基于應答式水聲定位系統的目標快速定位技術實現及試驗驗證*

崔沁青 李 偉 楊 杰

（海軍潛艇學院戰略導彈與水中兵器系 青島 266199）

1 引言

隨著21世紀人們對海洋認識和開發的進程，水下航行器的使用和發展日趨活躍［1～2］。作為水下航行器完成任務的重要保證，其定位十分重要，但由于水下環境的未知性和復雜性，給其追蹤定位帶來了極大困難，需要考慮探測精度、探測距離、裝備成本的問題，以至于一般的水下定位技術無法滿足水下航行器的定位需求。特別是軍事用途的水下航行器，還需要額外考慮隱蔽性的要求。高精度的水下定位導航系統是控制水下航行器作業航行的重要手段，因此水下定位系統也成為了檢驗水下制導兵器性能的常用手段［3～5］。

水下航行器及水中兵器實航結束后需要搜尋和回收。目前，主要采用加裝主動式聲信標和應答聲信標兩種方式對水下目標追蹤定位［6］。主動式聲信標優點是結構簡單、功耗較低、體積重量小、待機時間較長，便于安裝，但其最大的缺點是只能測量方向，難以測量距離［7］。另外，對于搜尋武器裝備來說，由于主動式聲信標持續發射主動聲脈沖，一旦我搜索船只無法發現，容易將裝備位置暴露給別國探測設備，造成泄密［8］。為此，本文根據系統定位原理，設計了一種小型應答式水下定位聲信標，應答式信標入水后處于待機狀態，不主動發射聲信號，只有收到合作（喚醒）聲信號時，才發出應答聲信號，這樣既可以減小耗電以延長工作時間，又可以避免被非合作方定位和打撈。基于應答式水聲定位系統進行技術設計和實驗驗證，測試其系統功能和性能指標，為準確追蹤實時解算和探測水下目標位置提供依據。

2 應答式水聲定位機理及技術實現

2.1 定位機理

應答式水聲定位系統［9～10］的任務是為水下目標提供精確導航定位，解決目標在水下不同工況條件下的航行機動性能參數測量問題。該系統可以在水下航行器及武器系統試驗中，實時地為水下目標導航定位，保障目標在水下試驗中能安全、可靠、協同地機動，是靶場重要的基礎測控設備。在海底預先布設應答器基陣，在同步信號的觸發下，目標上加裝的水聲收發機周期性地發射測距詢問聲信號，水下各應答器收到詢問聲信號后應答其相應頻率的應答信號，水聲收發機收到應答信號后，通過同步脈沖前沿測時，測得“詢問一應答—接收”的雙程聲傳播時延，乘以聲速即可確定目標到各應答器之間的往返距離，從而得到空間橢球面交匯方程組，求解該方程組得出目標所處的位置，逐點定位解算得到目標的運動軌跡，由此為水下目標定位導航。

應答式水聲定位系統的定位基元布置在船底，通常由三個以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成基陣。基陣長度一般在幾米到幾十米之間，各換能器之間的相互關系精確測定，組成基陣坐標系。已知三個陣元的坐標分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）和（x3，y3，z3），聲速為c，分別測量出信標發射的聲信號到達三個陣元的時間t1、t2、和t3，就能根據下列方程組計算出信標的坐標（X，Y，Z）。

式中，ti為聲脈沖從目標到各基元的傳輸時間，c 為聲速。

應答式水聲定位系統的測量方式［11］是由一個換能器發聲，所有換能器接收，通過測量聲波在應答器與發射基元之間的傳播時間來確定斜距；通過各基元接收應答器信號的時間差來解算目標的方位，進而推算出應答器的相對坐標。系統根據基陣相對于船坐標系的固定關系，配以垂直參考單元（VRU）、羅經（Gyro）、參考坐標系統（GPS）等外部傳感器，以獲取船的位置、姿態、船艏向等輔助信息，最終計算得到應答器的大地坐標［12］。

