水聲定位標定系統水下基準位置不確定度分析

劉百峰，羅 坤，馬 一，李 斌

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

水聲定位標定系統水下基準位置不確定度分析

劉百峰，羅 坤，馬 一，李 斌

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

水聲定位標定系統中水下基準(模擬目標聲信號)位置的測量精度直接影響到對水聲定位系統定位誤差的考核。通過對水下基準中心位置不確定度的分析，為系統減小水聲定位系統測量誤差提供了理論參考，經海試證明該不確定度分析方法對提高水聲定位系統標定精度有效。

水聲定位;精度標定;不確定度

0 引言

水聲定位系統是利用水聲應答測距信號對目標進行測量的聲吶系統［1］。水下定位精度是水聲跟蹤定位測控系統的關鍵戰技指標之一，但由于海上基準點的建立比較困難，因而一直以來都是沿用理論分析精度，尚無有效的測試手段及相應的測試系統通過試驗測試來標定其實際定位精度。如果要在海上動態驗證水聲定位系統的定位精度，就必須有1套高精度的水聲定位標定系統。

水聲定位標定系統(簡稱標定系統)是一種通用的對水聲定位系統的測量精度進行標定的系統［2］。該系統以船載模擬目標聲源作為合作信標，結合星站GPS及姿態監測裝置建立水下動態基準點，用于標定水聲跟蹤定位裝備在接近水面條件時的定位精度，為水聲跟蹤定位裝備性能評估以及試驗結果評估提供依據。其水下基準(船載模擬目標聲源)位置精度直接影響到水聲定位系統的定位誤差計量，因此精確分析和解算水下基準的誤差具有重要的工程意義。文章通過對高精度水聲定位標定系統的水下基準測量精度的不確定度進行分析［3］，計算出不同誤差因素對標定精度的影響，為工程應用提供了理論參考，通過實驗室仿真及海試驗證，方法可靠。

1 系統工作原理

水聲定位標定系統主要由船載升降機構、船體航向姿態測量儀、高精度動態DGPS接收機、綜合數據處理系統、多系統兼容的模擬目標聲信號源及寬帶換能器等部分組成。

多系統兼容目標模擬器在同步信號的作用下通過水聲換能器發射與各水聲跟蹤定位裝備相應的模擬目標聲信號，同時記錄發射時刻的DGPS位置(經緯度)、船的航向、縱橫搖角度以及換能器布放深度，并將上述數據傳送至綜合數據處理分系統，由該系統計算出發射時刻發射換能器的聲中心位置。

圖1 水聲定位標定系統結構Fig.1 The structure of underwarter acoustic positioning demarcate system

各水聲跟蹤定位裝備對模擬目標聲信號進行定位測量，同時將各設備的定位測量結果通過網絡接口或其他專用接口傳送至水聲定位標定系統中的綜合數據處理分系統。該系統將收到的定位測量結果與發出模擬目標聲源的換能器基準位置進行比對處理，從而得出各水聲跟蹤定位裝備的海上實際定位精度指標，事后完成多套水聲跟蹤定位系統的定位精度修正，協助被標定設備進一步提高其跟蹤定位測量精度。綜上可見，水聲定位標定系統中發射聲源的位置精度直接影響到該系統的標定精度。

2 系統模型及影響系統精度的因素

氣動升降機構安裝在有海底閥的船艙內，升降桿下方安裝寬帶換能器，升降桿與海底閥水密連接。使用時打開海底閥，氣動下降升降桿，使安裝在升降桿上的換能器通過海底閥伸出船底約1 m［4］。DGPS的定位天線應安裝在一個恰當的位置，使定位天線與寬帶換能器的水平距離盡量短，例如使定位天線與寬帶換能器的水平距離小于10 m。DGPS采用星站式差分GPS，通過實時動態差分定位技術實現精度可達15 cm的高精度定位［5］。

船體航向姿態測量儀在安裝時其基準應與船的首尾線平行，同時校準其水平。通過測量或根據船的設計圖紙可得出升降機構的安裝點(即換能器的安裝點)在船體坐標系的位置，同時DGPS定位天線在船體坐標系的位置也可以通過測量確定。由于知道升降機構的安裝點與DGPS定位天線安裝點的相對位置，同時船的航向由船體航向姿態儀給出，這樣就可以計算出升降機構安裝點的地理位置(經緯度)。通過深度傳感器可知道發射換能器的布放深度，于是基準位置(合作信標)的坐標就惟一精確地確定了。通過船體航向姿態儀還可以測量出船的縱傾橫搖角，就可以對基準位置的坐標作進一步修正。

圖2 系統在船上的安裝示意圖Fig.2 The sketch map of system fix on the ship

升降桿的震動擺幅、星站式GPS的定位誤差、航向姿態測量儀的航向姿態測量誤差、深度傳感器的深度測量誤差以及安裝時各部件初始位置的測量誤差是模擬目標聲源中心位置定位不確定度的因素。

3 羅經和GPS的誤差影響［6］

在高精度定位標定系統中，由高精度DGPS、羅經和姿態傳感器對船體的坐標、姿態與航向進行測定。由于星站式GPS天線和聲源中心位置在安裝時有可能不能安裝在同一條垂線上(如圖3)，水下基準與GPS天線間存在一個水平距離R(m)，羅經的航向測量誤差就會對水下基準的真實位置的計算帶來偏差。以高精度GPS天線為坐標原點建立大地坐標系，設船的航向為φ，羅經航向測量誤差為Δφ，GPS與水下基準的水平距離為R(m)，GPS與水下基準都安裝在船的首尾線上。設水下基準的真實位置為A，由于羅經存在航向測量誤差，系統測得水下基準的位置為B，如圖3所示，2點的距離通過計算為：

