劉百峰，羅 坤，馬 一，李 斌

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)水下基準(zhǔn)位置不確定度分析

劉百峰，羅 坤，馬 一，李 斌

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)中水下基準(zhǔn)(模擬目標(biāo)聲信號)位置的測量精度直接影響到對水聲定位系統(tǒng)定位誤差的考核。通過對水下基準(zhǔn)中心位置不確定度的分析，為系統(tǒng)減小水聲定位系統(tǒng)測量誤差提供了理論參考，經(jīng)海試證明該不確定度分析方法對提高水聲定位系統(tǒng)標(biāo)定精度有效。

水聲定位;精度標(biāo)定;不確定度

0 引言

水聲定位系統(tǒng)是利用水聲應(yīng)答測距信號對目標(biāo)進行測量的聲吶系統(tǒng)［1］。水下定位精度是水聲跟蹤定位測控系統(tǒng)的關(guān)鍵戰(zhàn)技指標(biāo)之一，但由于海上基準(zhǔn)點的建立比較困難，因而一直以來都是沿用理論分析精度，尚無有效的測試手段及相應(yīng)的測試系統(tǒng)通過試驗測試來標(biāo)定其實際定位精度。如果要在海上動態(tài)驗證水聲定位系統(tǒng)的定位精度，就必須有1套高精度的水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)。

水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)(簡稱標(biāo)定系統(tǒng))是一種通用的對水聲定位系統(tǒng)的測量精度進行標(biāo)定的系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)以船載模擬目標(biāo)聲源作為合作信標(biāo)，結(jié)合星站GPS及姿態(tài)監(jiān)測裝置建立水下動態(tài)基準(zhǔn)點，用于標(biāo)定水聲跟蹤定位裝備在接近水面條件時的定位精度，為水聲跟蹤定位裝備性能評估以及試驗結(jié)果評估提供依據(jù)。其水下基準(zhǔn)(船載模擬目標(biāo)聲源)位置精度直接影響到水聲定位系統(tǒng)的定位誤差計量，因此精確分析和解算水下基準(zhǔn)的誤差具有重要的工程意義。文章通過對高精度水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)的水下基準(zhǔn)測量精度的不確定度進行分析［3］，計算出不同誤差因素對標(biāo)定精度的影響，為工程應(yīng)用提供了理論參考，通過實驗室仿真及海試驗證，方法可靠。

1 系統(tǒng)工作原理

水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)主要由船載升降機構(gòu)、船體航向姿態(tài)測量儀、高精度動態(tài)DGPS接收機、綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、多系統(tǒng)兼容的模擬目標(biāo)聲信號源及寬帶換能器等部分組成。

多系統(tǒng)兼容目標(biāo)模擬器在同步信號的作用下通過水聲換能器發(fā)射與各水聲跟蹤定位裝備相應(yīng)的模擬目標(biāo)聲信號，同時記錄發(fā)射時刻的DGPS位置(經(jīng)緯度)、船的航向、縱橫搖角度以及換能器布放深度，并將上述數(shù)據(jù)傳送至綜合數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，由該系統(tǒng)計算出發(fā)射時刻發(fā)射換能器的聲中心位置。

圖1 水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of underwarter acoustic positioning demarcate system

各水聲跟蹤定位裝備對模擬目標(biāo)聲信號進行定位測量，同時將各設(shè)備的定位測量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)接口或其他專用接口傳送至水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)中的綜合數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)。該系統(tǒng)將收到的定位測量結(jié)果與發(fā)出模擬目標(biāo)聲源的換能器基準(zhǔn)位置進行比對處理，從而得出各水聲跟蹤定位裝備的海上實際定位精度指標(biāo)，事后完成多套水聲跟蹤定位系統(tǒng)的定位精度修正，協(xié)助被標(biāo)定設(shè)備進一步提高其跟蹤定位測量精度。綜上可見，水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)中發(fā)射聲源的位置精度直接影響到該系統(tǒng)的標(biāo)定精度。

2 系統(tǒng)模型及影響系統(tǒng)精度的因素

氣動升降機構(gòu)安裝在有海底閥的船艙內(nèi)，升降桿下方安裝寬帶換能器，升降桿與海底閥水密連接。使用時打開海底閥，氣動下降升降桿，使安裝在升降桿上的換能器通過海底閥伸出船底約1 m［4］。DGPS的定位天線應(yīng)安裝在一個恰當(dāng)?shù)奈恢?，使定位天線與寬帶換能器的水平距離盡量短，例如使定位天線與寬帶換能器的水平距離小于10 m。DGPS采用星站式差分GPS，通過實時動態(tài)差分定位技術(shù)實現(xiàn)精度可達15 cm的高精度定位［5］。