2.2 技術實現

應答式水聲定位系統組成見圖2，應答信標隨UUV 入水后立即激活，可以根據需要設定一個等待時間，當等待時間結束后就處于應答狀態，應答信標在應答狀態下并不會主動發射聲信號，它只是實時監測探測脈沖聲信號，可以節約電量，并具有一定的隱蔽性。當需要對UUV 等水下目標進行定位時，測量船攜帶探測聲納航行到有效的探測距離內，按設定的周期向聲場中發射探測脈沖聲信號，應答信標接收到探測脈沖聲信號后，立刻回復一個應答脈沖聲信號，探測聲納檢測到應答脈沖聲信號后，就能根據應答脈沖聲信號相對于探測脈沖聲信號的時延值，測量出應答信標與探測聲納之間的距離。

圖1 應答式水聲定位原理示意圖

圖2 應答式水聲定位系統組成示意圖

探測聲納的濕端是一套測向基陣，測向基陣由1只收發合置換能器和2只接收換能器組成，3只換能器在水平面上呈L 形布置。收發合置換能器發射探測脈沖聲信號后就處于接收狀態，與另外2 只接收換能器一起檢測應答脈沖聲信號。由于3 只換能器之間存在一定的間距，因此，不同入射方向的應答脈沖聲信號到達3 只換能器的時間存在一定的時差，根據3 只換能器接收信號的時差及3 只換能器之間的間距，就能計算出應答脈沖聲信號的入射方向。測量到應答脈沖聲信號的入射方向及距離，就能對UUV進行準確的定位。

探測脈沖聲信和應答脈沖聲信號的示意圖見圖3，探測脈沖聲信號由兩個CW 脈沖組成，應答信標必須接收到兩個有效的脈沖后，才回復應答脈沖聲信號，這樣可以提高系統的抗干擾能力。應答脈沖聲信號也由兩個CW 脈沖組成，可以用兩個脈沖之間的時差表示應答信標處于水下的深度（需要將UUV 上的壓力傳感器輸出的水壓值傳送給應答信標，應答信標再根據壓力值設置兩個脈沖之間的時差），因此本系統可以同時測量出UUV 的方向、距離和深度。

圖3 探測脈沖聲信和應答脈沖聲信號的示意圖

應答信標主要由收發合置換能器、信號調理電路、功率放大電路、數據處理單片機、嵌入式數據處理軟件和水密電子艙等組成，所有組成內容都安裝在一個Φ55×90的水密電子艙內。

探測聲納主要由測向基陣、功率放大電路、三通道信號調理電路、數據處理單片機、嵌入式數據處理軟件、顯控計算機和顯控軟件等組成，其組成框圖見圖5。顯控軟件運行于工控計算機，顯控軟件可以通過觸摸屏或鼠標操作探測過程。探測的數據實時保存在計算機硬盤上，可以根據需要進行數據回放。

圖4 應答信標組成框圖

圖5 探測聲納組成框圖

3 試驗驗證

基于應答式水聲定位系統機理和軟硬件設計，試驗的主要目的是驗證系統工作機理的可行性，對主要技術指標進行測試。開展湖上試驗測試系統的作用距離、測距精度和測向精度，為準確追蹤實時解算和探測水下目標位置提供依據。

5月下旬，在杭州千島湖水域開展了水下應答定位性能試驗驗證，包括最大定位距離驗證、測距誤差試驗、測向誤差試驗和水下機動軌跡測量等內容。

3.1 最大定位距離驗證

測量船拋錨在水深大于10m的水域，信標探測聲納主機放置在測量船上，通過信號傳輸電纜將短基線陣吊放到水下約5m深度（圖6）。

圖6 最大定位距離湖上試驗示意圖

將應答信標吊放到水下約5m 深度，并由橡皮艇拖拽緩慢運動，將應答信標與短基線陣之間的距離逐漸拉遠，直到距離大于1000m。

信標測量距離為899.7m（T=2s）和1429.4m（T=3s）的試驗數據分析見圖7和圖8。

由測量數據分析可知，本次試驗的最大探測定位距離超過1400m。在距離900m 以內，距離測量數據連續穩定，幾乎沒有離散數據（圖7 右上距離曲線）；在900m～1400m 的距離范圍，測量數據離散性變大（圖8 右上距離曲線），并存在一定的漏測現象。此時，若使橡皮艇停車一段時間（超過5s）后，測量數據又會變得比較穩定，判斷為橡皮艇開動時螺旋槳噪聲對信號接收和檢測產生了干擾。

