高　峰　李踐飛

(1.91439部隊(duì)96分隊(duì)　大連　116041)(2.海軍潛艇學(xué)院　青島　266042)

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獵雷ROV定位精度試驗(yàn)方法研究*

高峰1李踐飛2

(1.91439部隊(duì)96分隊(duì)大連116041)(2.海軍潛艇學(xué)院青島266042)

摘要根據(jù)獵雷ROV組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理，提出了以網(wǎng)絡(luò)RTK GPS定位輸出作為真值，與被試品定位輸出進(jìn)行比對的方法來驗(yàn)證獵雷ROV導(dǎo)航定位精度。在分析戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了利用χ2檢驗(yàn)法設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣本量。結(jié)合作戰(zhàn)使用，設(shè)計(jì)出接近實(shí)際使用條件的海上試驗(yàn)實(shí)施方案。最后給出了利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行誤差解算和χ2假設(shè)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果評定方法。

關(guān)鍵詞獵雷; 定位精度; 試驗(yàn)方法

Class NumberTJ61+7

1引言

獵雷(ROV Remotely-Operated Vehicle)是新型反水雷裝備，由潛航體、綜合控制系統(tǒng)、布放回收裝置、滅雷戰(zhàn)斗部、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等組成。主要遂行對水雷的探測和定位，并引導(dǎo)艦船規(guī)避通過雷區(qū)，必要時攜帶滅雷炸彈和爆破割刀對水雷進(jìn)行清除[1]。導(dǎo)航定位系統(tǒng)是獵雷ROV重要組成部分，裝配于潛航體上，功能是確定潛航體相對工作母船的位置以及大地坐標(biāo)位置。獵雷ROV定位精度試驗(yàn)的目的是在接近實(shí)戰(zhàn)使用條件下考核導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位精度是否達(dá)規(guī)定的指標(biāo)要求。

關(guān)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度試驗(yàn)方面研究有：姚興太研究了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度與試驗(yàn)路徑的關(guān)系[2]，董忠臣對潛航體定位精度考核方法進(jìn)行了探討[3]，李琳給出慣導(dǎo)系統(tǒng)最大定位誤差的極值分析方法[4]，李壯給出了基于短基線的ROV實(shí)時高精度定位方法[5]，刁中凱給出了使用差分GPS檢測火炮慣性導(dǎo)航定位精度的方法[6]。這些研究取得了許多成果，但這些研究只針對慣性導(dǎo)航定位精度試驗(yàn)?zāi)骋画h(huán)節(jié)，未從整體對定位試驗(yàn)進(jìn)行研究。其次，對于獵雷ROV為平臺的慣性導(dǎo)航定位精度試驗(yàn)缺乏針對性研究。

根據(jù)獵雷ROV慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)特點(diǎn)，立足于海上試驗(yàn)實(shí)施，從樣本量設(shè)計(jì)、海上試驗(yàn)航路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)保障方案等方面入手，給出了獵雷ROV定位精度試驗(yàn)方法。研究對于考核獵雷ROV作戰(zhàn)使用性能，使裝備盡快形成戰(zhàn)斗力具有一定指導(dǎo)意義。

2獵雷ROV導(dǎo)航定位原理

獵雷ROV導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用以捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。單一采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，所提供的精度會隨著時間而漂移。在長時間內(nèi)，導(dǎo)航定位誤差增長的速度主要由初始對準(zhǔn)精度、系統(tǒng)所使用的慣性敏感器件缺陷和運(yùn)載體運(yùn)動軌跡的動態(tài)特性決定的[7]。雖然采用更高精度的敏感器件可以提高精度，但成本會大幅增加。獵雷ROV采用的是組合導(dǎo)航技術(shù)。運(yùn)用外部導(dǎo)航信息來提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度。

獵雷ROV組合導(dǎo)航系統(tǒng)以高精度激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，組合多普勒計(jì)程儀和GPS接收機(jī)等外部輔助傳感器信息，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行誤差估計(jì)，確保在動態(tài)環(huán)境下輸出高精度導(dǎo)航信息和姿態(tài)信息。導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成原理圖見圖1。這種組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供兩種具有互補(bǔ)特性的獨(dú)立信息源：GPS提供時間短精度高的數(shù)據(jù)，以位置信息的形式給出，對導(dǎo)航位置進(jìn)行修正;多普勒計(jì)程儀提供時間長穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)，主要對潛航體速度進(jìn)行修正。