船體航向姿態(tài)測量儀在安裝時其基準(zhǔn)應(yīng)與船的首尾線平行，同時校準(zhǔn)其水平。通過測量或根據(jù)船的設(shè)計圖紙可得出升降機構(gòu)的安裝點(即換能器的安裝點)在船體坐標(biāo)系的位置，同時DGPS定位天線在船體坐標(biāo)系的位置也可以通過測量確定。由于知道升降機構(gòu)的安裝點與DGPS定位天線安裝點的相對位置，同時船的航向由船體航向姿態(tài)儀給出，這樣就可以計算出升降機構(gòu)安裝點的地理位置(經(jīng)緯度)。通過深度傳感器可知道發(fā)射換能器的布放深度，于是基準(zhǔn)位置(合作信標(biāo))的坐標(biāo)就惟一精確地確定了。通過船體航向姿態(tài)儀還可以測量出船的縱傾橫搖角，就可以對基準(zhǔn)位置的坐標(biāo)作進一步修正。

圖2 系統(tǒng)在船上的安裝示意圖Fig.2 The sketch map of system fix on the ship

升降桿的震動擺幅、星站式GPS的定位誤差、航向姿態(tài)測量儀的航向姿態(tài)測量誤差、深度傳感器的深度測量誤差以及安裝時各部件初始位置的測量誤差是模擬目標(biāo)聲源中心位置定位不確定度的因素。

3 羅經(jīng)和GPS的誤差影響［6］

在高精度定位標(biāo)定系統(tǒng)中，由高精度DGPS、羅經(jīng)和姿態(tài)傳感器對船體的坐標(biāo)、姿態(tài)與航向進行測定。由于星站式GPS天線和聲源中心位置在安裝時有可能不能安裝在同一條垂線上(如圖3)，水下基準(zhǔn)與GPS天線間存在一個水平距離R(m)，羅經(jīng)的航向測量誤差就會對水下基準(zhǔn)的真實位置的計算帶來偏差。以高精度GPS天線為坐標(biāo)原點建立大地坐標(biāo)系，設(shè)船的航向為φ，羅經(jīng)航向測量誤差為Δφ，GPS與水下基準(zhǔn)的水平距離為R(m)，GPS與水下基準(zhǔn)都安裝在船的首尾線上。設(shè)水下基準(zhǔn)的真實位置為A，由于羅經(jīng)存在航向測量誤差，系統(tǒng)測得水下基準(zhǔn)的位置為B，如圖3所示，2點的距離通過計算為：

由式(1)可知，如果把GPS的天線與定位標(biāo)定系統(tǒng)的水下基準(zhǔn)安裝在同一點上，那么高精度定位系統(tǒng)由羅經(jīng)和GPS引起的誤差只是GPS的定位誤差。如果取R=10 m，羅經(jīng)的測向誤差為0.5°，那么高精度定位標(biāo)定系統(tǒng)由羅經(jīng)和GPS引起的誤差將比GPS的誤差增大87.27 mm，因此只要控制高精度定位標(biāo)定系統(tǒng)水下基準(zhǔn)與GPS基點的水平距離，則可降低對羅經(jīng)航向測量精度的要求。

圖3 羅經(jīng)測向誤差示意圖Fig.3 The sketch map of compass measure direction error

4 縱傾、橫搖角測量誤差影響

圖4 姿態(tài)誤差示意圖Fig.4 The sketch map of gesture measure error

下面分析姿態(tài)的測量誤差對模擬目標(biāo)聲源中心位置定位不確定度的影響［7］。由于存在縱傾、橫搖角的測量誤差，所以想要完全補償縱傾、橫搖角變得不可能，其誤差也會影響模擬目標(biāo)聲源中心位置的測量，如圖4所示。

以GPS天線安裝點為原點，船首向為y軸，船右向為x軸建立艇體坐標(biāo)系OXYZ。設(shè)縱傾角為θ，橫搖角為φ。無縱傾橫搖時模擬目標(biāo)聲源中心位置的坐標(biāo)為(x″，y″，z″)，有縱傾橫搖時模擬目標(biāo)聲源中心位置的坐標(biāo)為(x″，y″，z″)，則二者存在關(guān)系式：

