徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林 541002)

0 引言

以前的論文［1－2］討論了磁定位方法的發(fā)展。在沒有艦載定位系統(tǒng)的情況下，需要精確收集艦船磁場(chǎng)信號(hào)。該方法主要應(yīng)用于布置在港口的磁傳感器陣列，目的是監(jiān)控進(jìn)出港口艦船的磁場(chǎng)梯度信號(hào)。但該方法的問題在于，當(dāng)比較不同情形下的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，磁場(chǎng)信號(hào)的變化嚴(yán)重依賴于潮汐深度、艦船和傳感器陣列的相對(duì)位置。因此，為了獲得精確結(jié)果，本文將潮汐變化、艦船和傳感器陣列的相對(duì)位置2個(gè)重要影響因素納入到艦船磁場(chǎng)信號(hào)模擬模型中。

如果磁性定位方法能解決上述問題，該方法便能廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如檢測(cè)、深水、聲音和多重干擾、安全監(jiān)控系統(tǒng)以及屏蔽信號(hào)收集等。

1 信號(hào)模擬的優(yōu)點(diǎn)

假如磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)有效，信號(hào)模擬方法更能精確的定位艦船蹤跡。為了說明這一點(diǎn)，分析圖1和圖2。圖1顯示艦船航行于陣列中1個(gè)傳感器的上方及測(cè)量數(shù)據(jù)。圖2顯示艦船航行于陣列中2個(gè)傳感器之間的上方及測(cè)量數(shù)據(jù)。比較圖1和圖2，可以看出測(cè)量信號(hào)嚴(yán)重依賴于艦船與陣列的相對(duì)位置。另外，一個(gè)嚴(yán)重影響測(cè)量信號(hào)的因素——潮汐深度，也能得出相同結(jié)論。

磁場(chǎng)模擬方法依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)建立艦船模型，通過模型推算出任何區(qū)域的信號(hào)。最有效的陣列方式是在相應(yīng)艦船類別的目標(biāo)深度下，艦船直接通過傳感器陣列的中心。換言之，假設(shè)艦船通過的陣列如圖2所示，則模擬信號(hào)如圖1所示。因此，為了獲得精確的結(jié)果，必須考慮到潮汐變化和艦船與陣列的相對(duì)位置。

2 磁性定位方法

為了計(jì)算磁場(chǎng)蹤跡，給出2種基本假設(shè):一是艦船航跡為1條直線，二是艦船航速恒定。雖然這些條件不是在每種情形之下都能實(shí)現(xiàn)，但是大部分情況艦船是在給定方向按照給定的速度航行的，因?yàn)橥ǔＶ挥?條通向港口的適于航行的通道，所以上述條件能得到有效的執(zhí)行。磁性探測(cè)方法能應(yīng)用于變化的傳感器系統(tǒng)，至少需要2個(gè)傳感器。一個(gè)典型的測(cè)量裝置包括3～5個(gè)三軸向磁性傳感器，傳感器的位置精確度為±7 cm。艦船必須從2個(gè)傳感器之間通過(如圖3所示)。為了精確測(cè)量艦船磁場(chǎng)，一個(gè)典型的港口通常包括大量傳感器。圖4為布置于狹窄航道的5個(gè)傳感器示意圖。為了充分確保測(cè)量信號(hào)的精確性，關(guān)鍵在于傳感器的間隔距離小于水深以及適當(dāng)?shù)男旁氡取?/p>

通常在港口中，艦船航向和實(shí)際航向相差少于1°，艦船與傳感器陣列相對(duì)位置在1 m以內(nèi)，艦船航行速度小于30 cm/s。模擬信號(hào)的最大誤差小于3%，最小誤差小于0.1%。圖5顯示的軌跡采用磁性定位運(yùn)算法則，航行速度5 m/s，艦船與陣列中心相距7.3 m，航向25°。圖5中交叉點(diǎn)代表傳感器，線條代表艦船軌跡。實(shí)際測(cè)量信號(hào)和采用磁性定位推算的信號(hào)如圖6所示。3條點(diǎn)線代表相同方式下的推算信號(hào)，2種信號(hào)間的最大誤差為1.3%。由此可見，考慮到潮汐變化和艦船與陣列的相對(duì)位置2個(gè)重要因素，模型既具有真實(shí)性，又具有精確性和穩(wěn)定性，滿足工程實(shí)際需求。

2.1 信號(hào)收集系統(tǒng)

磁性定位方法尤其適合于監(jiān)視艦船進(jìn)出海港或者港口。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要在每艘艦船上安裝相應(yīng)的艦載定位裝置，便能精確定位艦船蹤跡。當(dāng)操作非合作艦船時(shí)，這個(gè)方法尤其重要。例如，過去常常采用攜帶視頻照相機(jī)進(jìn)行大范圍操作，才能識(shí)別艦船類型，而現(xiàn)在，磁性定位方法基于測(cè)量信號(hào)便能完全反映艦船類型。

在港口中，1個(gè)適當(dāng)?shù)膫鞲衅麝嚵薪Y(jié)構(gòu)包括足夠的覆蓋航道寬度的三軸向傳感器，并且傳感器之間的距離必須小于水深(如圖3所示)，港口和檢測(cè)裝置通常包括3～16個(gè)傳感器。

圖6 艦船實(shí)際軌跡與定位軌跡Fig.6 The actual signature and the signature predicted using a Magnetically tracked signature

2.2 多重干擾領(lǐng)域

除了應(yīng)用在單一干擾領(lǐng)域外，磁定位能模擬許多外界干擾信號(hào)，包括交變磁場(chǎng)、靜態(tài)磁場(chǎng)、交變電場(chǎng)和聲信號(hào)，只需要給定3～5個(gè)靜態(tài)磁傳感器，便能定位，并且可以通過給定位置的聯(lián)合式或者分布式傳感器模擬出外界的干擾信號(hào)。

當(dāng)港口與傳感器之間的距離為典型距離(比如20～30 m)的時(shí)候，磁場(chǎng)干擾信號(hào)(CRM)很小。決定CRM的一個(gè)精確方法是模擬電場(chǎng)信號(hào)和預(yù)測(cè)CRM信號(hào)，該方法避免了分離小CRM信號(hào)與大磁場(chǎng)信號(hào)的復(fù)雜問題。

3 結(jié)語

如果艦船具有強(qiáng)大的磁場(chǎng)信號(hào)，當(dāng)沒有其他定位方法的時(shí)候，磁定位是1個(gè)有效的定位方法。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于能模擬合作目標(biāo)與非合作目標(biāo)。磁定位方法同樣有效檢測(cè)合作艦船。此外，不同于GPS，IR和激光定位方法，磁定位不需要獨(dú)立的艦船定位系統(tǒng)，便能定位深水潛艇。

［1］DAVIDSON S J，et al.Trackerless Signature Modelling［C］.UDT Conference Proceedings，1997.214 －218.

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［4］宋立智.磁性目標(biāo)定位探測(cè)方法研究［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，(4):33 －36.

［5］蔣敏志，林春生.船舶水下被動(dòng)磁性定位研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，(6):168 －170，187.

［6］林春生.艦船磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)與磁性目標(biāo)定位［D］.武漢:海軍工程大學(xué)，1996.

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