基于MTi系統的水聲遙測技術研究

張慶國，連莉

（昆明船舶設備研究試驗中心云南昆明650051）

水下航行體的當前姿態信息是其航行狀態判斷的重要參數，也是進行水下無人自主規劃控制的主要信息來源。在其水下航行測試試驗中，常采用水聲遙測的方式進行航行姿態參數的實時測量，以獲得航向角、俯仰角、橫滾角、航深等當前姿態信息。為了實現水下航行體姿態參數的實時水聲遙測，必須有效獲得水下航行體的運動狀態參數，然后通過水聲通信的方式，在岸基實現多信息的實時獲取與顯示[1]。

1 水聲遙測簡介

通常情況下水下航行體安裝有高精度的慣性導航系統，與內部的控制系統聯合完成航行體的整體控制與機動。為了保證水下航行體的一致性和整體性，在水下航行測試中通常獨立安裝試驗測試設備[2]，專用于水下航行體的試驗測試。另外，由于航行體上安裝的試驗測試設備體積較小，不能安裝與航行體內部相似的高精度慣性導航設備，因此，需要采用簡單可靠的測量方案，對其水下運動姿態信息進行實時測量，最后通過水聲通信的方式將信息實時傳送至岸基進行顯示，以便對水下航行體的試驗情況進行判定。

對于水下運動目標的姿態測量來說，多采用三維電子羅盤、光纖慣性測量[3]、MEMS慣性測量等系統或設備，實時獲得水下目標的姿態信息。針對水下航行體中、高速航行狀態下的實際使用條件[4]，無法使用GPS等衛星導航及電子羅盤等設備。并且水下航行體的設備安裝空間、環境及功耗均受到一定的限制，高精度慣性導航設備（如光纖慣性測量設備），雖然具備較好的測量精度和可靠性，但不能適用水下航行體試驗測試的實際使用條件。具體比較情況見表1所示。

表1 姿態測量設備對比表

由表1可見，相比較來看，光纖慣性測量設備具有最高測量精度，且穩定性好，可實時獲得水下航行體的姿態信息（也是水下航行體常用姿態測量設備）。但由于該設備體積較大，功耗大，且成本也較高，不適合水下航行體試驗測試使用。荷蘭Xsens公司生產的MTi（motion tracker instrument）系統[5]，可在水下航行體中、高速航行狀態下進行姿態信息的實時測量，具備全角度三維、體積小巧、功耗低、響應速率快等優點[6]，滿足水下航行體試驗測試需求。

2 MTi系統簡介

MTi系統（實物圖見圖1所示）采用三維陀螺儀快速跟蹤被測物體的三維姿態，同時利用中間加速度和地磁場方向為系統提供可靠的測量參考，內部集成算法可將溫度、三維安裝誤差以及傳感器交叉軸影響進行實時補償，為系統提供準確、可靠、及時和穩定的姿態輸出。其主要能性指標如下[5]：

1）動態范圍：三維所有角度；

2）角速度分辨率：0.05°；

3）靜態精度（俯仰角、橫滾角）：不大于0.5°；

4）靜態精度（航向角）：小于1°；

5）動態精度：2°（RMS）；

6）最大更新速率：512 Hz（校準數據），100 Hz（航向角數據）；

7）功耗：0.36 W（航向角輸出時）；

8）模擬輸出：0 V～3.3 V；

9）數字接口：USB/RS-232；

10）工作電壓：4.5 V～15 V；

11）外形尺寸：58 mm×58 mm×22 mm（長×寬×高）；

12）環境溫度：0℃～55℃；

13）重量：50 g。

圖1 MTi系統實物圖

MTi系統初次使用時，需要在具體使用環境中進行多方向、多角度的校準設置，一旦校準完成便可投入使用。MTi系統在初始對準時，采用加速度計和磁強計對重力向量和地磁向量進行觀測，得出載體的初始姿態角。利用當前數據來確定初始姿態矩陣，之后采用卡爾曼濾波對其測量數據，進行誤差補償。該方法對準速度快，誤差不累積，在初始對準時無需水下航行體完全靜止[7]。

在實際使用過程中需要對MTi系統坐標系進行轉換，確保所測量的歐拉角[8]與水下航行體的姿態角坐標系相統一。另外，由于MTi系統中的三軸加速度數據中包含了重力加速度，因此如果使用加速度數值，需要相應減去重力加速度。在具體設計安裝時還需考慮大功率電子器件（如功率放大器、FPGA）與MTi系統之間的相互干擾問題，相互之間安裝距離盡量有一定距離，或采取相應的隔離與屏蔽措施。

MTi系統由三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁強計、溫度傳感器，以及A/D、DSP、FLASH、電源模塊、接口等組成，其結構框圖見圖2所示。

