劉百峰 羅 坤 趙 珩

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下潛艇位置監(jiān)測的長基線水聲定位系統(tǒng)有兩種［1～3］，分別是浮標(biāo)式和潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)。浮標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)的測量浮標(biāo)需要錨系于海底，對潛艇的安全機(jī)動及拖曳式聲納的安全使用造成影響。而潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由于工藝水平及海洋噪聲影響了聲的傳播距離，使得監(jiān)測船對潛標(biāo)的管理有效距離大大降低，無法滿足在水下目標(biāo)進(jìn)行大范圍對抗時母船對其監(jiān)測。本文提出了一種基于監(jiān)測浮標(biāo)中繼配合潛標(biāo)的技術(shù)，使得在監(jiān)測母船水聲作用距離之外的潛標(biāo)，其聲學(xué)信號由監(jiān)測浮標(biāo)接收后經(jīng)無線電轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)測母船通過監(jiān)測浮標(biāo)接收轉(zhuǎn)發(fā)的聲學(xué)信號實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離潛標(biāo)的信號監(jiān)測，從而達(dá)到擴(kuò)大監(jiān)測區(qū)域的目的，可有效提高潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)監(jiān)測范圍。

2 浮標(biāo)式長基線監(jiān)測系統(tǒng)

浮標(biāo)式長基線監(jiān)測系統(tǒng)由船載跟蹤顯控分系統(tǒng)（或稱為基站）、海上浮標(biāo)分系統(tǒng)和無線通信鏈系統(tǒng)等三部分組成。浮標(biāo)分系統(tǒng)中還裝有差分GPS接收機(jī)［4～5］，對浮標(biāo)進(jìn)行精確定位。浮標(biāo)通過水聲測量水下目標(biāo)的運動參數(shù)并將DGPS系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的浮標(biāo)位置信息通過無線通信鏈匯總到基站計算機(jī)，基站將接收的參數(shù)發(fā)送到計算機(jī)，通過計算軟件解算出目標(biāo)的相關(guān)信息并顯示測量參數(shù)?；九c浮標(biāo)兩分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)通過無線通信鏈系統(tǒng)完成。

圖1 浮標(biāo)式長基線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

3 潛標(biāo)式長基線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成及功能

潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由海底潛標(biāo)陣、艇載分系統(tǒng)組成［6］。其中海底潛標(biāo)陣在校準(zhǔn)后通過配合艇載分系統(tǒng)、共同完成潛艇的水下位置監(jiān)測。

3.2 工作原理

海底布放N個潛標(biāo)組成測量陣，潛艇在測量陣內(nèi)航行，艇載分系統(tǒng)在同步鐘觸發(fā)下周期性發(fā)射詢問聲信號，潛標(biāo)基陣接收后發(fā)射應(yīng)答聲信號，監(jiān)測母船在同步鐘觸發(fā)下周期性接收應(yīng)答聲信號（見圖2），測定“潛艇—潛標(biāo)—監(jiān)測母船”之間的聲傳播時延（Ti），監(jiān)測母船的位置可由其自身的DGPS確定，各潛標(biāo)的位置在測量陣布放完畢后校準(zhǔn)確定［7］。

可求得潛艇發(fā)射位置到各潛標(biāo)的空間距離（ri），以此建立方程組：

式中，（xt，yt，zt）是第t時刻潛艇的空間位置；（xi，yi，zi）是第i個潛標(biāo)的空間位置；（xf，yf，zf）是監(jiān)測母船的空間位置；ri為潛艇到潛標(biāo)i之間的空間距離；Ti為潛艇到潛標(biāo)i到監(jiān)測浮標(biāo)之間的聲傳播時延；C為平均聲速。

由于x，y的坐標(biāo)差值遠(yuǎn)大于z的坐標(biāo)差值，因此，z方向的誤差對系統(tǒng)的定位誤差影響較小，可視z坐標(biāo)為已知數(shù)值在解算前預(yù)先裝訂，那么，取3組方程就可以解得潛艇準(zhǔn)確位置，如果有歷史信息作為參考，取2組方程也可以解得潛艇準(zhǔn)確位置，這樣，可大大提高系統(tǒng)定位成功率。

由于水聲換能器傳播距離有限，這就需要在不放水下陣元時充分考慮到節(jié)點的通信通暢，覆蓋范圍越大，所需節(jié)點數(shù)就越多，在進(jìn)行陣形設(shè)計時，必須保證各潛標(biāo)與上級測距平臺測距儀通信正常，如圖2所示的6個潛標(biāo)和測量母船便可構(gòu)成滿足一個簡單的跟蹤陣，測量母船能實現(xiàn)對陣元狀態(tài)控制、導(dǎo)航和定位等所有功能［8］。但是，在對潛艇進(jìn)行大范圍監(jiān)測導(dǎo)航時，考慮到安全性能，測量母船不能過于接近陣區(qū)。同時，由于跟蹤區(qū)域需求過大導(dǎo)致母船的上的水聲換能器作用范圍不能覆蓋所有潛標(biāo)，就需要中繼站這么一個節(jié)點能與母船一樣遙控潛標(biāo)，并能接收潛標(biāo)的應(yīng)答信號完成測距。同時可把測量結(jié)果和自身狀態(tài)信息實時傳送給母船，能進(jìn)行自定位，對此引入了帶有接收機(jī)的無線電遙控浮標(biāo)。

