基于應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的目標(biāo)快速定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證*

崔沁青 李 偉 楊 杰

（海軍潛艇學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系 青島 266199）

1 引言

隨著21世紀(jì)人們對(duì)海洋認(rèn)識(shí)和開發(fā)的進(jìn)程，水下航行器的使用和發(fā)展日趨活躍［1～2］。作為水下航行器完成任務(wù)的重要保證，其定位十分重要，但由于水下環(huán)境的未知性和復(fù)雜性，給其追蹤定位帶來了極大困難，需要考慮探測(cè)精度、探測(cè)距離、裝備成本的問題，以至于一般的水下定位技術(shù)無法滿足水下航行器的定位需求。特別是軍事用途的水下航行器，還需要額外考慮隱蔽性的要求。高精度的水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)是控制水下航行器作業(yè)航行的重要手段，因此水下定位系統(tǒng)也成為了檢驗(yàn)水下制導(dǎo)兵器性能的常用手段［3～5］。

水下航行器及水中兵器實(shí)航結(jié)束后需要搜尋和回收。目前，主要采用加裝主動(dòng)式聲信標(biāo)和應(yīng)答聲信標(biāo)兩種方式對(duì)水下目標(biāo)追蹤定位［6］。主動(dòng)式聲信標(biāo)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低、體積重量小、待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，便于安裝，但其最大的缺點(diǎn)是只能測(cè)量方向，難以測(cè)量距離［7］。另外，對(duì)于搜尋武器裝備來說，由于主動(dòng)式聲信標(biāo)持續(xù)發(fā)射主動(dòng)聲脈沖，一旦我搜索船只無法發(fā)現(xiàn)，容易將裝備位置暴露給別國(guó)探測(cè)設(shè)備，造成泄密［8］。為此，本文根據(jù)系統(tǒng)定位原理，設(shè)計(jì)了一種小型應(yīng)答式水下定位聲信標(biāo)，應(yīng)答式信標(biāo)入水后處于待機(jī)狀態(tài)，不主動(dòng)發(fā)射聲信號(hào)，只有收到合作（喚醒）聲信號(hào)時(shí)，才發(fā)出應(yīng)答聲信號(hào)，這樣既可以減小耗電以延長(zhǎng)工作時(shí)間，又可以避免被非合作方定位和打撈。基于應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試其系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)，為準(zhǔn)確追蹤實(shí)時(shí)解算和探測(cè)水下目標(biāo)位置提供依據(jù)。

2 應(yīng)答式水聲定位機(jī)理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 定位機(jī)理

應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)［9～10］的任務(wù)是為水下目標(biāo)提供精確導(dǎo)航定位，解決目標(biāo)在水下不同工況條件下的航行機(jī)動(dòng)性能參數(shù)測(cè)量問題。該系統(tǒng)可以在水下航行器及武器系統(tǒng)試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)地為水下目標(biāo)導(dǎo)航定位，保障目標(biāo)在水下試驗(yàn)中能安全、可靠、協(xié)同地機(jī)動(dòng)，是靶場(chǎng)重要的基礎(chǔ)測(cè)控設(shè)備。在海底預(yù)先布設(shè)應(yīng)答器基陣，在同步信號(hào)的觸發(fā)下，目標(biāo)上加裝的水聲收發(fā)機(jī)周期性地發(fā)射測(cè)距詢問聲信號(hào)，水下各應(yīng)答器收到詢問聲信號(hào)后應(yīng)答其相應(yīng)頻率的應(yīng)答信號(hào)，水聲收發(fā)機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，通過同步脈沖前沿測(cè)時(shí)，測(cè)得“詢問一應(yīng)答—接收”的雙程聲傳播時(shí)延，乘以聲速即可確定目標(biāo)到各應(yīng)答器之間的往返距離，從而得到空間橢球面交匯方程組，求解該方程組得出目標(biāo)所處的位置，逐點(diǎn)定位解算得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，由此為水下目標(biāo)定位導(dǎo)航。

