)致母船的上的水聲換能器作用范圍不能覆蓋所有潛標(biāo)，就需要中繼站這么一個(gè)節(jié)點(diǎn)能與母船一樣遙控潛標(biāo)，并能接收潛標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)完成測(cè)距。同時(shí)可把測(cè)量結(jié)果和自身狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送給母船，能進(jìn)行自定位，對(duì)此引入了帶有接收機(jī)的無(wú)線電遙控浮標(biāo)。

圖2 潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理圖

4 無(wú)線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)中繼的監(jiān)測(cè)方法

4.1 無(wú)線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)中繼的監(jiān)測(cè)方法原理

由于無(wú)線電通信距離一般在10km以上，這就使得無(wú)線電遙控浮標(biāo)作用距離能在原來(lái)的水聲基礎(chǔ)上增加了一個(gè)無(wú)線電的距離。使得大范圍導(dǎo)航陣成為可能［9］，因此，利用浮標(biāo)和潛標(biāo)配合，以浮標(biāo)作為中繼站可構(gòu)建范圍足夠大的跟蹤陣，但是考慮到海上情況的復(fù)雜性，及浮標(biāo)通信的實(shí)際需求及系統(tǒng)容量有限，使得在陣型設(shè)計(jì)是仍然要受到許多的束縛。如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)浮標(biāo)中繼原理圖

根據(jù)中繼浮標(biāo)中無(wú)線電通訊距離影響及與測(cè)量母船的配合最佳配置，可以將導(dǎo)航陣劃分為三個(gè)部分。根據(jù)水聲傳播距離限制，每個(gè)浮標(biāo)和監(jiān)測(cè)母船只能控制6潛標(biāo)。

4.2 監(jiān)測(cè)浮標(biāo)通信設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)母船上的基站、浮標(biāo)及潛標(biāo)的通信方式，將無(wú)線電遙控基站設(shè)為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，接收浮標(biāo)上傳的水聲數(shù)據(jù)。浮標(biāo)或船載測(cè)距儀稱(chēng)為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)及下傳測(cè)控指令；潛標(biāo)設(shè)為三級(jí)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能。

圖4 長(zhǎng)基線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分配原理圖

5 中繼浮標(biāo)精度分析

對(duì)監(jiān)測(cè)精度造成影響的聲速測(cè)量誤差、測(cè)時(shí)誤差、陣元誤差和GPS誤差四種因素，對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式和通過(guò)中繼實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行精度的仿真分析。設(shè)定測(cè)陣誤差為5m，DGPS定位誤差為1m，分別對(duì)測(cè)時(shí)誤差為1ms和2ms，聲速誤差為3m／s和5m／s的情況做以下數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：

表1 誤差作用對(duì)比分析表

由表1中兩種監(jiān)測(cè)方式的精度數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，中繼監(jiān)測(cè)方式的精度與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的精度相當(dāng)［9］，各誤差對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)線性關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以得出在DGPS誤差不超過(guò)±1m、各陣元測(cè)陣誤差不超過(guò)±5m、測(cè)時(shí)誤差不超過(guò)±2m／s、聲速測(cè)量誤差控制在0.3%左右的情況下，兩種監(jiān)測(cè)方式的精度都在10m左右。由此可見(jiàn)，通過(guò)潛標(biāo)中繼的接力技術(shù)能夠保障監(jiān)測(cè)精度基本不受影響的前提下，將監(jiān)測(cè)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

6 海上驗(yàn)證

如圖5所示，在海底布放8個(gè)潛標(biāo)，級(jí)聯(lián)成雙倍的測(cè)量區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)邊沿布放1個(gè)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，測(cè)量船位于監(jiān)測(cè)區(qū)一角虛線的潛標(biāo)，另外一艘測(cè)量船作為被測(cè)目標(biāo)模擬潛艇在陣內(nèi)航行。采用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式時(shí)，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)（圖5中的網(wǎng)格狀部分），當(dāng)潛艇航行在該區(qū)域時(shí)，監(jiān)測(cè)船就無(wú)法對(duì)其進(jìn)行定位。為提高監(jiān)測(cè)范圍，將添加了監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，通過(guò)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)管理的潛標(biāo)，可以大大提高對(duì)潛艇的監(jiān)測(cè)范圍。

圖5 海上驗(yàn)證試驗(yàn)態(tài)勢(shì)圖

圖6為海上驗(yàn)證試驗(yàn)定位結(jié)果，布放了6個(gè)水下潛標(biāo)和一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)。監(jiān)測(cè)浮標(biāo)位于測(cè)量陣下側(cè)，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)測(cè)量的目標(biāo)航跡位于測(cè)量陣右側(cè)盲區(qū)內(nèi)，在試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)管理的47＃與53＃潛標(biāo)與48＃潛標(biāo)、42＃潛標(biāo)聯(lián)合對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)測(cè)量盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)定位功能?？梢?jiàn)，采用潛標(biāo)中繼的信號(hào)接力方式，能增大其測(cè)量范圍。

圖6 中繼浮標(biāo)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)航跡圖

7 結(jié)語(yǔ)

基于潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的水下潛艇位置監(jiān)測(cè)，對(duì)潛艇的安全機(jī)動(dòng)影響最小。結(jié)合無(wú)線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)中繼的信號(hào)接力技術(shù)，可有效提高水下潛艇的監(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)具有重要的意義，但是此技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的可靠性、及無(wú)線電的傳輸距離要求較高。

［1］李啟虎.水聲學(xué)研究進(jìn)展［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26（4）：295－301.

［2］李守軍，包根生，吳水根.水聲定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.海洋技術(shù)，2005，24（1）：131－135.

［3］Kussat，N.H.，Chadwell，C.D.，Zimmerman，R.Absolute positioning of an autonomous underwater vehicle using GPS and acoustic measurements［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2005，30（1）：153－164.

［4］陳子，許楓.GPS時(shí)鐘同步在水下定位系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，29（8）：86－89.

［5］蔡艷輝，楊新紅.差分GPS水下定位系統(tǒng)的解析法分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（6）：101－106.

［6］劉林泉，水聲綜合測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2008：85－96.

［7］王澤民，羅建國(guó)，陳琴仙，等.水下高精度立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.聲學(xué)與電子工程，2005，（2）：1－3.

［8］黃韋達(dá).長(zhǎng)基線定位導(dǎo)航系統(tǒng)浮標(biāo)水聲軟件設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱工程大學(xué)碩士論文，2008：85－96.

［9］趙珩.長(zhǎng)基線系統(tǒng)絕對(duì)測(cè)陣的精度分析［J］.水中兵器靶場(chǎng)，2010，（3）：49－55.