一種改進的水下運動目標遠航程導航定位方法

杜召平, 劉百峰, 趙 曄

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一種改進的水下運動目標遠航程導航定位方法

杜召平, 劉百峰, 趙 曄

(中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

當前水下運動目標定位主要采用船載水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法和船拖水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法, 但這兩種方法存在跟蹤定位精度較低、實施難度大以及設備維護修理困難等問題。基于此, 提出了采用水下目標加裝光纖陀螺儀-差分全球定位系統（DGPS）組合制導技術, 以實時測量、記錄水下目標的航行姿態、航行速度和位置坐標, 通過編碼把目標的位置坐標數據實時轉換為同步水聲多頻多脈沖時延編碼信號發射, 利用船拖水聽器測量水聲多頻多脈沖時延編碼信號, 通過船載基站實時解算, 從而實現指引測控船完成遠航程水下目標的實時跟蹤、定位、監測任務。試驗結果表明, 該方法可有效實現對遠航程水下目標的跟蹤定位和實時監測。

水下運動目標; 水聽器基陣; 聲信標跟蹤定位; 水聲多頻多脈沖時延編碼信號; 遠航程

0 引言

目前主要采用船載水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法和船拖水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法對遠航程水下目標實現跟蹤定位, 并實時測量、解算目標的位置坐標和航行軌跡。

船載水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法是通過船載水聽器基陣測量目標聲信標的pinger信號, 利用同步球面交匯算法或異步雙曲面交匯算法解算出目標的位置。此方法需要在測控船底部安裝多基元陣, 工程實施難度大, 設備維護修理困難, 船底安裝基陣基線長度受限, 且測控船噪聲對水聲信號檢測效果影響很大, 使得系統很難達到較高的測量精度和較遠的測量距離。

船拖水聽器基陣-聲信標跟蹤定位方法采用長基線水聽器陣設計, 水聽器陣元安放在軟管內, 由船載伺服拖動裝置拖曳, 通過測量目標聲信標的pinger信號, 采用球面交匯、雙曲面交匯算法解算出目標的位置。由于水聽器基陣是安放在幾十米長的軟管內, 導致水聽器基陣姿態難以控制, 當目標大舵角轉向或測控船航路上有障礙物(如漁網)時, 很難保證水聽器陣的姿態、深度、拖動速度和回轉角, 造成部分目標信號數據丟失或失去目標信號, 從而導致定位、跟蹤失敗。船載差分全球定位系統（differential global positioning system, DGPS）安裝在飼服拖動裝置上[1], 水聽器陣相對測控船的位置是不確定的, 跟蹤定位精度較低。另外, 因不同海域水聲傳播特性的不確定性, 利用水聲pinger信號測距也會導致定位精度降低。

以上2種傳統測量方法在工程實現上存在較大困難, 測量指標精度也難以保證。目前, 捷聯式光纖陀螺儀-DGPS組合導航定位技術已趨于成熟, 并有多種型號的產品。如法國的U-Phins水下光纖慣性導航系統, 內含數字信號處理器、卡爾曼濾波器, 并具有DGPS、水下聲學定位系統、聲學多普勒計程儀及深度傳感器多種接口, 其定位精度優于3 m/h, 若采用DGPS和計程儀等多種數據擬和濾波處理, 可進一步提高系統的定位精度。因此, 本文提出在目標內部加裝高精度捷聯式光纖陀螺儀-DGPS組合導航裝置(DGPS主要用于目標下潛前的初始定位), 采用船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位方法實現遠航程水下運動目標導航定位。

1 船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位

該方法是在目標內部加裝高精度捷聯式光纖陀螺儀-DGPS組合導航裝置, 用以測量、記錄目標的航行姿態[2]、航行速度和位置坐標, 通過編碼把水下目標的位置坐標數據實時轉換為水聲多頻多脈沖時延編碼信號發射, 船拖水聽器接收水聲多頻多脈沖時延信號, 經放大、濾波和信號預處理后, 轉換為數字信號發送給船載基站, 船載基站實時解算、顯示目標的位置坐標、航行軌跡、航行速度和本船位置坐標等信息, 指引測控船完成遠航程水下目標的實時跟蹤、定位及監測任務。船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位系統海上實施示意圖如圖1所示。