應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的定位基元布置在船底，通常由三個(gè)以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成基陣。基陣長(zhǎng)度一般在幾米到幾十米之間，各換能器之間的相互關(guān)系精確測(cè)定，組成基陣坐標(biāo)系。已知三個(gè)陣元的坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）和（x3，y3，z3），聲速為c，分別測(cè)量出信標(biāo)發(fā)射的聲信號(hào)到達(dá)三個(gè)陣元的時(shí)間t1、t2、和t3，就能根據(jù)下列方程組計(jì)算出信標(biāo)的坐標(biāo)（X，Y，Z）。

式中，ti為聲脈沖從目標(biāo)到各基元的傳輸時(shí)間，c 為聲速。

應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量方式［11］是由一個(gè)換能器發(fā)聲，所有換能器接收，通過測(cè)量聲波在應(yīng)答器與發(fā)射基元之間的傳播時(shí)間來確定斜距；通過各基元接收應(yīng)答器信號(hào)的時(shí)間差來解算目標(biāo)的方位，進(jìn)而推算出應(yīng)答器的相對(duì)坐標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)基陣相對(duì)于船坐標(biāo)系的固定關(guān)系，配以垂直參考單元（VRU）、羅經(jīng)（Gyro）、參考坐標(biāo)系統(tǒng)（GPS）等外部傳感器，以獲取船的位置、姿態(tài)、船艏向等輔助信息，最終計(jì)算得到應(yīng)答器的大地坐標(biāo)［12］。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)組成見圖2，應(yīng)答信標(biāo)隨UUV 入水后立即激活，可以根據(jù)需要設(shè)定一個(gè)等待時(shí)間，當(dāng)?shù)却龝r(shí)間結(jié)束后就處于應(yīng)答狀態(tài)，應(yīng)答信標(biāo)在應(yīng)答狀態(tài)下并不會(huì)主動(dòng)發(fā)射聲信號(hào)，它只是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)脈沖聲信號(hào)，可以節(jié)約電量，并具有一定的隱蔽性。當(dāng)需要對(duì)UUV 等水下目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，測(cè)量船攜帶探測(cè)聲納航行到有效的探測(cè)距離內(nèi)，按設(shè)定的周期向聲場(chǎng)中發(fā)射探測(cè)脈沖聲信號(hào)，應(yīng)答信標(biāo)接收到探測(cè)脈沖聲信號(hào)后，立刻回復(fù)一個(gè)應(yīng)答脈沖聲信號(hào)，探測(cè)聲納檢測(cè)到應(yīng)答脈沖聲信號(hào)后，就能根據(jù)應(yīng)答脈沖聲信號(hào)相對(duì)于探測(cè)脈沖聲信號(hào)的時(shí)延值，測(cè)量出應(yīng)答信標(biāo)與探測(cè)聲納之間的距離。

圖1 應(yīng)答式水聲定位原理示意圖

圖2 應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)組成示意圖

探測(cè)聲納的濕端是一套測(cè)向基陣，測(cè)向基陣由1只收發(fā)合置換能器和2只接收換能器組成，3只換能器在水平面上呈L 形布置。收發(fā)合置換能器發(fā)射探測(cè)脈沖聲信號(hào)后就處于接收狀態(tài)，與另外2 只接收換能器一起檢測(cè)應(yīng)答脈沖聲信號(hào)。由于3 只換能器之間存在一定的間距，因此，不同入射方向的應(yīng)答脈沖聲信號(hào)到達(dá)3 只換能器的時(shí)間存在一定的時(shí)差，根據(jù)3 只換能器接收信號(hào)的時(shí)差及3 只換能器之間的間距，就能計(jì)算出應(yīng)答脈沖聲信號(hào)的入射方向。測(cè)量到應(yīng)答脈沖聲信號(hào)的入射方向及距離，就能對(duì)UUV進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

探測(cè)脈沖聲信和應(yīng)答脈沖聲信號(hào)的示意圖見圖3，探測(cè)脈沖聲信號(hào)由兩個(gè)CW 脈沖組成，應(yīng)答信標(biāo)必須接收到兩個(gè)有效的脈沖后，才回復(fù)應(yīng)答脈沖聲信號(hào)，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。應(yīng)答脈沖聲信號(hào)也由兩個(gè)CW 脈沖組成，可以用兩個(gè)脈沖之間的時(shí)差表示應(yīng)答信標(biāo)處于水下的深度（需要將UUV 上的壓力傳感器輸出的水壓值傳送給應(yīng)答信標(biāo)，應(yīng)答信標(biāo)再根據(jù)壓力值設(shè)置兩個(gè)脈沖之間的時(shí)差），因此本系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量出UUV 的方向、距離和深度。