圖2 MTi結構框圖

MTi系統實時采集3D加速度計（ACC）、3D陀螺儀（GYR）、3D 磁強計（MAG）測量姿態數據，同時該數據既可以直接輸出，也可以用于MTi內部物理傳感器模型校準。利用加速度傳感器來校準俯仰角和橫滾角，利用地磁場數據校準偏航角，同時利用溫度傳感器（TEMP）進行航向角數據的補償（溫度傳感器的測量范圍是-55～125℃，精度為0.5℃）。當MTi周圍有影響磁場的物體時，MTi會在10～20 s左右的時間內進行現場磁場數據的檢測，以便確保航向角的測量精度。

由此可見，MTi系統可滿足動態情況下，水下航行體姿態參數聲學遙測的測量需求，符合水下航行體姿態遙測的小尺寸、低功耗、無需特殊校準等要求。一般情況下，水下航行體的運動姿態遙測精度不高，通常2°的精度便可對其航行狀態進行判定和評估。如有更高精度要求，可采用其升級產品—MTi 100[9]，該設備在運動狀態下具備航向角1°、姿態角0.25°的更高測量精度。

3 基于MTI的水聲遙測系統

水聲遙測系統主要用于水下航行體實航試驗時，姿態、航向等狀態參數的實時水聲獲取，用于水下航行體實航試驗整體功能測試及相應技術指標的檢驗與判定。水聲遙測系統基于水聲通信原理[10]，利用水聲調制編碼信號將水下航行體狀態信息傳送至岸基顯示。系統主要由安裝在水下航行體的聲源設備、水下聲學基陣、岸基處理設備等組成。水聲遙測系統原理框圖見圖3所示。

圖3 水聲遙測系統框圖

MTi系統安裝在水下航行體內（屬于聲源設備，見圖4所示），負責完成水下航行體航行參數的實時獲取。聲源設備實時將深度傳感器[11-15]、MTi系統的數據進行采集和處理，獲得水下航行體的航深、航向、俯仰、橫滾等狀態信息，通過功率放大器和發射換能器將其編碼后的聲信號發射出去，水下基陣接收到該聲信號后通過相應的信號處理，最終獲得水下航行體的航行姿態信息。其時鐘電路為統一時序所用，將航行體上聲源發射信號與岸基處理系統進行時鐘同步。另外，在設計固定位置時需要精確獲得在航行體坐標系中的位置坐標，使MTi系統坐標系與航行體坐標系建立轉換公式，以便進行航行參數的水聲遙測。

圖4 聲源設備原理框圖

4 試驗測試情況

水聲遙測系統試驗測試采用靜態和動態兩種方式進行，所謂靜態為聲源設備在水下為固定或漂懸/浮狀態，而動態為聲源設備安裝在水下航行體上或水面船只上動態模擬的試驗測試方法。對于整個水聲遙測系統來說，其實際應用條件應是在水下航行體中、高速航行狀態下的實航測試。為了模擬實際使用環境，利用MTi系統固定安裝在試驗船只上，實時將試驗船只的姿態等信息調制在聲源設備上，模擬水下航行體實航試驗情況。水聲遙測系統實時獲得接近真實使用情況下的，水下航行體航行狀態參數。該考核方式更加接近真實使用情況，具有較高的真實性。具體試驗方法見圖5所示。

圖5 試驗測試框圖

如圖5所示，在船只試驗測試時同時記錄MTi系統的姿態、航行及DGPS數據，將該數據與岸基水聲遙測數據進行對比分析（以MTi系統實時輸出數據為基準），利用靜態及動態測試的方式，獲得其水聲遙測航向角比對分析圖見圖6所示。

圖6 航向角水聲遙測比對圖

圖6中MTi系統實際的數據更新率可達100 Hz，但是由于本次動態船只實航試驗，船載記錄設備為了與船載聲源同步，姿態傳感器數據的記錄周期與船載聲源的大周期（4 s）相同。因此，姿態傳感器數據和水聲遙測數據個數不同，水聲遙測周期為2 s，也就是說水聲遙測數據約為姿態傳感器記錄數據的兩倍。雖然兩數據總量不同，但可從數據變化趨勢中看出，實際MTi系統測量值與水聲遙測值吻合。

經過動態與靜態試驗測試數據的統計分析，可知具體水聲遙測試驗的實際測量誤碼率見表2所示。其中姿態傳感器跑船測試誤碼率為后期進行比對分析得出的實際測量誤碼率。從表2的統計結果可以看出，無論是靜態、動態，還是MTi系統的實時動態測試，水聲遙測誤碼率均小于10-3，能夠滿足水下航行體的常規試驗測試需求。

表2 水聲遙測誤碼率表

5 結束語

水下航行體的運動狀態參數如能實現水聲實時遙測，將是對其實航試驗測試手段的一大提升，可在岸基實時獲得水下航行體的運動狀態，針對其功能和性能進行測試和檢驗，無需常規試驗結束后利用“內測”數據進行比對分析，具有直觀、高效等優點。利用MTi系統的小尺寸、低功耗、高數據率等優點，安裝在聲源設備上，負責獲得水下航行體的運動狀態參數，為其水下航行體姿態及航向聲學遙測提供一種可行的實施參考方案，具有較高的工程實用價值。

參考文獻：

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