基于四元陣定位算法的魚雷入水點誤差分布分析

丁明惠, 莊 瑞, 岳 雷

基于四元陣定位算法的魚雷入水點誤差分布分析

丁明惠, 莊 瑞, 岳 雷

(昆明船舶設備研究試驗中心, 云南 昆明, 650051)

魚雷入水點精度是評定魚雷性能的主要戰技指標之一。文中首先推導了基于四元陣定位魚雷入水點算法, 并進行了仿真驗證。在此基礎上, 針對由于時延差估計導致的定位誤差進行了分析, 推導了其誤差方程, 給出了誤差較大部分的主要成因。最后對不同陣形的定位誤差進行仿真, 并將引入同向誤差和反向誤差的仿真結果進行對比。結果表明, 通過改變原來正方形陣元的布放位置, 定位誤差分布會向原正方形對角部分壓縮, 并且誤差較大的面積會減少, 從而達到了降低誤差、提高定位精度的目的。文中研究可為四元陣測量魚雷入水點工程應用提供參考。

魚雷; 入水點; 四元陣; 誤差分布

0 引言

火箭助飛魚雷是水下反潛的主戰武器之一, 其入水點精度對魚雷射擊效率有著重要的影響, 是火箭助飛魚雷的主要技術指標[1]。類似的水中兵器還包括火箭助飛誘餌、攔截彈、深水炸彈等。傳統測量魚雷入水點主要依靠光測方式, 但該方式受環境限制較大, 而且有效作用距離不能滿足試驗需求, 因此, 只通過光測方式測量魚雷入水點具有較大的風險[2]。

除了光測方式, 也可通過被動聲吶進行入水點測量。被動聲吶可采集魚雷入水過程產生的瞬態信號, 通過數據處理實現對魚雷入水點的定位[3]。目前常用的被動聲吶基陣主要包括直線陣、“L”型陣、圓柱陣、平面四元陣、三角形陣等[4]。相對而言, 四元陣結構設計簡單、陣元少、布放方便、成本不高, 廣泛應用于被動測量領域[5]。四元陣定位魚雷入水點系統是通過在估計入水點區域布放4個浮標, 浮標上包含差分全球定位系統(differential global positioning system, DGPS)、通信天線、水聽器以及信號處理電路組件等, 對魚雷入水信號進行采集并存儲。由于原始信號數據量大, 若通過無線通信進行回傳會給通信鏈帶來很大的負擔, 因此一般不進行實時處理, 而是待浮標回收后進行試后處理[6]。

關于四元陣定位目標問題, 文獻[7]對四元陣的定位盲區進行了分析, 大部分盲區可在陣元布放過程中避免。文中對四元陣定位魚雷入水點的算法和誤差進行了分析, 提出可通過改變四元陣陣形方式改變誤差分布, 從而提高定位精度。

1 四元陣定位入水點算法

1.1 數學模型

魚雷在入水過程中產生的聲信號為瞬態信號, 脈寬較小[8], 因此假設在產生聲信號時間段內, 聲源與浮標陣元的位置不隨時間變化而變化。

1.2 入水點坐標解析表達式

將式(2)中的第2個方程與第1個方程相減并化簡可得

同時將式(2)中的第3個方程和第4個方程分別與第1個方程相減, 可得

令

2 定位算法仿真

圖2 誤差分布圖

3 時延誤差對定位誤差分布影響分析

3.1 誤差分析

影響定位魚雷入水點誤差與聲速、浮標陣元位置以及時延差估計誤差有關[9], 其中時延差估計的精度對四元陣定位誤差影響最大[10]。

圖3 引入0.5 ms同向時延誤差的誤差分布

圖4 取對數后的誤差分布

令

可得

經推導, 得

在工程應用中, 若魚雷入水位置在誤差較大區域, 會導致定位結果不具備參考性。

3.2 誤差分布分析

仿真中, 對誤差大于10 m的部分均按10 m處理來研究誤差的分布情況, 仿真結果如圖5所示。絕對誤差不小于10 m為圖中紅色區域, 浮標陣元位置以圓形標注在圖中。從圖中可以發現, 誤差不小于10 m的區域占據了浮標陣元中心十字位置。

圖5 誤差大于10 m均記為10 m的誤差分布

圖6 陣形為平行四邊形的誤差分布

圖7 縮短平行四邊形上下邊的誤差分布

表1 不同陣形誤差不小于10 m區域占總面積的百分比

通過仿真可以發現, 引入反向誤差時, 大于10 m的誤差區域面積比引入同向誤差大; 在縮短平行四邊形上下邊時, 誤差較大區域有壓縮的趨勢, 但通過使用該方法進行壓縮誤差較大區域時有一定的極限, 超過該極限會導致誤差較大區域反彈增加。在進行其他的引入反向誤差仿真, 會得到相同的結果, 文中不再贅述。