圖3 探測(cè)脈沖聲信和應(yīng)答脈沖聲信號(hào)的示意圖

應(yīng)答信標(biāo)主要由收發(fā)合置換能器、信號(hào)調(diào)理電路、功率放大電路、數(shù)據(jù)處理單片機(jī)、嵌入式數(shù)據(jù)處理軟件和水密電子艙等組成，所有組成內(nèi)容都安裝在一個(gè)Φ55×90的水密電子艙內(nèi)。

探測(cè)聲納主要由測(cè)向基陣、功率放大電路、三通道信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理單片機(jī)、嵌入式數(shù)據(jù)處理軟件、顯控計(jì)算機(jī)和顯控軟件等組成，其組成框圖見圖5。顯控軟件運(yùn)行于工控計(jì)算機(jī)，顯控軟件可以通過觸摸屏或鼠標(biāo)操作探測(cè)過程。探測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在計(jì)算機(jī)硬盤上，可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。

圖4 應(yīng)答信標(biāo)組成框圖

圖5 探測(cè)聲納組成框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)機(jī)理和軟硬件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證系統(tǒng)工作機(jī)理的可行性，對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。開展湖上試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的作用距離、測(cè)距精度和測(cè)向精度，為準(zhǔn)確追蹤實(shí)時(shí)解算和探測(cè)水下目標(biāo)位置提供依據(jù)。

5月下旬，在杭州千島湖水域開展了水下應(yīng)答定位性能試驗(yàn)驗(yàn)證，包括最大定位距離驗(yàn)證、測(cè)距誤差試驗(yàn)、測(cè)向誤差試驗(yàn)和水下機(jī)動(dòng)軌跡測(cè)量等內(nèi)容。

3.1 最大定位距離驗(yàn)證

測(cè)量船拋錨在水深大于10m的水域，信標(biāo)探測(cè)聲納主機(jī)放置在測(cè)量船上，通過信號(hào)傳輸電纜將短基線陣吊放到水下約5m深度（圖6）。

圖6 最大定位距離湖上試驗(yàn)示意圖

將應(yīng)答信標(biāo)吊放到水下約5m 深度，并由橡皮艇拖拽緩慢運(yùn)動(dòng)，將應(yīng)答信標(biāo)與短基線陣之間的距離逐漸拉遠(yuǎn)，直到距離大于1000m。

信標(biāo)測(cè)量距離為899.7m（T=2s）和1429.4m（T=3s）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖7和圖8。

由測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知，本次試驗(yàn)的最大探測(cè)定位距離超過1400m。在距離900m 以內(nèi)，距離測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，幾乎沒有離散數(shù)據(jù)（圖7 右上距離曲線）；在900m～1400m 的距離范圍，測(cè)量數(shù)據(jù)離散性變大（圖8 右上距離曲線），并存在一定的漏測(cè)現(xiàn)象。此時(shí)，若使橡皮艇停車一段時(shí)間（超過5s）后，測(cè)量數(shù)據(jù)又會(huì)變得比較穩(wěn)定，判斷為橡皮艇開動(dòng)時(shí)螺旋槳噪聲對(duì)信號(hào)接收和檢測(cè)產(chǎn)生了干擾。

圖7 測(cè)距899.7m的數(shù)據(jù)分析圖

圖8 測(cè)距1429.4m的數(shù)據(jù)分析圖

另外，橡皮艇拖拽應(yīng)答信標(biāo)前行時(shí)，應(yīng)答信標(biāo)會(huì)因水流的作用向水面漂浮，使其實(shí)際入水深度變小（約2m～3m），收發(fā)深度差也會(huì)造成一定的聲傳播損失。

3.2 湖上測(cè)距誤差試驗(yàn)

橡皮艇拖帶信標(biāo)做遠(yuǎn)離基陣的直線運(yùn)動(dòng)，在146.6m～167.8m、281.2m～299.5m、551.0m～576m 三個(gè)距離區(qū)間的范圍內(nèi)，取30 個(gè)測(cè)量樣本，進(jìn)行激光測(cè)距（作為真值）和信標(biāo)測(cè)距的數(shù)值比對(duì)分析，求出絕對(duì)和相對(duì)誤差，圖9和圖10為誤差分析曲線。

