時延差雙曲面定位方法在魚雷入水點測量中的應用

李韋華，　薛　飛，　馬錦垠

（中國人民解放軍91439部隊， 遼寧 大連， 116041）

時延差雙曲面定位方法在魚雷入水點測量中的應用

李韋華，薛飛，馬錦垠

（中國人民解放軍91439部隊， 遼寧 大連， 116041）

針對魚雷入水點實時測量無法獲取的問題， 給出了一種基于多個陣元聯合定位的時延差雙曲面定位方法， 該方法可以測量目標大地坐標并達到10 m的定位精度（標準誤差）而無需矢量的方位數據， 同時討論了浮標陣的測時誤差對定位精度的影響， 結果表明， 浮標陣內測量誤差最大不超過4 m。海上試驗驗證了該方法的有效性。

魚雷； 時延差； 雙曲面； 浮標陣

0　引言

火箭助飛魚雷入水點定位是后續測量魚雷航行軌跡的重要環節。而火箭助飛魚雷入水信號弱， 容易被環境噪聲所掩蓋， 因此常常通過布設多個陣元來實現對目標的精確定位［1］。

文中基于多個陣元的聯合定位提出了一種時延差雙曲面交匯被動定位技術， 其優點是可以測量目標大地坐標并達到10 m的定位精度（標準誤差）而無需矢量方位數據。該方法一般作為魚雷入水點位置測量的補充方式， 以提高執行試驗任務的可靠性。多個浮標接收到的原始聲信號通過通信鏈上傳至信號處理平臺進行集中式處理， 原始波形的回傳給無線電通信鏈帶來很大的負擔， 因此往往不作為實時信號處理方案， 而是在實驗室平臺上對接收信號進行事后處理［2］。

1　時延差雙曲面定位方法的基本原理

假定在一個局部測量區域布設4個浮標， 以海平面為xoy平面， 建立右手直角坐標系， 如圖1所示。設目標位置為（x， y， z）， 4個陣元的坐標已知， （xi，yi，zi），i=1，2，3，4， 由浮標中i， j陣元測得的時延差τij可得定位方程

圖1　浮標陣與目標方位示意圖Fig.1　Schematic of buoy array and target azimuth

式中： τij=τi-τj， τi為從目標到陣元i的傳播時延； c為聲速。目標位置一定在由式（1）確定的雙曲面上， 將式（1）移項平方得

令

測量系統中有4個陣元， 兩兩間有多組時延差， 任取其中至少的3個相互獨立時延差建立方程組可以解出目標的水平位置［3-4］。

i號浮標距離坐標系原點距離

j號浮標距離坐標系原點距離

目標到j號浮標的距離

令

那么， 式（2）可簡化為

由于在布設浮標時， 采用的浮標完全一致，因此深度方向上Δzji=0， 同樣， 對于j，k號浮標有

對于k，p號浮標有

由上面3式可得

通過求解式（11）的一元二次方程得聲源的坐標位置

2　海上試驗驗證

為了檢驗上述方法的實用性， 利用時延差雙曲面定位方法實現了對某次試驗中魚雷入水位置、魚雷出水位置的精確定位。試驗前， 按照預先設定的浮標位置進行布放， 浮標陣1， 2， 3， 4的位置坐標為（84.13， 1 098）， （-199.52， 300.53），（-43.8， -1 360）， （1 012.4， -97.88）。4個浮標的位置成菱形， 布放時以魚雷的理論入水點為中心點進行布放。其中， 4個浮標接收到魚雷入水點信號的時間分別為427.346 7 s， 426.781 0 s， 426.857 4 s，427.287 1 s。將浮標接收到的4個時間依次相減，可獲得3個時延差。注意， 此處采用的時延差不能形成閉循環。將上面4個浮標位置和3個時延差帶入式（12）可得魚雷的入水點。4個浮標所接收到魚雷入水點信號的時間分別為631.148 0 s，630.689 7 s， 630.803 6 s， 630.711 1 s。處理方法同上。浮標位置與魚雷入水、出水位置等見圖2。