圖1　組合導(dǎo)航系統(tǒng)組成原理圖

3試驗(yàn)方法選擇

對于以捷聯(lián)慣導(dǎo)為主體的組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度試驗(yàn)，以精度更高的慣導(dǎo)系統(tǒng)提供輸出作為真值作為比對，是一種常用方法，但這種方法要求提供比對的系統(tǒng)至少比被試品精度高一個數(shù)量級。慣導(dǎo)系統(tǒng)精度提高一倍，成本會成倍增長。另外考慮到安裝在潛航體也存在問題。綜合考慮，這種方法在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)起來存在困難。這里采用網(wǎng)絡(luò)RTK GPS輸出位置信息作為真值，比對組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出，來進(jìn)行獵雷ROV定位精度評定。

網(wǎng)絡(luò)RTK GPS是一種集衛(wèi)星大地測量技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體空間信息實(shí)時服務(wù)技術(shù)。該技術(shù)利用CORS(Continuous Operational Reference System)建立連續(xù)觀測網(wǎng)絡(luò)，由于參考站坐標(biāo)已知，即可精確地估計(jì)CORS間的空間相關(guān)誤差，并建立網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的空間相關(guān)誤差區(qū)域模型，經(jīng)此生成差分改正信息，并通過現(xiàn)代通信手段為用戶提供實(shí)時高精度定位，網(wǎng)絡(luò)RTK GPS水平定位精度可達(dá)1cm～3cm[8]。對比獵雷ROV組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度，使用網(wǎng)絡(luò)RTK GPS作為真值進(jìn)行比對能夠滿足試驗(yàn)要求。

4試驗(yàn)航次數(shù)確定

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差特性基本符合正態(tài)分布，航次越少，則與正態(tài)分布的差異越大。慣導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)的航次數(shù)應(yīng)預(yù)控制。試驗(yàn)的航次設(shè)計(jì)，可依據(jù)子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差為χ2分布，建立置信度，置信區(qū)間和試驗(yàn)航次之間的關(guān)系為

經(jīng)查χ2分布表并計(jì)算得到航次數(shù)與置信區(qū)間關(guān)系如表1。

表1　試驗(yàn)航次與置信區(qū)間關(guān)系表

5海上實(shí)施方案

獵雷ROV定位精度試驗(yàn)海上實(shí)施方案的制定，主要依據(jù)定位指標(biāo)要求和獵雷ROV作戰(zhàn)使用。獵雷ROV海上作戰(zhàn)使用時有兩種工作模式，即母艦區(qū)域定位作業(yè)和前置作業(yè)。母艦區(qū)域工作方式中，母艦錨泊，獵雷ROV在母艦錨泊區(qū)域內(nèi)對水雷進(jìn)行探測定位，必要時采用滅雷方法清除水雷。在前置工作模式中，獵雷ROV在前方引導(dǎo)母艦規(guī)避水雷航行。獵雷ROV定位精度指標(biāo)為航程Xkm時相對誤差小于xm。在精度試驗(yàn)中，獵雷ROV工作模式應(yīng)為前置工作方式，海上實(shí)施的主要過程有初始對準(zhǔn)、綜合校準(zhǔn)、海上母船與獵雷ROV同步航行、GPS測量等過程。

5.1試驗(yàn)保障條件

試驗(yàn)海區(qū)的選取應(yīng)結(jié)合獵雷ROV的實(shí)際使用需求和定位精度試驗(yàn)需求，試驗(yàn)海區(qū)可選底質(zhì)平坦，最好為泥沙底或沙貝底，水深在Hm海域進(jìn)行，海況滿足使用要求。

需要的測控設(shè)備為聲速梯度儀、水聲定位系統(tǒng)、流速剖面儀。網(wǎng)絡(luò)RTK GPS接收機(jī)。試驗(yàn)艦船保障為：試驗(yàn)?zāi)复凰遥軌蛱峁摵襟w工作所需動力。警戒艇一艘，主要是處理意外和警戒使用。

5.2組合慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)與綜合校準(zhǔn)

獵雷ROV組合慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)階段主要完成條件輸入初始條件，調(diào)整平臺到預(yù)定的坐標(biāo)系，對陀進(jìn)行陀螺進(jìn)行測漂[10]。在試驗(yàn)時，將潛航體布放入水，在水面漂浮Xmin，完成組合慣導(dǎo)的初始對準(zhǔn)。