圖9 絕對(duì)誤差分析曲線

圖10 相對(duì)誤差分析曲線

從實(shí)測(cè)結(jié)果和誤差曲線看，最大相對(duì)誤差為0.9%（288.5m 距離時(shí)的測(cè)量結(jié)果），平均相對(duì)誤差為0.3%，與實(shí)際測(cè)量距離相比產(chǎn)生的影響較小；另外，在600m以內(nèi)距離范圍，測(cè)量誤差并未隨距離拉大而增加。應(yīng)答式聲信標(biāo)水下測(cè)距精度和穩(wěn)定性令人滿意。

3.3 湖上測(cè)向誤差試驗(yàn)

采用1 條533 口徑UUV（AUV）搭載聲信標(biāo)實(shí)航，沿280°的徑向做遠(yuǎn)離聲納基陣的水下直線運(yùn)動(dòng)。在距離361m～539.3m 區(qū)間（圖11 中虛框內(nèi)航段，圖中右上角照片為搭載聲信標(biāo)的UUV），對(duì)回波計(jì)數(shù)第316～第416 共100 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采樣，獲得聲納—信標(biāo)測(cè)向數(shù)據(jù)為278.64°～286.15°，正負(fù)最大角度偏移量為7.51°，基于UUV（信標(biāo)）的計(jì)劃航向280°，可分析得出測(cè)向誤差小于7°。

圖11 信標(biāo)測(cè)向誤差試驗(yàn)及坐標(biāo)曲線

3.4 水下動(dòng)態(tài)軌跡測(cè)量監(jiān)控

清晨06：14，UUV 以5kn 航速、五角星形狀水下航行，通過短基線-聲信標(biāo)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量UUV 方位，測(cè)量結(jié)果如圖12中左半部分所示，測(cè)得UUV 水下最遠(yuǎn)距離218m（五角星頂點(diǎn)位置）；中午13：48，UUV 以5kn 航速、沿正方形（邊長(zhǎng)約100m*100m）水下航行，定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果如圖12中右半部分所示，測(cè)得UUV 水下最遠(yuǎn)距離約188m。經(jīng)與UUV 內(nèi)測(cè)記錄的軌跡比對(duì)，本定位系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度良好，可以作為UUV 水下位置實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效技術(shù)手段。

圖12 UUV動(dòng)態(tài)軌跡測(cè)量圖

3.5 試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的目的，經(jīng)過本次試驗(yàn)，可以初步得出以下結(jié)論：一是應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)可以正確地測(cè)量到信標(biāo)的距離和方向；二是應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)在湖上的最大作用距離約為1400m，如果增信標(biāo)及換能器基陣的布放深度，有可能進(jìn)一步提高最大作用距離。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)水下目標(biāo)精確導(dǎo)航定位的功能需求設(shè)計(jì)了一種小型應(yīng)答式水下定位聲信標(biāo)，并基于應(yīng)答式水聲定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開展湖上試驗(yàn)，驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的可行性及探測(cè)精度。針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出以下改進(jìn)措施：一是提高測(cè)向精度。本次試驗(yàn)所使用換能器基陣是一套在水平面上呈等邊三角形布置的3 基元測(cè)向陣，三角形的邊長(zhǎng)約為0.5m，基元間距比較短，測(cè)向精度和穩(wěn)定性不太理想，主要是為了便于人工布放。在信噪比足夠的情況下，3 基元測(cè)向陣的測(cè)向精度與基陣的孔徑近似呈線性關(guān)系，增加3 基元測(cè)向陣的邊長(zhǎng)就能提高測(cè)向精度；二是采用具有空間增益的換能器基陣提高作用距離。目前使用的換能器基陣的陣元是球形換能器，基陣的空間增益為0dB，如果采用具有空間增益的換能器基陣，可以進(jìn)一步提高作用距離。今后還需進(jìn)一步開展不同環(huán)境下的定位實(shí)驗(yàn)來提高系統(tǒng)追蹤目標(biāo)的可靠性和精確性。