船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測量與修正技術研究

張慶國　馬小勤　龔浩亮

摘 要： 針對船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測量及修正問題進行了分析與研究。利用姿態(tài)角修正公式對姿態(tài)角引起的系統(tǒng)定位誤差進行仿真，仿真結(jié)果表明同等條件下航向角對其影響較大，并且系統(tǒng)不同方位上的定位精度不同。采用GPS/北斗衛(wèi)星級聯(lián)結(jié)合微型慣導的組合方式進行船體姿態(tài)測量，經(jīng)過湖上實航試驗證明，該方案測量精度高，數(shù)據(jù)率更新快，并且實施簡單，能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)的需求。目前，該方案已在某型水聲定位系統(tǒng)上得到了具體應用，具有較高工程實用價值。

關鍵詞： 船載系統(tǒng)； 水聲定位系統(tǒng)； 姿態(tài)測量； 姿態(tài)修正

中圖分類號： TN929?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0073?04

Abstract： The problems existing in attitude measurement and correction of the shipborne acoustic positioning system are analyzed and researched. The system′s positioning error caused by attitude angle was simulated with the attitude angle correction formula. The results show that the heading angle impacts the positioning error more under the same conditions， and the positioning accuracy in the different orientation is different. The compound mode combining GPS / Beidou satellite cascade with miniature inertial navigation is adopted to execute the ship attitude measurement. The result of testing in a lake proves that the program have the high measurement accuracy， fast data update rate and simple implementation， and can satisfy the demands of shipborne acoustic positioning system. The program has been applied to a specific type of underwater sound positioning system. It has high practical value.

Keywords： shipborne system； acoustic positioning system； attitude measurement； attitude correction

0 引 言

船載式水聲定位系統(tǒng)可在船只高速航行狀態(tài)下實時完成水下目標的航行軌跡跟蹤。主要用于魚雷等水下武器的實航試驗，可實時獲得魚雷航行彈道軌跡以及脫靶量、攻擊舷角等攻擊效能評估參數(shù)，是水下武器進行試驗評估的重要手段。

船載式水聲定位系統(tǒng)在以往座底式水聲跟蹤系統(tǒng)的基礎上，使水下目標的動態(tài)實時相對定位變得更加精確，貼近實戰(zhàn)且使用靈活、方便，但同時也出現(xiàn)了一些相應的問題。例如，如果要定位精確，必須要實時高精度獲得水下基陣的姿態(tài)信息，并對水聲定位系統(tǒng)測量的定位數(shù)據(jù)進行相應修正處理[1]。否則，在船速過快或者船體有較大擺動時系統(tǒng)定位精度將受到較大影響，嚴重時甚至給出錯誤軌跡，無法正確定位。

1 船體姿態(tài)對定位系統(tǒng)的影響分析

考慮到試驗船只需要在高速運動狀態(tài)下實時進行水下目標的跟蹤與測量，同時，為了盡量提高水聲定位系統(tǒng)的測量精度和試驗效率，這里采用水下基陣固定安裝在試驗船底的測量方案。因此，在不考慮偏移和安裝誤差的情況下，定位系統(tǒng)水下基陣的姿態(tài)與試驗船體姿態(tài)相同。

1.1 姿態(tài)角定義

通常情況下，船體姿態(tài)是由航向角（又稱航偏角）、橫滾角（又稱滾動角）和俯仰角（又稱縱搖角）來定義的。船體姿態(tài)角的坐標系采用船體坐標系（BFS），以船體重心為原點，[Y]軸指向船體運動的方向，[X]軸垂直于[Y]軸指向船體右側(cè)，[Z]軸與[X，Y]軸正交形成右手坐標系，如圖1所示。為了方便后續(xù)進行姿態(tài)角修正公式的計算，這里規(guī)定航向角、俯仰角及橫滾角的正方向與圖1中旋轉(zhuǎn)箭頭標注相同。

1.2 船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)修正

船載式水聲定位系統(tǒng)得到的軌跡往往是以船載基陣為中心的北向坐標系中的軌跡，是相對的。而在試驗中，實際更需要的是相對于大地坐標系的絕對軌跡，因此，需要進行坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換與修正。

假定在測量過程中，基陣坐標系原點相對于大地坐標是靜止的，并認為兩個坐標系原點相同或有固定偏移（偏移量[（x0，][y0，][z0）T），]這樣，只需考慮基陣圍繞坐標軸的轉(zhuǎn)動便可。假設基陣坐標系為[oxyz，]大地坐標系為[OXYZ。]如圖1所示，基陣先繞[Z]軸轉(zhuǎn)動[φ]角（航向角），再繞[Y]軸轉(zhuǎn)動[α]角（橫滾角），再繞[X]軸轉(zhuǎn)動[β]角（俯仰角）。