綜合校準(zhǔn)，在導(dǎo)航工作中利用外部基準(zhǔn)信息對慣導(dǎo)進(jìn)行校準(zhǔn)的過程。由于潛航體在水中機(jī)動，而捷聯(lián)式慣導(dǎo)又直接安裝在潛航體上，沒有物理平臺隔離，受環(huán)境影響大。導(dǎo)航過程中采用人工操控潛航體與母船水面同步航行模式，沿直線往返航行完成潛航體慣導(dǎo)綜合校準(zhǔn)。慣導(dǎo)綜合校準(zhǔn)航路圖見圖2。

圖2　組合慣導(dǎo)綜合校準(zhǔn)試驗(yàn)航路圖

母船在A點(diǎn)布放潛航體，下達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定指令到潛航體，潛航體在水面漂浮15min，完成第一次校準(zhǔn)。人工操控潛航體沿航線向B點(diǎn)方向以一定速度與母船進(jìn)行水面同步航行，航程略大于Xkm后，開始第二次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完畢后調(diào)頭向A點(diǎn)方向航行略大于Xkm，開始第三次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完畢后調(diào)頭向B點(diǎn)方向航行略大于Xkm，進(jìn)行第四次校準(zhǔn)。第四次校準(zhǔn)后完成綜合校準(zhǔn)試驗(yàn)。

5.3母船與獵雷ROV同步航行

在試驗(yàn)海區(qū)設(shè)定起始點(diǎn)，規(guī)劃試驗(yàn)航路。潛航體采用人工操控模式，母船保持與潛航體后方100m～200m、橫距5 m～30m進(jìn)行同步航行，航速由慢到快逐步上升，同時在綜合顯控臺監(jiān)控母船和獵雷ROV航行態(tài)勢。航程結(jié)束后，讀取慣導(dǎo)和GPS輸出位置信息。

6數(shù)據(jù)處理方法

在獵雷ROV定位精度試驗(yàn)中，主要的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果評定過程是：通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，來求解每航次定位誤差，然后在異常值檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得用χ2假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果評定。

6.1定位誤差解算

1) 將潛航體慣導(dǎo)輸出坐標(biāo)和實(shí)際測得GPS坐標(biāo)從大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至地球空間直角坐標(biāo)系

在大地標(biāo)系中，任意地面點(diǎn)P的坐標(biāo)為(B，L，H)。該坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球的質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為過地面步的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面步的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離[11]。

在地球空間直角坐標(biāo)中，任意地面點(diǎn)P的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，該坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于XOZ平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

大地坐標(biāo)系至空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為

2) 求定位誤差在站心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xi，yi，zi)

為解算方便，常取測點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，這種坐標(biāo)系稱為站心坐標(biāo)系。站心坐標(biāo)定義如下：以測點(diǎn)的法線方向?yàn)閆軸，大地平行圈(東方向)與大地地平面的交線為Y軸，構(gòu)成左手坐標(biāo)系?？臻g直

則在站心地平直角坐標(biāo)系下，求潛航體定位誤差為di。

6.2定位誤差的假設(shè)檢驗(yàn)χ2檢驗(yàn)法[12]

設(shè)di是來自試驗(yàn)的樣本，要求的假設(shè)檢驗(yàn)(顯著性水平為α)：

H0：σ2=σ02=182H1：σ2>182

7結(jié)語

定位精度是獵雷ROV重要指標(biāo)，對作戰(zhàn)效能起決定因素。定位精度試驗(yàn)方法研究，對于完成該試驗(yàn)項(xiàng)目考核，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)，指導(dǎo)部隊(duì)訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用，使獵雷ROV快速形成戰(zhàn)斗力具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月9日,修回日期：2016年2月29日

作者簡介：高峰，男，工程師，研究方向：試驗(yàn)技術(shù)。

中圖分類號TJ61+7

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.015

Mine-hunting ROV Location Precision Test Method

GAO Feng1LI Jianfei2

(1. Unit 96, No.91439 Troops of PLA, Dalian116041)(2.Navy Submarine Academy, Qingdao266042)

AbstractAccording to the operational theory of ROV integrated navigation system, a network positioning output as the true value is proposed, the tested product is compared to verify navigation and positioning accuracy. In the analysis of tactical and technical indicators, χ2 test method is given to design sample size, And according to operational use, offshore experiment implementation is designed. Finally, the coordinates conversion method is given for error solve, and the χ2 hypothesis testing is given for data processing and evaluation of results.

Key Wordsmine-hunting, location precision, test method