一種潛艇水下位置校準方法研究?

田向陽 林傳祿

（91388部隊 湛江 524022）

一種潛艇水下位置校準方法研究?

田向陽 林傳祿

（91388部隊 湛江 524022）

論文提出了一種基于超短基線水聲定位系統的水下潛艇位置校準方法，該方法對潛艇在復雜、危險海域進行的訓練乃至作戰任務都具有一定的實用性。

潛艇；超短基線；位置校準

1 引言

隱蔽性是潛艇的最主要特征，而既要隱藏于茫茫大海之中，又能精確地在預設的航道上安全航行，穿梭于復雜海域并能不被覺察地接近目標，就需要知道潛艇本身的精確位置及所在海域的情況。這不但需要對相關海域的進行詳細調查，同時必須有精確的導航系統對潛艇進行精確的定位導航。因此，我們提出了一種基于超短基線的潛艇位置校準方法。該方法能為接近或通過復雜海域的潛艇提供精確定位，以提高其航行安全性及遂行訓練、作戰任務的能力。

2 潛艇的導航系統

隨著時代的進步和科學技術的發展，潛艇導航系統種類越來越多，大致分類如下。

2.1 衛星導航系統

衛星導航系統可以為全球范圍內的用戶提供全天候、高精度的三維位置、三維速度和時間信息。但如果要在潛艇上使用，潛艇必須浮出水面接收衛星信號，與潛艇隱蔽性要求相沖突，因此衛星導航定位不適用于潛艇的水下導航［1］。

2.2 慣性導航系統

目前慣性導航系統（INS）是潛艇水下導航系統的核心。慣性導航技術是通過測量載體的加速度（慣性），并自動進行積分運算，獲得載體瞬時速度和瞬時位置數據的技術。INS系統基于慣性和陀螺儀原理對潛艇加速度進行二重積分來推算潛艇航位。組成慣性導航系統的設備都安裝在潛艇內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統，特別適合潛艇的導航。但INS會產生累積誤差，因此使用INS對潛艇進行長時間的水下導航必須配備其他導航修正系統［2～4］。

2.3 水下聲學導航系統

水下聲學導航系統需要在海中布放多個水聲發射器，通過接收發射器的信號使得潛艇可以確定它與發射器的方位和距離，并依此定位。水聲定位可以獲得很高的定位精度，對潛艇而言，不需要上浮，具有較好的隱蔽性。但該系統需要發射器長時間的發出聲信號，不但影響了其工作壽命，同時也更容易被敵方偵查到。

2.4 其他種類導航系統

其他種類的導航系統包括天文導航系統、羅蘭C導航系統、雙曲線無線電導航系統和雷達導航系統等。但和衛星導航系統一樣，這些導航系統均屬于非自主式導航系統，在使用過程中潛艇需要浮出水面，犧牲了潛艇的隱蔽性［5］。

3 水下聲學定位系統

水下聲定位導航系統是指利用水下聲波進行定位的系統，一般簡稱為水聲定位系統。利用水聲定位可以實現高精度、準實時、連續、自動地標識水下物體的位置，對于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遙控作業等應用領域有重要的意義。

3.1 水聲定位系統類型

水聲定位系統利用沿不同距離路徑傳播的水下聲脈沖的時間差或者相位差對水面、水中目標進行定位。它的基本組成部分為基元，基元間的連線稱為基線。通常情況下，已知幾個基元的位置坐標，根據潛艇的聲信號到幾個基元間的傳播時延，可以計算出潛艇的位置。根據接收基陣中基線的長度來分類，水聲定位系統可以分為短基線（Short Baseline，SBL）、超短基線（Ultra-Short Baseline，USBL或Super Short Baseline，SSBL）和長基線（Long Baseline，LBL）定位系統。表1中列出了這3種定位系統的分類［6～8］。

表1 水聲定位系統的分類

從安全性及操作性等方面考慮，潛艇上不可能安裝基線長的基陣，而超短基線系統具有基陣小、定位精度高等優點，這就決定了使用超短基線定位系統是進行潛艇位置校準的最佳選擇。

3.2 超短基線定位系統

利用超短基線系統進行定位是20世紀后期發展起來的水聲定位技術。超短基線定位系統確定水下目標位置是通過測量信號的到達方位和距離來定位的，而測向任務是通過測量信號到達接收基陣基元之間的相位差來實現的。超短基線系統的特點是基陣尺寸很小（一般為幾厘米到幾十厘米），所以其安裝比較方便，特別適合于小艇上安裝。“大洋一號”綜合科學考察船裝備的就是posidonia 6000的長程超短基線定位系統，工作水深6000m，它是法國OCEANO TECHNOLOGIES公司的產品。定位精度為斜距的0.3%。國家863計劃在“十五”期間資助的“長程超短基線系統”的研究，它的技術水平接近posidonia 6000，在4000m水深下其高定位精度達到0.5%斜距［9］。