表2 不同陣形誤差不小于20 m區域占總面積的百分比

圖9 誤差大于20 m均記為20 m的誤差分布

4 結束語

文中對四元陣被動定位魚雷入水點的誤差進行了研究, 對不同陣形的誤差分布進行仿真分析, 并對引入同向和反向誤差的仿真結果進行對比。仿真結果表明: 通過改變正方形一對角兩陣元的布放位置, 定位誤差分布會向原正方形無變化的對角部分壓縮, 且誤差較大的面積會減少, 從而達到了降低誤差、提高定位精度的目的, 但超過一定的極限會導致誤差較大區域反彈增加。當誤差要求在10 m范圍內時, 陣元坐標為(1 500, 0), (3 000, 0), (1 500, 3 000), (0, 3 000)會得到較好的誤差分布, 誤差不小于10 m區域面積占總面積的8.08%; 當誤差要求在20 m范圍內時,陣元坐標為(2500, 0), (3000,0), (500, 3 000), (0,3000)會得到較好的誤差分布, 誤差不小于20 m區域面積占總面積的1.87%。文中研究可為四元陣定位魚雷入水點的工程應用提供陣元布放位置的理論參考。

[1] 寧永成, 侯代文, 邢國強. 火箭助飛魚雷入水點精度評定方法[J]. 魚雷技術, 2011, 19(2): 109-113.Ning Yong-cheng, Hou Dai-wen, Xing Guo-qiang. An Accuracy Assessment Method of Water Entry Point for Rocket Assisted Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(2): 109-113.

[2] 馬錦垠, 侯寶娥. 火箭助飛魚雷入水點測量系統的設計與實現[J]. 火力與指揮控制, 2012, 37(8): 199-201.Ma Jin-yin, Hou bao-e. Design and Implementation of Measuring System of Water Entry Point for Rocket Assisted Torpedo[J]. Fire Control and Command Control, 2012, 37(8): 199-201.

[3] 劉文海. 水下被動目標瞬態特征檢測技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2010.

[4] 顧曉輝, 王曉鳴. 用雙直角三角形陣對聲目標定位的研究[J]. 聲學技術, 2003, 22(1): 44-48.Gu Xiao-hui, Wang Xiao-ming. Location of Acoustic Target with Dual Right-triangles Array[J]. Technical Acoustics, 2003, 22(1): 44-48.

[5] Gao J, Deng J, Cai K. Study on Optimization and Performance of Four-element Acoustic Sensors Array[J]. International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. US: IEEE, 2011: 720-723.

[6] 李韋華, 薛飛, 馬錦垠. 時延差雙曲面定位方法在魚雷入水點測量中的應用[J]. 魚雷技術, 2015, 23(6): 420-422.Li Wei-hua, Xue Fei, Ma Jin-yin. Application of Localization Method Based on Time Delay Difference and Hyperboloid to Torpedo Water-Entry Point Measurement[J]. Torpedo Technology, 2015, 23(6): 420-422.

[7] 金磊磊, 馬艷. 任意四元陣的定位盲區討論及誤差影響[J]. 探測與控制學報, 2015, 37(2): 90-94.Jin Lei-lei, Ma Yan. Discussion on Blind Area and Error Effect of Arbitrary Four-element Array[J]. Journal of Detection and Control, 2015, 37(2): 90-94.

[8] 呂成剛. 水下瞬態信號特性獲取與分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

[9] 金磊磊, 梁紅, 馬艷. 基于水下無線傳感器陣列網絡多模態信息融合的目標定位[J]. 西北工業大學學報, 2017, 35(6): 1020-1025.Jin Lei-lei, Liang Hong, Ma Yan. Target Localization of UWSAN Based on Multi-Modal Information Fusion[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2017, 35(6): 1020-1025.

[10] 宋新見. 數字式噪聲目標被動測距聲吶研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2004.

Analysis on Error Distribution of Torpedo Water-Entry Point Based on Four-Element Array Localization Algorithm

DING Ming-hui, ZHUANG Rui, YUE Lei

(Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

The accuracy of torpedo water-entry point is one of the main tactical and technical indexes for assessing performance of torpedo. For localizating torpedo water-entry point by four-element array, a localization algorithm is derived and simulated in this paper. The error caused by delay difference estimation is analyzed. An error equation is derived, and the main factors leading to larger error are given. Moreover, the localization errors of different array formations are simulated, and the simulation results with co-directional error and reverse error are compared. It shows that the localization error distribution will be compressed to the diagonal part of the original square by changing the placement of four-element array, and the area with larger errors will be reduced. Thus, the aim of reducing errors and improving localization accuracy is achieved.

torpedo; water-entry point; four-element array; error distribution

TJ630.33

A

2096-3920(2019)06-0658-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.009

丁明惠, 莊瑞, 岳雷. 基于四元陣定位算法的魚雷入水點誤差分布分析[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(6): 658-663.

2019-03-16;

2019-04-03.

丁明惠(1986-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水聲信號處理.

(責任編輯: 許 妍)