由式(1)可知，如果把GPS的天線與定位標定系統的水下基準安裝在同一點上，那么高精度定位系統由羅經和GPS引起的誤差只是GPS的定位誤差。如果取R=10 m，羅經的測向誤差為0.5°，那么高精度定位標定系統由羅經和GPS引起的誤差將比GPS的誤差增大87.27 mm，因此只要控制高精度定位標定系統水下基準與GPS基點的水平距離，則可降低對羅經航向測量精度的要求。

圖3 羅經測向誤差示意圖Fig.3 The sketch map of compass measure direction error

4 縱傾、橫搖角測量誤差影響

圖4 姿態誤差示意圖Fig.4 The sketch map of gesture measure error

下面分析姿態的測量誤差對模擬目標聲源中心位置定位不確定度的影響［7］。由于存在縱傾、橫搖角的測量誤差，所以想要完全補償縱傾、橫搖角變得不可能，其誤差也會影響模擬目標聲源中心位置的測量，如圖4所示。

以GPS天線安裝點為原點，船首向為y軸，船右向為x軸建立艇體坐標系OXYZ。設縱傾角為θ，橫搖角為φ。無縱傾橫搖時模擬目標聲源中心位置的坐標為(x″，y″，z″)，有縱傾橫搖時模擬目標聲源中心位置的坐標為(x″，y″，z″)，則二者存在關系式：

設縱傾測量誤差角為Δθ，橫搖測量誤差角為Δφ，考慮姿態測量誤差后的模擬目標聲源中心位置的坐標為(x″，y″，z″)，則坐標(x″，y″，z″)與坐標(x，y，z)存在關系式：

假設模擬目標聲源中心位置到GPS天線的最大垂直距離為10 m(z=10)，縱傾和橫搖角的最大測量誤差Δθmax= Δφmax=0.5°，代入式(2)和式(3)，得：

距離誤差為

因為 cos(φ+0.25°)＜1，所以 ΔRmax=0.125 m。

通過上述分析可知，若聲源中心位置與GPS天線間的水平距離小于10 m，測向誤差為0.5°，那么聲源中心位置由航向和GPS引起的誤差將比GPS的誤差大0.087 m;若聲源中心位置到GPS天線的垂直距離小于10 m，縱傾和橫搖角的測量誤差為0.5°，那么經縱傾和橫搖后的位置偏差小于0.125 m。

5 陸地模型建立

為了驗證以上誤差對該系統的影響，在陸上模擬了目標的各種方位姿態，對星站GPS和聲中心基準點的距離用米尺作了精確測量(見圖5)。數據處理系統實時接收平臺上面的DGPS、羅經、姿態傳感器的數據，計算出模擬合作信標經緯度，同時利用中分緯度法計算動態模擬基準跟DGPS之間的水平距離。與米尺所測模型結果相對比。在測試過程中總共測量了13個狀態，每個狀態用數據處理系統測量大約100個點，把測量的數據算術平均，計算出模擬合作信標跟DGPS之間的水平距離;再利用米尺測量出DGPS和模擬合作信標在地面投影點的距離。

由表1可見，模擬目標聲源的聲中心位置坐標的定位平均誤差為4.3 cm，完全符合高精度水聲定位標定系統的精度要求［8］。

6 海試結果分析

圖6是在南海某海域高精度水聲定位標定系統對某型導航定位系統的精度進行標定，其中1#～4#應答器構成了海底應答器陣。良好海況，海深60 m，聲速1 500 m/s，模擬目標聲源6 m，系統同步周期6 s。目標船以小于5 kn航速在陣中低速航行。

圖6 海試結果Fig.3 The result of examination on the sea

海試結果圖中，水聲標定系統的導航結果與目標船載的GPS軌跡幾乎完全重合。證明水聲定位標定系統的精度可靠。

7 結語

本文通過對水下基準位置不確定度分析計算，設計了符合水聲定位標定系統精度的模型，陸地模型仿真和海上精度標定試驗均表明，該精度標定系統能有效地標定出水聲定位系統的精度，提高了水聲定位系統測量數據的科學性，具有良好的工程推廣應用價值，對其他水聲定位系統的精度標定具有借鑒意義。

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The uncertainty analysis of the underwater benchmark on underwarter acoustic positioning demarcate system

LIU Bai-feng，LUO Kun，MA Yi，LI Bin
(No．91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

In acoustic positioning system，the measuring accuracy of the underwater benchmark position(the simulation of object acoustic signal)directly affect evaluation of the position error of acoustic positioning system．Through analysising uncertainty of the underwater benchmark position，provide theoretical reference for the system to reduce measurement error of acoustic positioning system．The sea test results proved that the uncertainty analysis method is effective to improve acoustic positioning system calibration precision．

underwater acoustic positioning;precision demarcate;uncertainty

U666．7

A

1672－7649(2012)05－0087－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.020

2011－11－28;

2012－01－04

劉百峰(1978－)，男，碩士研究生，主要研究方向為水聲測控技術。