火箭助飛魚雷海上落點測控系統測量誤差分析

張玉濤, 薛 飛, 李 鵬

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火箭助飛魚雷海上落點測控系統測量誤差分析

張玉濤, 薛 飛, 李 鵬

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連, 116041)

火箭助飛魚雷海上落點是影響其命中精度的重要參數, 在試驗測量時, 用于水聲定位的海上浮標可能會出現缺失而影響其測量精度。本文利用Matlab軟件對火箭助飛魚雷海上落點測量浮標預設陣型進行了仿真研究, 分析了缺失部分浮標對測量精度的影響, 給出了缺失浮標數量及陣型最低條件, 即當12個浮標中缺失4個浮標且陣型不對稱時, 測量精度會迅速下降。研究結果表明, 在落點測控過程中, 如果文中的預設浮標陣型不滿足最低條件, 應重新調整浮標。該研究可為海上實際試驗指揮決策提供技術支撐。

火箭助飛魚雷;測量精度; 水聲定位; 浮標陣型; 仿真

0 引言

火箭助飛魚雷發射后在海上的落點散布精度是考核其戰技指標的重要參數, 它與魚雷的作戰使用方法、發射平臺、系統性能乃至作戰海空域自然條件等多方面因素有密切關系。

火箭助飛魚雷海上落點散布考核由一套基于矢量水聽器的被動測量系統進行測量。在海上實施時, 首先布設浮標, 利用浮標攜帶的矢量水聽器完成魚雷入水擊水聲的方位估計, 系統顯控端分析浮標位置和水聽器測角信息后, 確定魚雷入水點大地坐標。該坐標值與考核指標比對, 完成落點精度考核。本文初步分析了海上預設浮標布陣, 在單個或多個浮標出現海上走錨、通信不暢、性能下降等情況時, 在短暫的魚雷發射時間窗口內如何保證測量的可靠性和精度, 為試驗指揮決策提供依據, 為能否發射魚雷提供技術支撐。

1 純方位定位原理

1.1 雙浮標陣定位

根據矢量水聽器工作原理, 可將純方位擊水聲定位歸結為圖1所示的平面定位問題, 圖中,為浮標號,為目標入水點位置。首先對坐標系進行定義: 基線坐標系是以陣元為坐標原點, 陣元和陣元構成的極限為軸, 由到方向為軸正向, 該坐標系稱為基線坐標系[x, y],,=1, 2, 3,…,≠。大地坐標系取北地東坐標, 矢量水聽器軸方向與正東方向一致,軸方向與正北方向一致。很明顯, 利用兩浮標定位入水點的問題, 就簡化為解算三角形△。

圖1 大地坐標系與基線坐標系

定義基線長度為d, 浮標和測得的目標方位角分別為β和β, 大地坐標系與基線坐標系夾角為γ, 且均以順時針方向為正。α和α分別是△的內角,α,α∈(0,π)。則角度間存在如下關系

在基線坐標系下, 入水點的位置為

1.2 多浮標陣定位

試驗實施時, 布放浮標個數必然多于2個, 這樣的話入水點在不同基線坐標系下會產生不同測值。為提高定位精度, 用權函數來綜合所有基線對入水點的定位結果。

為不失一般性, 以4個浮標組成測量陣為例。浮標1, 2, 3, 4與構成6個三角形, 如圖2所示, 在任意一個三角形△下,的坐標由式(2)給出, 其中=12, 23, 34, 41, 13, 24。

基線坐標系的原點在大地坐標系中的位置為(x,y), 由此可知在大地坐標系下入水點的坐標為

其中

由式(2)及式(3)即可解算入水點的位置。為提高定位精度, 須對解進行誤差分析, 得到權函數, 用權函數來綜合測量陣所有基線對目標的定位結果。

根據文獻[1]可知權函數為誤差擴大函數的均方根倒數, 即

對入水點的精確定位結果應為所有基線定位結果的加權綜合, 即

其中(kx, ky)由式(3)確定,=12, 23, 34, 41, 13, 24。

2 定位誤差傳遞

根據誤差理論, 設1,2,…,x)看成隨機變量的函數, 并用,σ1,σ2,…,σ表示,1,2,…,x的標準誤差, 則其誤差傳遞公式為

對2個浮標構成的基線坐標系, 目標在其下的坐標由式(2)給出。將其帶入式(7)可得到基線坐標系下誤差為

其中=π-1-2,1,2∈(0,π)。

試驗時, 距離由差分全球定位系統(differ- rence Global Positioning System, DGPS)測出, 測量值的相對誤差不足千分之一, 可以認為σ項為小量, 忽略不計。對入水點的定位誤差主要由1和2的測量誤差產生, 當認為各浮標性能一致時, 可假定其均方誤差都相同。同時考慮以往試驗結果, 認為在3 km范圍內, 測角誤差為1°, 則有σ1=σ2=1°。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真條件