圖2 潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)監(jiān)測原理圖

4 無線監(jiān)測浮標(biāo)中繼的監(jiān)測方法

4.1 無線監(jiān)測浮標(biāo)中繼的監(jiān)測方法原理

由于無線電通信距離一般在10km以上，這就使得無線電遙控浮標(biāo)作用距離能在原來的水聲基礎(chǔ)上增加了一個無線電的距離。使得大范圍導(dǎo)航陣成為可能［9］，因此，利用浮標(biāo)和潛標(biāo)配合，以浮標(biāo)作為中繼站可構(gòu)建范圍足夠大的跟蹤陣，但是考慮到海上情況的復(fù)雜性，及浮標(biāo)通信的實際需求及系統(tǒng)容量有限，使得在陣型設(shè)計是仍然要受到許多的束縛。如圖3所示。

圖3 監(jiān)測浮標(biāo)中繼原理圖

根據(jù)中繼浮標(biāo)中無線電通訊距離影響及與測量母船的配合最佳配置，可以將導(dǎo)航陣劃分為三個部分。根據(jù)水聲傳播距離限制，每個浮標(biāo)和監(jiān)測母船只能控制6潛標(biāo)。

4.2 監(jiān)測浮標(biāo)通信設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測母船上的基站、浮標(biāo)及潛標(biāo)的通信方式，將無線電遙控基站設(shè)為一級節(jié)點，接收浮標(biāo)上傳的水聲數(shù)據(jù)。浮標(biāo)或船載測距儀稱為二級節(jié)點，負(fù)責(zé)上傳測量數(shù)據(jù)及下傳測控指令；潛標(biāo)設(shè)為三級節(jié)點，實現(xiàn)測控功能。

圖4 長基線系統(tǒng)節(jié)點分配原理圖

5 中繼浮標(biāo)精度分析

對監(jiān)測精度造成影響的聲速測量誤差、測時誤差、陣元誤差和GPS誤差四種因素，對傳統(tǒng)監(jiān)測方式和通過中繼實現(xiàn)的監(jiān)測方式進(jìn)行精度的仿真分析。設(shè)定測陣誤差為5m，DGPS定位誤差為1m，分別對測時誤差為1ms和2ms，聲速誤差為3m／s和5m／s的情況做以下數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：

表1 誤差作用對比分析表

由表1中兩種監(jiān)測方式的精度數(shù)據(jù)對比可以看出，中繼監(jiān)測方式的精度與傳統(tǒng)監(jiān)測方式的精度相當(dāng)［9］，各誤差對監(jiān)測精度影響的變化趨勢呈現(xiàn)線性關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以得出在DGPS誤差不超過±1m、各陣元測陣誤差不超過±5m、測時誤差不超過±2m／s、聲速測量誤差控制在0.3%左右的情況下，兩種監(jiān)測方式的精度都在10m左右。由此可見，通過潛標(biāo)中繼的接力技術(shù)能夠保障監(jiān)測精度基本不受影響的前提下，將監(jiān)測的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

6 海上驗證

如圖5所示，在海底布放8個潛標(biāo)，級聯(lián)成雙倍的測量區(qū)域，監(jiān)測區(qū)邊沿布放1個監(jiān)測浮標(biāo)，測量船位于監(jiān)測區(qū)一角虛線的潛標(biāo)，另外一艘測量船作為被測目標(biāo)模擬潛艇在陣內(nèi)航行。采用傳統(tǒng)監(jiān)測方式時，存在監(jiān)測盲區(qū)（圖5中的網(wǎng)格狀部分），當(dāng)潛艇航行在該區(qū)域時，監(jiān)測船就無法對其進(jìn)行定位。為提高監(jiān)測范圍，將添加了監(jiān)測浮標(biāo)，通過監(jiān)測浮標(biāo)管理的潛標(biāo)，可以大大提高對潛艇的監(jiān)測范圍。

圖5 海上驗證試驗態(tài)勢圖

圖6為海上驗證試驗定位結(jié)果，布放了6個水下潛標(biāo)和一個無線監(jiān)測浮標(biāo)。監(jiān)測浮標(biāo)位于測量陣下側(cè)，監(jiān)測浮標(biāo)測量的目標(biāo)航跡位于測量陣右側(cè)盲區(qū)內(nèi)，在試驗中，監(jiān)測浮標(biāo)管理的47＃與53＃潛標(biāo)與48＃潛標(biāo)、42＃潛標(biāo)聯(lián)合對水下目標(biāo)進(jìn)行定位，實現(xiàn)測量盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)定位功能。可見，采用潛標(biāo)中繼的信號接力方式，能增大其測量范圍。

圖6 中繼浮標(biāo)的目標(biāo)監(jiān)測航跡圖

7 結(jié)語

基于潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)實現(xiàn)的水下潛艇位置監(jiān)測，對潛艇的安全機(jī)動影響最小。結(jié)合無線監(jiān)測浮標(biāo)中繼的信號接力技術(shù)，可有效提高水下潛艇的監(jiān)測區(qū)域，對實現(xiàn)大范圍監(jiān)測具有重要的意義，但是此技術(shù)對監(jiān)測浮標(biāo)的可靠性、及無線電的傳輸距離要求較高。

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