4 基于超短基線的潛艇位置校準

4.1 超短基線定位系統的原理

超短基線定位基本原理如圖1所示。聲學基陣的4個基元對稱地分布于水平面內的兩坐標軸上，同一坐標軸上的兩基元間距均為d。通過測量基元之間的相位差即可對應答器進行測向；通過測量接收時刻和發射時刻的時延差，并在必要的時候進行聲速誤差修正，即可對應答器進行測距，從而可獲得二者之間的相對位置，或更確切地說，獲得應答器在潛艇基陣坐標系下的相對位置XA(x,y,z)，它在窄帶情況下可寫作式（1）［10］。

式中：φ12是基元1、2之間的相位差，φ34是基元3、4之間的相位差，λ是信號波長，R是斜距。

圖1 超短基線工作基本原理圖

4.2 基于超短基線的水下潛艇位置校準系統原理

如圖2所示，基于超短基線的潛艇位置校準系統由布設在海底的應答器和安裝在潛艇上的超短基線定位系統構成。海底應答器需要預先布設并經過絕對位置校準，并且應答器的應答信號包含應答器的編號或者其位置坐標的信息［11～12］。超短基線基陣通過與海底應答器進行詢問和應答，確定二者之間的相對位置，由于應答器位置已知，就可以確定潛艇當前位置，從而實現潛艇的位置校準。

為了獲得潛艇的絕對地理位置，我們需進行基陣坐標系下的位置向潛艇坐標下位置的變換，以及潛艇坐標的位置向大地坐標系下的位置變換兩個環節的工作。由于安裝的影響，基陣坐標系不可能與潛艇坐標系完全重合，其姿態角偏差一個固定角為Θ=[αβγ]，αβγ分別對應航向角偏差、縱傾角偏差和橫搖角偏差。從基陣坐標系到潛艇坐標系的變換關系可由旋轉矩陣R(Θ)陣表示：

式中γ'=acsin(sinβ cosα)。而潛艇的實時姿態角為ψ=[Akφ]，Akφ分別對應航向角、縱搖角和橫搖角。與式（2）類似，可以寫出從基陣坐標系到大地坐標系的旋轉變換矩陣R(ψ)。將坐標 XA進行坐標旋轉就可以得到大地坐標系下應答器相對于基陣中心的坐標R(ψ)R(Θ)XA。如果應答器的絕對大地坐標XT已經校準，就可以得到潛艇的大地坐標Xs：

式中：Xs=[xsyszs]T是水下潛艇的絕對大地坐標，XT=[xTyTzT]T是應答器的絕對大地坐標，δX=[δxδyδz]T為在潛艇坐標系下的基陣中心相對于潛艇中心的平移偏差。由式（3）可以看出，定位誤差與應答器絕對位置校準、安裝誤差校準、潛艇姿態測量、海洋環境以及基陣的超短基線定位有關。如果潛艇配備高精度姿態傳感器，則由它引起的定位誤差很小，幾乎可以忽略不計。應答器絕對位置校準誤差直接帶來潛艇的定位誤差，它不僅與測量設備的測距精度有關，還與潛艇和應答器之間的相對幾何關系密切相關，實際工作中可以通過設定適當的測量陣型和校準方法來減小該項誤差的影響。

5 基于超短基線的水下潛艇位置校準系統應用探討

基于超短基線的水下潛艇位置校準系統是通過在需要對潛艇進行精確定位導航的海域預先布放位置校準過的水聲應答器，通過潛艇上的超短基線系統和應答器之間的應答和相應解算得到潛艇相應位置信息，從而實現在此海域對潛艇進行隱蔽精確導航的系統。該系統能夠保證潛艇按照預定航線航行或到達預定位置。

圖2 基于超短基線的潛艇位置校準系統工作原理圖

5.1 系統可行性分析

首先，需要對潛艇進行精確定位導航的海域大多是距離大陸、海島較近的海域，水深一般不會超過1km，而目前水聲應答器的工作水深可達4km以上，完全能夠滿足系統工作海域的水深要求。應答器待的待機時間可達1～3年，應答次數10萬以上，也可以滿足特殊時期長時間在海底工作的要求。由于超短基線系統的基陣僅有幾厘米到幾十厘米，所以其在潛艇上的安裝工作簡單易行。目前國內哈爾濱工程大學的一套基于超短基線的單應答器定位導航系統工作斜距可達8km，深海試驗的誤差不大于斜距的0.5%。此定位導航精度完全可以滿足潛艇水下定位導航的要求［13］。