入水點測量系統共有12個浮標, 為保證測量的可靠性, 海上布設12個浮標, 考慮到魚雷散布精度, 預設浮標陣型如圖3所示, 圍繞中心點對稱布設12個浮標, 4個置于390 m, 4個置于1 170 m, 4個置于1 650 m。其中單標仿真誤差1°。利用MATLAB軟件按照預設條件進行仿真計算。

圖3 預設浮標陣型

3.2 仿真結果及分析

以式(8)為依據, 設計仿真試驗, 對缺少1個浮標、2個浮標、3個浮標、4個浮標及12浮標全工作情況下的入水點測量精度進行分析。

3.2.1 12個浮標全部正常工作

12個浮標全部正常工作時, 誤差分布仿真結果如圖4所示。由圖可見, 浮標誤差分布圖關于基線有對稱性, 越靠近陣中心誤差越小, 向外逐漸遞增; 陣外一定區域亦有一定精度, 可以利用; 在浮標基線上存在低精度區, 這是因為該區域α,α趨近于零, 式(2)結果發散。

圖4 12個浮標全部正常工作時誤差分布仿真結果

3.2.2 缺少1個浮標

由于陣型本身的對稱性和水聲定位的基本原理, 缺失1個浮標情況只討論內部缺1個、外圍中點缺1個和外圍頂角缺1個這3種情況。從圖5可知, 在缺1浮標時, 精度與圖4陣內外精度分布大致相同。

3.2.3 缺少2~3個浮標

類似分析缺失2~3個浮標情況發現, 測陣精度仍可以基本保證, 如圖6所示。

3.2.4 缺少4個浮標

缺失4個浮標情況較多, 這里討論4種典型情況。從圖7可見, 當不改變浮標陣對稱結構時, 測陣精度尚可保證, 但當破壞了對稱性, 出現缺一邊或缺一角時, 相應位置精度迅速下降。

圖5 缺少1個浮標時誤差分布仿真結果

圖6 缺少2~3個浮標時誤差分布仿真結果

圖7 缺少4個浮標時誤差分布仿真結果

4 結束語

入水點測量浮標陣中心4個浮標在缺失1個的條件下對測量精度不造成影響, 測量浮標陣缺失2到3個浮標對測量精度也不造成影響; 缺失4個浮標且陣型不對稱, 對測量精度迅速下降。在海上實際試驗中, 如果缺失浮標數量及陣型大于以上最低條件, 為保證魚雷入水點測量精度, 則應通報指揮部, 建議取消或延后發射魚雷, 重新調整浮標, 為指揮決策提供技術支撐。

[1] 胡友峰. 非機動水下三維被動目標運動分析研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2002.

[2] 時勝國, 楊德森. 基于矢量水聽器的源定向理論及其定向誤差分析[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2003, 24 (2): 132-135.Shi Sheng-guo, Yang De-sen. Acoustic Source Location by Acoustic Vector-sensor and Its Bearing Error[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2003, 24 (2): 132- 135.

[3] 詹艷梅. 純方位目標運動分析方法研究[D]. 西安: 西 北工業大學, 2001.

Error Analysis of Measuring Water Entry Point for Rocket-Assisted Torpedo

ZHANG Yu-Tao, XUE Fei, LI Peng

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116041, China)

Absence of buoys used for hydroacoustic localization in sea trial may reduce measurement accuracy of water entry point of a rocket-assisted torpedo. In this paper, the preset buoy array for measuring water entry point of a rocket-assisted torpedo is simulated with the software Matlab, and the effect of absence of some buoys on measurement accuracy of water entry point is analyzed. The results show that when absent buoys and buoy array reach to the lower limit, i.e. 4 of 12 buoys are absent and the buoy array is asymmetric, the measurement accuracy will decrease rapidly. Therefore, if the topology of preset buoy array does not satisfy the lower limit, the array must be adjusted.

rocket-assisted torpedo; measurement accuracy; hydroacoustic localization; buoy array; simulation

TJ631.2; TM46

A

1673-1948(2012)05-0392-04

2011-11-15;

2012-03-05.

張玉濤(1981-), 男, 工程師, 主要從事試驗裝備指揮和技術保障工作.

(責任編輯: 陳 曦)