（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

目前，靶場用于水下目標定位的長基線定位系統(tǒng)有兩種，分別是浮標式和潛標式。浮標式水聲定位系統(tǒng)的測量浮標均錨系于海底，會對水下目標的安全機動及拖曳式聲納的安全使用造成影響；潛標式系統(tǒng)由布放于海底的潛標基陣和布放于測量區(qū)邊緣的監(jiān)測浮標共同完成水下目標的定位任務，對潛艇及拖曳聲納的安全機動影響最小，但受監(jiān)測浮標的水聲作用距離限制，有效監(jiān)測區(qū)域較小，難以滿足大范圍監(jiān)測保障需求［1～10］。

近幾年，水聲對抗試驗的范圍越來越大，為防止對艦艇戰(zhàn)術機動和安全產(chǎn)生影響，監(jiān)測浮標只能布放在試驗區(qū)域之外，而單個浮標水聲監(jiān)測距離只有幾公里［1～10］，制約了水下測控范圍的拓展。本文提出了一種中繼潛標信號轉接方法，擴大監(jiān)測定位區(qū)域，從而滿足大范圍定位試驗需要。

2 水下定位模型

長基線定位系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，海底布設N個潛標基陣，水下目標上裝有水聲收發(fā)機和合作聲信標，在同步鐘觸發(fā)下周期性發(fā)射詢問聲信號，各潛標陣元接收后發(fā)射相應頻率的應答聲信號，監(jiān)測浮標接收各應答聲信號，測定“目標—潛標—監(jiān)測浮標”之間的聲傳播時延。監(jiān)測浮標的位置可由其自身的DGPS確定，各潛標的位置在測量基陣布放完畢后校準確定。接收時延乘以聲速減去“潛標—監(jiān)測浮標”的距離即可得到“目標—潛標”的距離，然后采用球面交匯方程組即可解算出目標所處的位置，逐點定位解算，得到目標的運動軌跡［6～12］。

式中：（xi，yi，z）i是校準后的潛標陣元i的空間位置；（xf，yf，z）f是監(jiān)測浮標的 DGPS位置；Rik是修正后的“目標—潛標”的距離。

圖1 水下定位工作原理示意圖

3 信號接力定位方法

3.1 信號接力定位模型

海底布設N個潛標基陣，監(jiān)測浮標布放于監(jiān)測區(qū)邊緣，當潛標與監(jiān)測浮標的距離大于監(jiān)測浮標的最大接收距離時，會產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)，考慮到位于監(jiān)測盲區(qū)的潛標發(fā)射的聲信號雖然無法被監(jiān)測浮標收到，但其鄰近的潛標能正常接收。因此，對于處在監(jiān)測盲區(qū)的潛標，如圖2所示，其聲學信號由相鄰的潛標接收后轉發(fā)，監(jiān)測浮標通過接收中繼潛標轉發(fā)的聲學信號實現(xiàn)對遠距離盲區(qū)潛標的信號監(jiān)測。

圖2 信號接力示意圖

當監(jiān)測浮標接收到中繼潛標回復公共詢問聲信號的應答聲信號時，仍可根據(jù)如式（2）中第一個距離修正式，接收時延Th乘以聲速C減去“潛標h—監(jiān)測浮標f”的距離即可得到“目標—潛標h”的距離Rhk，從而確定球面方程；當監(jiān)測浮標接收到中繼潛標j回復對應盲區(qū)潛標m的應答聲信號時，即可測定“目標—盲區(qū)潛標m—中繼潛標h—監(jiān)測浮標f”之間的聲傳播時延Tmj，如式（2）中第二個距離修正式，接收時延Tmj乘以聲速C減去“盲區(qū)潛標m—中繼潛標j”以及“中繼潛標j—監(jiān)測浮標f”的距離即可得到“目標—盲區(qū)潛標m”的距離Rmjk，從而確定球面方程，按照球面交匯方程組解算定位。

3.2 中繼潛標信號處理板改造

現(xiàn)有的潛標信號處理板采用了單通道信號檢測及應答工作模式，檢測固定頻率的詢問信號，當檢測到有效信號后即回復設定好的特定頻率信號，也即是單詢問單應答功能。為了實現(xiàn)信號轉接，首先要對中繼潛標的信號處理板進行升級改造，在原有的單通道輸入輸出基礎上再增加一路輸入輸出通道，使其具有雙詢問雙應答功能。當換能器信號進入信號處理板后，分兩路并行進行信號檢測，其中一路檢測公共詢問信號并用第一應答頻率響應，另外一路用于檢測特定的盲區(qū)潛標的應答聲信號，并用第二應答頻率響應，程序框圖如圖3所示。這樣，中繼潛標除了原功能—應答公共詢問頻率聲信號外，還有一個信號接力功能—以第二應答頻率應答對應盲區(qū)潛標的應答聲信號。

圖3 雙詢問雙應答功能程序框圖

4 仿真分析

綜合實際應用中可能對定位精度造成影響的聲速測量誤差、測時誤差、陣元誤差和GPS誤差四種因素，對傳統(tǒng)定位方式和中繼潛標信號轉接方法進行精度的仿真分析。設定測陣誤差為5m，DGPS定位誤差為1 m，分別對測時誤差為1ms和2ms，聲速誤差為3m/s和5m/s的情況做數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以看出，中繼潛標信號轉接方法的測量精度與傳統(tǒng)定位精度相當，各誤差對定位精度影響的變化趨勢呈現(xiàn)線性關系。由此可見，本方法能夠保障定位精度基本不受影響的前提下，將定位測量的范圍進一步擴大。

5 試驗結果分析

如圖4所示，在海底布放6個潛標，監(jiān)測區(qū)邊沿布放1個監(jiān)測浮標，測量船位于監(jiān)測區(qū)一角，另外一艘試驗艦船模擬水下目標在陣內航行。使用現(xiàn)有長基線潛艇水下定位系統(tǒng)，存在監(jiān)測盲區(qū)（圖4中的網(wǎng)格狀部分），當模擬目標航行在該區(qū)域時，監(jiān)測浮標接收不到相應潛標的應答聲信號，因而無法對其進行定位。

圖4 海上驗證試驗態(tài)勢圖

圖5 試驗結果圖

采用信號接力定位方法，將中間兩個潛標設置雙詢問雙應答功能，分別作為兩個盲區(qū)潛標的中繼潛標，每個中繼潛標除響應目標公共詢問信號外，還能響應相應盲區(qū)潛標的應答聲信號。試驗定位結果如圖5，可見當目標在陣中時定位效果較好，在右側靠近潛標基陣邊緣時，定位軌跡出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，原因一是交匯角度不好導致定位誤差增大，二是雙詢問雙應答功能導致使用信號頻點數(shù)成倍增加，從而增大了信號通道串漏的可能性。

6 結語

仿真分析及試驗驗證結果表明，本文提出的中繼潛標信號轉接方法，只需對潛標接收發(fā)射程序和主控軟件解算模塊進行少量改造，即可增大其測量范圍，滿足大范圍水聲對抗演練的需要，其定位精度與原系統(tǒng)定位精度相當。實際應用中，為了擴大定位范圍使用的潛標較多，由于試驗分配的信號頻點的限制，需要繼續(xù)研究解決信號通道串漏的問題。