1.3 姿態(tài)角對水聲定位系統(tǒng)的影響分析

為了明確船體姿態(tài)角對船載式水聲定位系統(tǒng)的測量精度影響，針對[α、][β、][φ]引起的定位誤差進行仿真分析。

將船體姿態(tài)角[φ]精度設為0.1°，[β]及[α]的測量精度設為0.5°，假設系統(tǒng)[α，][β，][φ]引起的系統(tǒng)定位誤差相互獨立，在不考慮文獻[1]和文獻[4]中所分析的其他誤差源（如聲速、時延值、基陣孔徑等）的基礎上，針對姿態(tài)角對水聲定位系統(tǒng)的定位精度影響進行仿真分析。依據(jù)實際船只航行經(jīng)驗，船體在航行中的俯仰角及橫滾角多在3°以內(nèi)，因此，仿真設定[α、][β]均為最大值3°。假設目標在與水聲定位系統(tǒng)基陣原點相距（斜距）為[R]的點位上，[R]變化范圍是1～1 080 m，步長為3 m。同時在每個[R]距離點上進行航向角1°～360°的變化，計算在該點距離、方位產(chǎn)生最大系統(tǒng)定位偏差時，所對應的姿態(tài)角度。分別對[X]方向、[Y]方向及總體定位誤差Δr進行仿真分析，其結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2可以看出，相對于[α、][β]來說，[φ]角度引起的系統(tǒng)[X]方向定位誤差最大， 圖3中顯示[α]和[β]引起的系統(tǒng)[Y]方向誤差基本相同，而[φ]角引起的誤差偏小。圖4為系統(tǒng)總定位誤差分析圖，可以看出當水下目標與船體航向夾角為255°～270°范圍內(nèi)時，由姿態(tài)角引起的誤差最大（約為4‰）。也就是說在試驗設計方案時，可以盡量避免將水下目標與試驗船只交匯點設計在定位誤差最大的區(qū)域內(nèi)，以減少由于姿態(tài)角測量精度帶來的系統(tǒng)定位誤差。

2 姿態(tài)參數(shù)測量方法

試驗船只在水面航行時，船體會因風浪、水流等因素的作用而發(fā)生姿態(tài)變化，此外船只自身的操作要求也會造成其姿態(tài)角的不斷變化。

2.1 姿態(tài)測量常規(guī)方法

傳統(tǒng)船載式水聲定位系統(tǒng)一般通過兩種方式進行姿態(tài)測量，一是先設計穩(wěn)定平臺，再將平臺安裝在試驗船只上，利用陀螺儀進行姿態(tài)測量；二是直接以船上的主慣導系統(tǒng)所提供的姿態(tài)信息為基準，通過數(shù)據(jù)傳遞的方式完成水下基陣的姿態(tài)測量。雖然上述兩種方法具有精度高、抗干擾強等特點，但同時也存在一些缺點：利用陀螺力學特性設計的穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)復雜，對器件和工藝的要求很高，使得穩(wěn)定系統(tǒng)體積較大，成本高；利用船只主慣導數(shù)據(jù)存在與水下基陣安裝位置的差異性，并且姿態(tài)信息傳遞干擾較大，且不易校準，另外，在沒有慣性導航系統(tǒng)的船只上無法使用。

船載式水聲定位系統(tǒng)的水下基陣固定安裝在試驗船只上，不可能在船只上預留穩(wěn)定平臺，也不可能要求試驗船只提供姿態(tài)數(shù)據(jù)，而高精度的慣性導航設備價格又較為昂貴。因此，在系統(tǒng)試驗時需要設計一種簡單、可靠的姿態(tài)測量方法，以滿足水聲定位的需求。目前，船載姿態(tài)測量都是采用陀螺儀和加速計組成的慣性導航系統(tǒng)，但是慣性導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴，在振動環(huán)境下，要獲得足夠精度和穩(wěn)定度的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)較難。并且陀螺羅經(jīng)啟動需要時間較長，還存在由于陀螺儀漂移而使姿態(tài)測量誤差隨時間的積累而越來越大的致命弱點。

2.2 衛(wèi)星/慣導組合測姿方法

隨著GPS/北斗載波相位技術與相干測量技術的飛速發(fā)展，相對定位的精度越來越高，已經(jīng)達到毫米量級，為船只姿態(tài)測量精度的提高提供了可靠的保證。早在20世紀90年代國外已在GPS的姿態(tài)測量上有了較為廣泛的研究和應用[2?3]。由于相干測量技術的實質(zhì)是一種無碼技術，不需要對導航星的導航星載波相比較獲得測量值，只需將解算的整周模糊數(shù)與姿態(tài)動力學相結(jié)合，便可確定載體的姿態(tài)。因此，可大大減少對國外GPS的解碼依賴，同時考慮到軍事應用的可能性。