其次，布放海底應答器可以以科學考察、海洋調查等名義進行，通過裝載差分GPS或北斗定位導航系統的船在設定的地方精確布放應答器，這也保證了布放應答器時的相對隱蔽性。

最后，在水聲通信中可以采用Turbo碼與OFDM相結合的體制，通過擴頻通信、信息編碼、信息加密等手段對詢問、應答信號進行處理，從而保證潛艇同應答器之間通信的可靠性、安全性和隱蔽性。應答器的應答信息應包含應答器的編號甚至是其絕對位置，潛艇收到此信號后可以解算出潛艇自身的方位。

通過以上分析可以看出本文探討的基于超短基線的水下潛艇位置校準系統是可行的。

5.2 系統應用淺析

該系統可以應用于潛艇的時時定位導航和不定時導航修正兩種方式。

1）系統在實時定位導航中的應用

在實際應用中，基于超短基線的水下潛艇位置校準系統是非常復雜的系統，而其偏差也有所不同，這里我們做以下假設：

（1）基于超短基線的水下潛艇位置校準系統工作斜距為r，系統的定位精度為斜距的Δr；

（2）航行海域的水深滿足超短基線系統的工作條件，水深為d。

如圖3所示，我們可以預先在特定的海域布設一定數量的應答器。那么根據假設可以得到超短基線的水下潛艇位置校準系統的單個應答器的水平工作距離

由此得到水聲應答器之間合適的水平距離

設系統誤差Δr=0.4%，系統工作斜距r=8km，水深d=500 m，由式（4～5）可以得到基于超短基線的潛艇輔助系統水聲應答器之間的合適水平距離為即布放應答器時，其水平間距應為16km左右。

假設潛艇在同應答器的斜距響應范圍ri同應答器進行了應答，那么可以得到潛艇距離響應應答器之間的斜距

由此得出潛艇同響應應答器之間水平距離

那么該系統定位誤差就為 ||D-D1。

假設ri=6000m。由式（6）可以得到潛艇距離響應應答器之間的斜距r1=6000±6000?0.4%，即6024～5976m。由式（7）得出潛艇同響應應答器之間水平距離，即6003～5955m。那么可以得到該系統的誤差為，即：3～5m。這樣小的誤差對潛艇來說是完全可以接受的。這樣潛艇每次發出的詢問信號都能得到應答器的應答，然后根據該應答信號解算出自身的方位，從而修正自己的航向，保證潛艇按預定線路航行或到達預定位置。該系統也可以由應答器以合適的時間間隔或特定的時間點，自行發出信號，潛艇收到后也能解算處自己的位置。該應用的優點是可以對潛艇進行時時精確定位導航；該應用的缺點是需要布放大量應答器，成本較高。

圖3 基于超短基線的水下潛艇位置校準系統時時定位導航示意圖

2）系統在不定時導航修正中的應用

如圖4所示，在特定危險海域附近預先布放應答器，其位置已經過校準。當潛艇在接近該海域并有修正誤差的需要時，可以發出詢問信號，得到應答器的應答后，解算出潛艇的方位。當然也可以由應答器以合適的時間間隔或設定的特定時間，自行發出信號，潛艇則無需詢問。如果有進一步提高定位修正精度的需要，可以通過設計更加科學的航路和多次應答后的相互驗證來實現。該應用的優點是只許布防少量應答器，就能在在較大范圍內可達到較高定位精度，隱蔽性很好且成本較低；缺點是需要艇內人員對潛艇的自主導航誤差和應答器的位置有較為精確的了解，不能實現實時定位。

圖4 基于超短基線的水下潛艇位置校準系統不定時導航修正示意圖

6 結語

精確度、可用性和隱蔽性是對潛艇導航的最苛刻的要求。本文提出的基于超短基線的水下潛艇位置校準方法可以實現潛艇的水下精確定位和導航修正，從而滿足潛艇導航的以上要求。

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Research on the Position Calibration Method for Underwater Submarine

TIAN Xiangyang LIN Chuanlu
（No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

In this paper，a method of position calibration for underwater submarine based on ultra-short baseline acoustic positioning system is proposed，this method has a important practical meaning in the training even combat missions of submarine in the complex and dangerous sea area.

submarine，ultra-short baseline，position calibration

U674.76

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.012

Class Number U674.76

2017年4月10日，

2017年5月27日

田向陽，男，助理工程師，研究方向：通信技術。林傳祿，男，助理工程師，研究方向：時統技術、微波傳輸技術。