圖1 船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位系統海上實施示意圖

船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位方法的定位精度以水下目標內載組合導航裝置的定位精度為準, 船載基站的定位精度僅取決于目標內載組合導航裝置的定位精度和水聲多頻多脈沖時延編碼信號的時延檢測精度, 與海區的水聲傳播特性無關。船拖全向水聽器可測量周圍任意位置的目標信號, 若測控船航路上有障礙物(如漁網)時, 可以以任意姿態航行而不影響測量效果, 緊急時還可短時回收水聽器, 重新布放水聽器時, 不會丟失目標, 也不影響定位精度。

1.1 系統原理及組成

船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位系統由聲信標分系統和船載基站顯控分系統兩部分組成。聲信標安裝在水下目標上, 主要完成水下目標位置坐標的測量、記錄和水聲多頻多脈沖時延編碼信號的生成與發射功能, 船載顯控基站主要完成水聲信號的采集、檢測、處理、定位解算和導引測控船功能。

聲信標分系統由捷聯式光纖陀螺儀-DGPS組合制導模塊、信號處理模塊、深度測量模塊、內記模塊和信號發射模塊等組成, 系統組成原理見圖2。其中組合制導模塊提供目標的航行姿態、航行速度和位置坐標信息, 深度測量模塊提供目標的深度信息, 計時與分頻模塊提供高精度的時間信息和載頻信號, 信號處理模塊接收組合制導模塊數據、深度數據和時間數據, 把這些數據綁定送往內記模塊記錄, 并按一定時間間隔選取目標的位置坐標數據, 通過編碼把選取的位置坐標數據轉換為水聲多頻多脈沖時延編碼信號發射。

圖2 聲信標分系統組成原理框圖

船載顯控基站分系統主要由水聽器、拖曳電子艙、船載處理機、主控與顯控計算機和伺服拖動裝置等部分組成, 系統組成原理如圖3所示。

圖3 船載顯控基站分系統組成原理框圖

圖3中, 信號采集模塊由前置放大、濾波部分組成, 負責多頻多脈沖水聲時延編碼信號的采集、初級放大與濾波; 信號預處理模塊由放大、A/D轉換、自檢模塊、自適應濾波器、瞬時頻率方差序列與門限檢測器等部分組成, 完成信號A/D轉換、檢測與預處理和系統自檢功能, 并把水聲多頻多脈沖時延編碼信號的時延信息轉換為時延數據信息, 通過拖曳電纜(422接口)把水聲多頻多脈沖時延編碼數據和水聽器深度數據傳送給船載處理機; 船載處理機實時接收水聽器深度數據、水聲多頻多脈沖時延編碼數據和船載DGPS數據, 控制伺服拖動裝置工作以保證水聽器的工作深度, 綁定水聲多頻多脈沖時延編碼數據、船載DGPS數據和水聽器深度數據發送給主控計算機; 主控計算機實時解算、顯示水下目標與測控船的位置坐標、運動軌跡、航速、航向、相對運動量和水聽器的工作深度; 顯控計算機安裝在測控船駕駛指揮室, 以實時接收主控計算機的顯控數據, 指引測控船完成跟蹤、定位和監測任務。

1.2 水聲多頻多脈沖時延編碼原理與定位精度估計

聲信標把目標的位置坐標實時轉換為水聲多頻多脈沖時延編碼信號, 船載基站把水聲多頻多脈沖時延編碼信號轉換為目標的位置坐標信息[3]。

圖4 水聲多頻多脈沖時延編碼測量原理圖

圖4中, 假設水聲多頻多脈沖信號的最大作用距離為×10m, 水聲傳播速率約為1.5×103m, 得到目標水聲脈沖信號到達測控船的最大傳播時間

假設水聲脈沖時延檢測精度為μs;目標最大徑向或縱向航程為×10m; 取水聲多頻多脈沖時延編碼信號的最大延遲時間為max,s; 得水下目標位置測量精度

設目標組合制導精度為Δ2, 目標到顯控基站距離的測量精度為Δ1, 得系統的定位精度

系統跟蹤定位數據以目標內記數據為準, 船載顯控基站的測量數據主要為測控船提供跟蹤、定位、監測和導航信息。

2 試驗結果與分析

為了驗證本系統的實用性, 結合相關試驗進行了驗證。試驗海況3級, 試驗中捷聯式光纖陀螺儀-DGPS組合導航系統安裝在目標船上, 利用拖曳式水聲換能器模擬目標, 設定工作深度30~50 m。目標顯控基站安裝在監測船上, 根據海區深度、聲線梯度和監測船與目標船的相對距離, 預報聲線傳播特性, 通過收放拖纜調整監測水聽器保持在最佳深度[4]。