設(shè)縱傾測量誤差角為Δθ，橫搖測量誤差角為Δφ，考慮姿態(tài)測量誤差后的模擬目標(biāo)聲源中心位置的坐標(biāo)為(x″，y″，z″)，則坐標(biāo)(x″，y″，z″)與坐標(biāo)(x，y，z)存在關(guān)系式：

假設(shè)模擬目標(biāo)聲源中心位置到GPS天線的最大垂直距離為10 m(z=10)，縱傾和橫搖角的最大測量誤差Δθmax= Δφmax=0.5°，代入式(2)和式(3)，得：

距離誤差為

因為 cos(φ+0.25°)＜1，所以 ΔRmax=0.125 m。

通過上述分析可知，若聲源中心位置與GPS天線間的水平距離小于10 m，測向誤差為0.5°，那么聲源中心位置由航向和GPS引起的誤差將比GPS的誤差大0.087 m;若聲源中心位置到GPS天線的垂直距離小于10 m，縱傾和橫搖角的測量誤差為0.5°，那么經(jīng)縱傾和橫搖后的位置偏差小于0.125 m。

5 陸地模型建立

為了驗證以上誤差對該系統(tǒng)的影響，在陸上模擬了目標(biāo)的各種方位姿態(tài)，對星站GPS和聲中心基準(zhǔn)點的距離用米尺作了精確測量(見圖5)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時接收平臺上面的DGPS、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，計算出模擬合作信標(biāo)經(jīng)緯度，同時利用中分緯度法計算動態(tài)模擬基準(zhǔn)跟DGPS之間的水平距離。與米尺所測模型結(jié)果相對比。在測試過程中總共測量了13個狀態(tài)，每個狀態(tài)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測量大約100個點，把測量的數(shù)據(jù)算術(shù)平均，計算出模擬合作信標(biāo)跟DGPS之間的水平距離;再利用米尺測量出DGPS和模擬合作信標(biāo)在地面投影點的距離。

由表1可見，模擬目標(biāo)聲源的聲中心位置坐標(biāo)的定位平均誤差為4.3 cm，完全符合高精度水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)的精度要求［8］。

6 海試結(jié)果分析

圖6是在南海某海域高精度水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)對某型導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度進行標(biāo)定，其中1#～4#應(yīng)答器構(gòu)成了海底應(yīng)答器陣。良好海況，海深60 m，聲速1 500 m/s，模擬目標(biāo)聲源6 m，系統(tǒng)同步周期6 s。目標(biāo)船以小于5 kn航速在陣中低速航行。

圖6 海試結(jié)果Fig.3 The result of examination on the sea

海試結(jié)果圖中，水聲標(biāo)定系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果與目標(biāo)船載的GPS軌跡幾乎完全重合。證明水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)的精度可靠。

7 結(jié)語

本文通過對水下基準(zhǔn)位置不確定度分析計算，設(shè)計了符合水聲定位標(biāo)定系統(tǒng)精度的模型，陸地模型仿真和海上精度標(biāo)定試驗均表明，該精度標(biāo)定系統(tǒng)能有效地標(biāo)定出水聲定位系統(tǒng)的精度，提高了水聲定位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的科學(xué)性，具有良好的工程推廣應(yīng)用價值，對其他水聲定位系統(tǒng)的精度標(biāo)定具有借鑒意義。

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The uncertainty analysis of the underwater benchmark on underwarter acoustic positioning demarcate system

LIU Bai-feng，LUO Kun，MA Yi，LI Bin
(No．91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

In acoustic positioning system，the measuring accuracy of the underwater benchmark position(the simulation of object acoustic signal)directly affect evaluation of the position error of acoustic positioning system．Through analysising uncertainty of the underwater benchmark position，provide theoretical reference for the system to reduce measurement error of acoustic positioning system．The sea test results proved that the uncertainty analysis method is effective to improve acoustic positioning system calibration precision．

underwater acoustic positioning;precision demarcate;uncertainty

U666．7

A

1672－7649(2012)05－0087－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.020

2011－11－28;

2012－01－04

劉百峰(1978－)，男，碩士研究生，主要研究方向為水聲測控技術(shù)。