一種UUV水下航速測試方法

楊 松

(大連測控技術研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

水下航速是UUV 水中航行性能的重要參數。UUV 在水中航行時，沒有校準自身位置的參照物，從某個確定的位置點出發后，在水下航行就要靠航速、航向做出其軌跡圖，確定自己的位置。只有UUV的水下航速具備較高精度，才能在長時間的水下運動過程中不迷失自己的位置，不會誤闖危險海域。

本文介紹一種工程實踐中簡易可行、可直接測試UUV水下航行的測試方法。該方法已經過多次測試，均取得了較好的測試效果。

1 基本方法

在海中任意位置布置1 枚測試聲標，發射周期性導航脈沖信號，在UUV 上配備對應的信號接收裝置，通過聲吶接收信號，利用測量單個聲信號傳播時間并參照水中聲速兩者之間的聲程，即為距離。

如圖1所示。測試信標位于海底固定位置，在m1，m2，m3……等時刻依次發射聲信號，水下運動目標對準測試聲標定深勻速直航，于行進過程中分別在n1，n2，n3……等時刻接收到對應的聲信號。任取其中2 次聲信號接收的數據，即可算出水下運動目標的速度。如圖2所示假設海區平均聲速為c，水下運動目標與測試聲標的深度差為h，則水下運動目標速度為:

圖1 基本方法中的機動方法示意圖Fig.1 Sketch map of motorization method

圖2 基本方法中的計算示意圖Fig.2 Sketch map of calculation method

2 基本方法的技術實現及精度分析

2.1 計算因子的測量

從式(1)可知，速度解算時需要平均聲速c，深度差h，聲信號傳播時間ni－mi，航行時間ni+1－ni。

平均聲速按經驗公式代入實測的溫度、深度數據計算得到。深度差由實測的海區深度、目標航行深度、聲標深度決定。

聲信號傳播時間、水下運動目標航行時間都由配置在UUV 上的接收機提供。測試聲標和接收機在工作前，均通過GPS 設置初始時刻，完成時間的協調統一，使得接收機保存有測試聲標每次發出聲信號的時刻值，當接收機收到信號時，與保存的信號發射時刻比較，得出信號的傳播時間。水下運動目標航行時間為接收機分別接收到2個信號的時間差值。

2.2 測試精度分析

依次分析參與計算的測量因子所引入的測量誤差及對速度計算結果的影響程度。

假定UUV 在某區域進行測試，UUV與聲標深度差為35 m，航速約10 kn，用20 s的時間從距離600 m 處接近到500 m，并接收到信號。

深度測量。依據市面上的溫深儀參數，在數百米的深度量程范圍內精度優于千分之一，也就是深度測試誤差小于1 m 可輕松實現。根據式(1)，在上述條件下1 m的深度誤差對速度的影響量為:

可見，根據這種方法，只要距離值遠大于深度值，深度誤差的影響很小，可忽略。當距離遠大于深度值時，式(1)可化簡為

從式(2)可以看出，速度近似為對應時間段內距離差與時間差的比值。

平均聲速裝訂、選擇水文條件良好、海區溫度平穩的測試條件，利用測得的溫深曲線裝訂平均聲速，并用于距離計算，根據經驗所引入的測距誤差可小于千分之一。

時間測量。目前水聲信號檢查的技術基本成熟，檢查能力高。計時單元采用高精度的石英晶體，每次測試前重新調整狀態，僅在測試過程中會形成時間累積誤差。以3 天的工作時間計算，對于精度為10-9的晶體時間累積誤差3 天后達到最大，為0.259 2 ms，所引入的測距誤差為0.39 m。對照式(2)，其影響也有限。

通過以上分析，依據當前的技術水平可實現水下航速的高精度測試。

3 適宜工程應用的測試方法

在實際測試中存在許多工程應用問題，如水域海流對航速的影響，測試試驗環境隨機因素的干擾，根據該方法是否方便可行，如何判斷測試是否有效等。因此，需要對上述基本方法進行補充和完善。

完善后的測試方法及UUV的機動方式如圖3所示。在海底布放2 枚頻率不同的聲標，聲標連線與平潮時的流速方向一致，聲標之間的連線作為測試段，進入測試段前的一段作為預備段。

圖3 測試系統布置及目標機動方式示意圖Fig.3 Sketch map of system setting and motorization method

UUV 連續進行3個趟次的航行，依次為順流、逆流、順流或者是逆流、順流、逆流的形式。機動方式的平面投影圖如圖4所示。因為要在往返2個航向上均進行測試，在測試段兩端都存在預備段，測試時以按較遠的聲標作為測試聲標，近處的聲標作為導航聲標，輔助引導UUV 就位。在預備段，要求2個聲標的信號在同一個波束內且角度為0。下面對測試方法進行補充描述。

3.1 靜水對地速度的測試

在絕大多數情況下，測試海域中存在海流或潮汐，測得的航速值包含了海流的影響，而非單純地由目標速度(靜水對地速度)。

圖4 機動軌跡投影平面示意圖Fig.4 Projection of motorization track

若要獲取靜水對地速度，可在測試選擇海流較小區域，避開漲潮落潮等海流變化較大的時刻，并采用往復航行、重復航跡的實施方法。令UUV 在測試段連續往返3 趟，計算3個趟次的平均速度。利用這種方法，在海流慢速變化的海域中，基本可以消除海流對速度測試造成的影響。

式中:v1，v2，v3分別為3 趟次測得的速度值。

如在第1 趟次時，海流等環境因素對速度影響量為v。在第2 趟次反向航行時，海流流速變化了a，則影響量為－(v + a)。在第3 趟次時，間隔時間相同，則海流變化量為2a，對速度的影響為(v +2a)。則按上式平均后，理論上影響量為0。

3.2 UUV的操作

UUV 必須在進入測試段前調整好航行狀態，以保證測試段內的勻速直航狀態，如圖5所示。在UUV就位的后期，在預備段，應達到航向、航速穩定。

圖5 UUV 就位示意圖Fig.5 Sketch map of UUV perch

提供2 枚頻率不同的聲標進行引導，可使UUV準確快速完成就位。當UUV 從就位區出發接收2個聲標的信號時，即可根據2個聲標的舷角推導出UUV相對于測試段的方位，引導UUV 準確就位。當UUV進入預備段后應使接收到的2個聲標信號均位于水下運動目標正前方，并在進入測試段后把定航向、航速，不再改變。為保證航跡重復的程度，提高海流抵消的效果，要求UUV 盡量從2 枚聲標正上方通過。由于水下航行時沒有其他參照物，若UUV 未按要求在進入測試段前調整好航向、航速，就會出現偏離測試段的現象。試驗中根據實測的聲標與UUV 航跡的正橫距離(即接收到的最小距離)推斷本航次UUV的質量，確定本航次的有效性。經過試驗證明，該操作較易實現，機動方式切實可行。

3.3 試驗中環境誤差的消除

水下航速測試屬于動態測試，每個測量對應的UUV 姿態、環境作用都有所不同，僅在統計意義上存在一個穩定的環境條件。可將該測試視為一種隨機平穩過程。通過多個時間上獲得的數據平均降低環境誤差的影響。因此，在試驗中需要保證有足夠的數據量，根據航速的不同，可選取1.5～2 n mile的長度作為測試段。式(1)即變化為:

4 結 語

本文測試方法是一種UUV水下航速的直接測試，測試方法簡捷直觀，測試結果可信。在應用方面，測試獲得的當趟測試速度可與同時段其他測試手段的數值進行比對，利用趟次平均獲得的靜水對地速度可與經過同樣處理的其他測試手段的數值測速值比較。

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