設定跟蹤范圍縱向、徑向均為±100 km, 目標脈沖檢測精度為10us, 最小信號脈沖發射間隔為1ms(考慮信號延展), 水聲多頻多脈沖時延編碼信號的最大延遲時間為5s, 脈沖時延間隔2.5s對應目標相對位置0點, 每間隔5 s發射1組脈沖(消除距離模糊且便于判別首脈沖)。目標換能器定位精度約為10 m。

在進行信號脈沖提取時, 考慮到試驗海區水深及目標大致距離, 可獲取目標直達波和1次、2次反射波信號。對于噪聲干擾會造成某個脈沖信號判別丟失或目標處于聲影區情況, 系統利用先驗目標位置選取符合期望值的1組直達波或1次、2次反射波信號解算目標位置。

通過跟蹤目標軌跡, 導引測控船與目標船的距離控制在3 km左右, 跟蹤測量定位結果如圖5所示。

對試驗結果分析可知: 1) 利用船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位技術, 可實現遠航程水下目標的跟蹤測控; 2) 在連續測量的629組數據中, 直達波脈沖(首次到達的信號脈沖)丟失了43個信號, 利用反射波脈沖信號31組, 無法有效判定的信號2組, 表明利用目標反射波信號作為測量樣本可行, 能有效解決噪聲干擾導致直達波脈沖丟失或目標處于聲影區問題。3)采用多脈沖時延編碼定位技術, 有效消除了測距定位方法因聲線彎曲、聲速無規律變化引起的測距誤差(水深30~50 m, 距離2~4 km, 因裝定聲速誤差導致的測量誤差約為30 m), 水下目標位置測量誤差小于1 m, 系統定位誤差主要表現為目標組合導航定位誤差。

圖5 跟蹤測量定位結果

3 結論

本文提出的船拖水聽器-聲信標水聲多頻多脈沖時延編碼跟蹤定位方法, 可有效實現對遠航程水下目標的跟蹤定位和實時監測功能。通過試驗驗證可知, 系統的定位精度與海區聲場特性無關, 主要取決于目標內載組合導航裝置的定位精度。

[1] 宋凝芳, 楊功流. 光纖陀螺捷聯式慣性系統的研究與設計[J]. 中國慣性技術學報, 2002, 10(2): 11-15. Song Ning-fang, Yang Gong-liu. Research and Design of FOG Strapdown Inertial Navigation System[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2002, 10(2): 11-15.

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[4] 程桂勇, 丁翠環, 岳劍平. 長基線浮標級聯陣高精度跟蹤定位算法研究[J]. 艦船科學技術, 2008, 30(5): 154-157. Cheng Gui-yong, Ding Cui-huan, Yue Jian-ping. Algorithm Study on High Precision of Acoustic Tracking for Long Base Line Buoy Relay Array[J]. Ship Science and Technology, 2008, 30(5): 154-157.

An Improved Navigation Positioning Method for Underwater Moving Target at Long Range

DU Zhao-ping, LIU Bai-feng, ZHAO Ye

(91388thUnit, The people′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

Two conventional positioning methods for an underwater moving target, i.e. ship-borne hydrophone array-acoustic beacon tracking positioning method and ship-towed hydrophone array-acoustic beacon tracking positioning method, are of low tracking positioning accuracy, and of difficulty in implementation and equipment maintenance. So we presented an integrated guidance technology by equipping underwater target with optical fibre gyro and adopting differential global positioning system(DGPS) to measure and record in real time the attitude, velocity and position coordinates of an underwater moving target. The position coordinate data of the target are converted to synchronous underwater acoustic multi-frequency and multi-pulse time-delay encoded signal for transmission, and the encoded signal is measured by ship-towed hydrophones and real-timely resolved by ship-borne base station, thus the measuring and control ship can be guided to accomplish the tasks of tracking, positioning, and monitoring an underwater target at long range in real time. The sea trial result demonstrates the effectiveness of the proposed positioning technology.

underwater moving target; hydrophone array; acoustic beacon tracking positioning; underwater acoustic multi-frequency and multi-pulse time-delay encoded signal; long range

TJ630.33

A

1673-1948(2012)04-0281-04

2011-12-27;

2012-04-05.

杜召平(1977-), 男, 碩士, 主要研究方向為水聲測控技術.

(責任編輯: 楊力軍)