這里采用GPS級聯(lián)北斗的衛(wèi)星姿態(tài)測量方案，同時結(jié)合小型MEMS陀螺和MEMS加速度計輔助的方法，提高船體姿態(tài)測量的可靠性和準確性。衛(wèi)星天線采用雙頻、雙天線（基線長度為3 m），兼容GPS與北斗系統(tǒng)，可同時工作。該測量方案與單純慣性導航系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、精度穩(wěn)定、體積小、可靠性高等優(yōu)點。衛(wèi)星天線固定安裝在試驗船只的頂部后，通過饋線與艙內(nèi)的接收機相連。這里需要注意的是，一旦天線安裝完成后，由于兩個天線組成的連線和真實船只頭尾連線定會存在一個固定偏角；另外，兩個衛(wèi)星天線頂端組成的面與船只水平面也會存在一定的夾角。因此，在姿態(tài)測量設備安裝完成后，需要利用標準測姿設備或者船載主慣導系統(tǒng)進行姿態(tài)數(shù)據(jù)的校準分析，獲得相對固定的偏角和夾角，在實際測量時進行簡單的修正便可對安裝偏差進行校正。

在國內(nèi)某區(qū)域標較過的標準點位（已知精確坐標），采用標準定位設備對船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測量設備進行實際測量，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，該測姿設備的實測定位精度可達到厘米級別，并且自身的定位精度可達毫米級，足以滿足船只定位精度要求。

采用標準姿態(tài)測量設備對其姿態(tài)參數(shù)的實驗測試，在某水域上獲得的測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，兩個設備的航向角測量數(shù)據(jù)具有一定的重合度（數(shù)據(jù)記錄時間不同），并且其俯仰角和橫滾角的實際測量精度較高，能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)要求。

3 試驗研究

為了驗證測姿設備在船載式水聲定位系統(tǒng)實際工作時的整體效果，在某湖上水域進行試驗測試。安裝有水聲定位系統(tǒng)及姿態(tài)測量設備的試驗船只從北向南航行，而載有聲源（發(fā)射與定位系統(tǒng)相匹配的聲信號）的漁船向東北方向滑行，定位系統(tǒng)根據(jù)測姿設備提供的姿態(tài)參數(shù)進行水聲定位數(shù)據(jù)的修正，最終獲得漁船的運動軌跡。試驗測試的軌跡圖如圖7所示。

圖7中的聲源水聲測量軌跡是由船載測量系統(tǒng)獲得，而聲源GPS軌跡由與聲源固定安裝在一起的GPS設備獲得。GPS設備獲得的大地坐標能夠與船載式水聲定位系統(tǒng)的水聲測量軌跡相重合，證明其水聲定位系統(tǒng)的測量結(jié)果是完整可信的，同時也證明了利用GPS/北斗衛(wèi)星級聯(lián)的組合測姿方案，能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的坐標轉(zhuǎn)換與實時修正需求，保證了船載式水聲定位系統(tǒng)的精度和可靠性。

4 結(jié) 語

如何簡單、準確地實時獲得船體的姿態(tài)信息，對于船載式水聲定位系統(tǒng)來說是至關重要的。本文針對姿態(tài)角對定位系統(tǒng)的影響進行仿真分析，結(jié)果表明在同等條件下不同方位角內(nèi)定位系統(tǒng)的測量精度不同。可在策劃試驗方案時，避開誤差較大的區(qū)域，以提高測量精度。

采用GPS/北斗衛(wèi)星級聯(lián)結(jié)合微型慣導的組合測姿方案，具有實施簡單，使用靈活、方便，精度高等優(yōu)點，且能在丟失衛(wèi)星的情況下利用內(nèi)置慣導數(shù)據(jù)進行短時間的姿態(tài)數(shù)據(jù)保持輸出。經(jīng)過湖上試驗船只的實際測試，證明該姿態(tài)測量方案能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)的動態(tài)測量需求，并且經(jīng)過坐標修正后的船載式水聲定位系統(tǒng)測量精度可達5‰，即使在相對水聲環(huán)境較為惡劣的動態(tài)實航條件下，定位系統(tǒng)可靠跟蹤距離可達1 500 m。

參考文獻

[1] 張慶國，王健培.船載式水聲跟蹤系統(tǒng)定位原理及誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（23）：70?73.

[2] JUANG J C， HUANG G S. Development of GPS?based attitude determination algorithms [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1997， 33（3）： 968?976.

[3] FERRANDO C， PEREZ A， SANCHEZ P R S. Integer ambiguity resolution in GPS for spinning spacecrafts [J]. IEEE Transactions on Acerospace and Electronic Systems， 1999， 35（4）： 1219?1229.

[4] 劉松海，孫向前，岳劍平.智能魚雷攻潛部位及攻擊角測量方法與誤差分析[J].艦船科學技術，2012，34（4）：79?88.

[5] 馬福誠，劉保良，滕擁軍，等.基于加速度計的載體姿態(tài)測量模型設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31（13）：61?63.

[6] 張慶國，王健培.船載式水聲跟蹤系統(tǒng)定位原理及誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（23）：70?73.