圖2　海上實測數據定位Fig. 2　Localization by data from sea trial

3　測時誤差對測量精度的影響

在求解聲源目標的水平坐標（x， y）時， 測量誤差一般由浮標位置的測量誤差、時延值的測量誤差決定， 一般認為浮標位置的測量誤差受海流的影響， 是一個固定誤差， 而時延值的誤差則是由人工判讀信號時引入， 這里采用測時誤差0.5 ms， 對測量精度的影響進行仿真［5］。

文中共設置4個浮標， 位置分別為（-1 500，0）， （1 500， 0）， （-1 500， 1 500）， （1 500， 1 500）， 聲源位置在1 500 m×1 500 m范圍內變化， 分別求出加入誤差后的聲源位置， 再求出與實際坐標的差值。如圖3所示， 引入測時誤差0.5 ms時， 聲源的測量誤差最大不會超過4 m， 且聲源的位置越靠近4個浮標的中心位置， 測量誤差越小， 而靠近任意2個浮標的連線時誤差就會變大， 這與實際情況相符。

4　結論

圖3　測時誤差0.5 ms對測量精度影響Fig. 3　Localization precision as time measurement error is 0.5 ms

針對魚雷入水點實時測量無法獲取時， 文中給出了時延差雙曲面定位的方法， 并利用海上實測數據對該方法進行了驗證， 討論引入浮標陣測時誤差時定位精度受到的影響， 從中得出如下結論。1） 魚雷入水點、出水點等在原始信號中明顯， 可計算不同浮標間的時延差， 從而可采用時延差雙曲面法進行定位。2） 由于人工引入的測時誤差對測量的影響較小， 在浮標陣內測量誤差最大不超過4 m。

［1］ 熊乾坤， 唐世軒. 一種魚雷主動聲自導目標檢測真實性判定方法［J］. 魚雷技術， 2015， 34（2）： 104-107.

Xiong Qian-kun， Tang Shi-xuan. A Facticity Judgment Method for Target Detection of Torpedo Active Acoustic Homing［J］. Torpedo Technology， 2015， 34（2）： 104-107.

［2］ 付進. 長基線定位信號處理若干關鍵技術研究［M］. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2007.

［3］ 田坦. 水下定位與導航技術［M］. 北京： 國防工業出版社， 2007.

［4］ 戎曉政， 劉加. 聲源定位中的時延估計方法研究［J］. 電聲技術， 2010， 34（2）： 42-46

Rong Xiao-zheng， Liu Jia. Research on Time Delay Estimation Methods in Source Location［J］. Audio Engineering， 2010， 34（2）： 42-46.

［5］ 蔡德軍， 胡濤. 時延估計技術及其在多途環境中的應用［J］. 聲學學報， 2001， 26（1）： 34-40.

Cai De-jun， Hu Tao. Time-delay Estimation and Its Application in Multipath Environment［J］. Acta Acustica， 2001，26（1）： 34-40.

（責任編輯： 楊力軍）

Application of Localization Method Based on Time Delay Difference and Hyperboloid to Torpedo Water-Entry Point Measurement

LI Wei-hua，XUE Fei，MA Jin-yin
（91439thUnit， The People′s Liberation Army Of China， Dalian 116041， China）

To measure torpedo water-entry point in real time， a localization method of time delay difference and hyperboloid based on multiple array is proposed. This method can measure the geodetic coordinates of a target with the precision of 10 m（standard error） without needing the azimuth of vector. The influence of time measurement error of buoy array on localization precision is discussed， and the result shows that the maximum measurement error in the buoy array is no more than 4 m.This method is verified by sea trial.

torpedo； time delay difference； hyperboloid； buoy array

TJ630.34獻標識碼: A

1673-1948（2015）06-0420-03

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.005

2015-08-19；

2015-09-08.

李韋華（1987-）， 男， 碩士， 工程師， 主要研究方向為水聲測量.