一種船載水聲定位系統標定方法研究

劉百峰，羅 坤

(中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江524022)

0 引 言

隨著水下跟蹤系統的迅速發展，水聲定位系統的定位精度越來越受到人們的關注。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的測試系統通過試驗來測試標定其實際定位精度［1］。據此本文設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的海上基準點，水聲換能器發射與被標校系統信號體制相同的水聲信號，被標校的水聲定位系統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。同時標校系統根據自身的GPS 及方位姿態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的定位軌跡進行對比，即可對水聲定位系統進行標校。也可對數據進行后處理，分析系統的定位精度［2］。

1 船載式標校系統平臺

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能適應較為惡劣的海況;船載式標校系統模型如圖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 接收設備和方位姿態儀。用星站式高精度動態差分GPS和航向姿態測量傳感器及深度傳感器可精確標定作為模擬信標的發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的轉換

圖2 坐標系①、②轉換示意圖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轉換公式

2)坐標系②到③的轉換

如圖4 可得坐標系②、③轉換公式

圖4 坐標系②到③的轉換Fig.4 The sketch map of coordinate ②to ③

2 結果分析

在南海某海域對某型導航定位系統進行精度標定試驗，海底布放4個應答器，成矩形陣，相鄰應答器間距離為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，發射聲信號重復周期5 s，利用長基線水聲導航定位系統對模擬目標船進行導航，同時和模擬目標的真實GPS 數據進行比較。

圖5 某型系統對目標船導航定位軌跡Fig.5 The sketch map of compass measure direction error

根據前文所述方法由式(2)得到目標真實運動軌跡的時間序列(xk，yk)，按照對應時間關系分別減去某型定位系統測量軌跡的時間序列(x′k，y′k)，得到定位系統的測量誤差［7］，通過對各區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的近似精度值。利用某型目標導航軟件解進行修正精度，對于系統對水下目標進行導航的真實性具有重要意義［8］。

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

表2 某型水聲定位系統各區域精度結果Tab.2 The result of simulate platform measure direction error

3 結 語

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

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

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

［3］楊青云.數據處理方法［M］.北京:冶金工業出版社，1993.

［4］岳劍平.二維魚雷水聲跟蹤陣的誤差分析與仿真［J］.魚雷靶場，1994(3):9－19.

［5］楊化俊，編譯.法國魚雷彈道測量系統［J］.魚雷靶場，1993(3):51－56.

［6］王燕，岳劍平，馮海泓.雙基陣純方位目標運動分析研究［J］.聲學學報，2001，26(5):405－409.

［7］李啟虎.水聲學研究進展［J］.聲學學報，2001，26(4):295－301.

［8］惠俊英.水下聲信道［M］.北京:國防工業出版社，1992.

［9］王逸林.水下目標跟蹤系統聲學信號［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2002.