一種船載水聲定位系統(tǒng)標定方法研究

劉百峰，羅 坤

(中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江524022)

0 引 言

隨著水下跟蹤系統(tǒng)的迅速發(fā)展，水聲定位系統(tǒng)的定位精度越來越受到人們的關(guān)注。但是由于海中基準點的建立一直比較困難，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(yīng)的測試系統(tǒng)通過試驗來測試標定其實際定位精度［1］。據(jù)此本文設(shè)計一種以試驗船作為載體，在船上剛性安裝一個水聲換能器作為標校系統(tǒng)的海上基準點，水聲換能器發(fā)射與被標校系統(tǒng)信號體制相同的水聲信號，被標校的水聲定位系統(tǒng)通過接收水聲信號對海上基準點進行定位，或者測量其運動軌跡。同時標校系統(tǒng)根據(jù)自身的GPS 及方位姿態(tài)儀同步解算出海上基準點的絕對位置或運動軌跡，同被標校的水聲定位系統(tǒng)的定位軌跡進行對比，即可對水聲定位系統(tǒng)進行標校。也可對數(shù)據(jù)進行后處理，分析系統(tǒng)的定位精度［2］。

1 船載式標校系統(tǒng)平臺

利用船體作為平臺，對硬件安裝要求很高，由于船體抗風浪的能力比較強，使得船載式標校系統(tǒng)能適應(yīng)較為惡劣的海況;船載式標校系統(tǒng)模型如圖1所示，合作信標安裝在升降桿裝置的圓柱桿頂端，工作時圓柱桿能穿過閘閥伸到船底以下某一深度位置，船上安裝差分GPS 接收設(shè)備和方位姿態(tài)儀。用星站式高精度動態(tài)差分GPS和航向姿態(tài)測量傳感器及深度傳感器可精確標定作為模擬信標的發(fā)射換能器的大地位置坐標，從而為水聲跟蹤定位裝備提供精確的目標聲源位置［3］。GPS 天線安裝在離升降機構(gòu)水平距離最近的地方，這樣可減小由于航向測量精度帶來的基準位置的偏差。通過測量得到合作信標的安裝點與DGPS 定位天線安裝點的相對位置［4］。通過深度傳感器可知道合作信標的布放深度，于是可以精確確定合作信標的大地位置。

圖1 系統(tǒng)在船上的安裝示意圖Fig.1 The sketch map of system fix on the ship

對此，建立3個坐標系即可求出合作信標的大地坐標，船上GPS 天線高斯坐標(X0，Y0，Z0);船體縱搖角α(船頭向下為正)，橫搖角β (船右舷向下為正)，航向角θ (與正北方向夾角，北偏東為正)［5］。

1)首先進行坐標系①到②的轉(zhuǎn)換

圖2 坐標系①、②轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 The sketch map of coordinate ①to ②

表1 坐標系①、②坐標軸間夾角Tab.1 The angle between the coordinate system ①、②and axes

于是得到O′Z′=l·cosβ·cosα，Z′A=l·cosβ·sinα。

所以Z′ 軸與ˉZ 軸夾角arccos(cosα·cosβ)。

由表1 得到

得到坐標系①到②轉(zhuǎn)換公式

2)坐標系②到③的轉(zhuǎn)換

如圖4 可得坐標系②、③轉(zhuǎn)換公式

圖4 坐標系②到③的轉(zhuǎn)換Fig.4 The sketch map of coordinate ②to ③

2 結(jié)果分析

在南海某海域?qū)δ承蛯?dǎo)航定位系統(tǒng)進行精度標定試驗，海底布放4個應(yīng)答器，成矩形陣，相鄰應(yīng)答器間距離為3 500 m，深度為40 m 左右，目標船以小于4 kn 航速在陣中航行，發(fā)射聲信號重復(fù)周期5 s，利用長基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)對模擬目標船進行導(dǎo)航，同時和模擬目標的真實GPS 數(shù)據(jù)進行比較。

圖5 某型系統(tǒng)對目標船導(dǎo)航定位軌跡Fig.5 The sketch map of compass measure direction error

根據(jù)前文所述方法由式(2)得到目標真實運動軌跡的時間序列(xk，yk)，按照對應(yīng)時間關(guān)系分別減去某型定位系統(tǒng)測量軌跡的時間序列(x′k，y′k)，得到定位系統(tǒng)的測量誤差［7］，通過對各區(qū)域的測量誤差進行分析，就可以認為考核出某型水聲定位系統(tǒng)的近似精度值。利用某型目標導(dǎo)航軟件解進行修正精度，對于系統(tǒng)對水下目標進行導(dǎo)航的真實性具有重要意義［8］。

從表2的精度結(jié)果數(shù)據(jù)可以直接看出該型系統(tǒng)在陣型內(nèi)外不同區(qū)域的定位精度，在陣內(nèi)時平均值(1～10)點大約為8.3 m，而陣外精度大于20 m，為系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的精確度提供有力證明，增強試驗數(shù)據(jù)有效性。同時，針對在不同區(qū)域時系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，可以對試驗所需的最佳陣型和航路提供可靠參考和優(yōu)化設(shè)計［9］，從而提高試驗結(jié)果的準確性。

表2 某型水聲定位系統(tǒng)各區(qū)域精度結(jié)果Tab.2 The result of simulate platform measure direction error

3 結(jié) 語

利用船載式標校時，由于船載升降機構(gòu)限制，發(fā)射聲源只能布放在離海面10 m 以內(nèi)的地點，同時船體經(jīng)過多年航行，導(dǎo)致船體尺寸無法準確測量，就導(dǎo)致高精度動態(tài)差分GPS和航向姿態(tài)測量傳感器的安裝有很大偏差，從而影響到系統(tǒng)的標校效果。

［1］RAUREL.Long base-line acoustic tracking/positioning system.

［2］張寶成，魏新華，徐雪仙.水聲跟蹤系統(tǒng)時差法定位原理及誤差分析［J］.水聲通訊，1987，1.

［3］楊青云.數(shù)據(jù)處理方法［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

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