圖7 測距899.7m的數據分析圖

圖8 測距1429.4m的數據分析圖

另外，橡皮艇拖拽應答信標前行時，應答信標會因水流的作用向水面漂浮，使其實際入水深度變小（約2m～3m），收發深度差也會造成一定的聲傳播損失。

3.2 湖上測距誤差試驗

橡皮艇拖帶信標做遠離基陣的直線運動，在146.6m～167.8m、281.2m～299.5m、551.0m～576m 三個距離區間的范圍內，取30 個測量樣本，進行激光測距（作為真值）和信標測距的數值比對分析，求出絕對和相對誤差，圖9和圖10為誤差分析曲線。

圖9 絕對誤差分析曲線

圖10 相對誤差分析曲線

從實測結果和誤差曲線看，最大相對誤差為0.9%（288.5m 距離時的測量結果），平均相對誤差為0.3%，與實際測量距離相比產生的影響較小；另外，在600m以內距離范圍，測量誤差并未隨距離拉大而增加。應答式聲信標水下測距精度和穩定性令人滿意。

3.3 湖上測向誤差試驗

采用1 條533 口徑UUV（AUV）搭載聲信標實航，沿280°的徑向做遠離聲納基陣的水下直線運動。在距離361m～539.3m 區間（圖11 中虛框內航段，圖中右上角照片為搭載聲信標的UUV），對回波計數第316～第416 共100 個數據點進行采樣，獲得聲納—信標測向數據為278.64°～286.15°，正負最大角度偏移量為7.51°，基于UUV（信標）的計劃航向280°，可分析得出測向誤差小于7°。

圖11 信標測向誤差試驗及坐標曲線

3.4 水下動態軌跡測量監控

清晨06：14，UUV 以5kn 航速、五角星形狀水下航行，通過短基線-聲信標定位系統實時測量UUV 方位，測量結果如圖12中左半部分所示，測得UUV 水下最遠距離218m（五角星頂點位置）；中午13：48，UUV 以5kn 航速、沿正方形（邊長約100m*100m）水下航行，定位系統實時測量結果如圖12中右半部分所示，測得UUV 水下最遠距離約188m。經與UUV 內測記錄的軌跡比對，本定位系統實測數據擬合度良好，可以作為UUV 水下位置實時監控的有效技術手段。

圖12 UUV動態軌跡測量圖

3.5 試驗結論

本次試驗達到了預期的目的，經過本次試驗，可以初步得出以下結論：一是應答式水聲定位系統可以正確地測量到信標的距離和方向；二是應答式水聲定位系統在湖上的最大作用距離約為1400m，如果增信標及換能器基陣的布放深度，有可能進一步提高最大作用距離。

4 結語

本文針對水下目標精確導航定位的功能需求設計了一種小型應答式水下定位聲信標，并基于應答式水聲定位系統的軟硬件設計開展湖上試驗，驗證了定位系統的可行性及探測精度。針對實驗結果提出以下改進措施：一是提高測向精度。本次試驗所使用換能器基陣是一套在水平面上呈等邊三角形布置的3 基元測向陣，三角形的邊長約為0.5m，基元間距比較短，測向精度和穩定性不太理想，主要是為了便于人工布放。在信噪比足夠的情況下，3 基元測向陣的測向精度與基陣的孔徑近似呈線性關系，增加3 基元測向陣的邊長就能提高測向精度；二是采用具有空間增益的換能器基陣提高作用距離。目前使用的換能器基陣的陣元是球形換能器，基陣的空間增益為0dB，如果采用具有空間增益的換能器基陣，可以進一步提高作用距離。今后還需進一步開展不同環境下的定位實驗來提高系統追蹤目標的可靠性和精確性。