李韋華，　薛　飛，　馬錦垠

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧 大連， 116041）

時(shí)延差雙曲面定位方法在魚(yú)雷入水點(diǎn)測(cè)量中的應(yīng)用

李韋華，薛飛，馬錦垠

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧 大連， 116041）

針對(duì)魚(yú)雷入水點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量無(wú)法獲取的問(wèn)題， 給出了一種基于多個(gè)陣元聯(lián)合定位的時(shí)延差雙曲面定位方法， 該方法可以測(cè)量目標(biāo)大地坐標(biāo)并達(dá)到10 m的定位精度（標(biāo)準(zhǔn)誤差）而無(wú)需矢量的方位數(shù)據(jù)， 同時(shí)討論了浮標(biāo)陣的測(cè)時(shí)誤差對(duì)定位精度的影響， 結(jié)果表明， 浮標(biāo)陣內(nèi)測(cè)量誤差最大不超過(guò)4 m。海上試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

魚(yú)雷； 時(shí)延差； 雙曲面； 浮標(biāo)陣

0　引言

火箭助飛魚(yú)雷入水點(diǎn)定位是后續(xù)測(cè)量魚(yú)雷航行軌跡的重要環(huán)節(jié)。而火箭助飛魚(yú)雷入水信號(hào)弱， 容易被環(huán)境噪聲所掩蓋， 因此常常通過(guò)布設(shè)多個(gè)陣元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位［1］。

文中基于多個(gè)陣元的聯(lián)合定位提出了一種時(shí)延差雙曲面交匯被動(dòng)定位技術(shù)， 其優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量目標(biāo)大地坐標(biāo)并達(dá)到10 m的定位精度（標(biāo)準(zhǔn)誤差）而無(wú)需矢量方位數(shù)據(jù)。該方法一般作為魚(yú)雷入水點(diǎn)位置測(cè)量的補(bǔ)充方式， 以提高執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)的可靠性。多個(gè)浮標(biāo)接收到的原始聲信號(hào)通過(guò)通信鏈上傳至信號(hào)處理平臺(tái)進(jìn)行集中式處理， 原始波形的回傳給無(wú)線電通信鏈帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)， 因此往往不作為實(shí)時(shí)信號(hào)處理方案， 而是在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行事后處理［2］。

1　時(shí)延差雙曲面定位方法的基本原理

假定在一個(gè)局部測(cè)量區(qū)域布設(shè)4個(gè)浮標(biāo)， 以海平面為xoy平面， 建立右手直角坐標(biāo)系， 如圖1所示。設(shè)目標(biāo)位置為（x， y， z）， 4個(gè)陣元的坐標(biāo)已知， （xi，yi，zi），i=1，2，3，4， 由浮標(biāo)中i， j陣元測(cè)得的時(shí)延差τij可得定位方程

圖1　浮標(biāo)陣與目標(biāo)方位示意圖Fig.1　Schematic of buoy array and target azimuth

式中： τij=τi-τj， τi為從目標(biāo)到陣元i的傳播時(shí)延； c為聲速。目標(biāo)位置一定在由式（1）確定的雙曲面上， 將式（1）移項(xiàng)平方得

令

測(cè)量系統(tǒng)中有4個(gè)陣元， 兩兩間有多組時(shí)延差， 任取其中至少的3個(gè)相互獨(dú)立時(shí)延差建立方程組可以解出目標(biāo)的水平位置［3-4］。

i號(hào)浮標(biāo)距離坐標(biāo)系原點(diǎn)距離

j號(hào)浮標(biāo)距離坐標(biāo)系原點(diǎn)距離

目標(biāo)到j(luò)號(hào)浮標(biāo)的距離

令

那么， 式（2）可簡(jiǎn)化為

由于在布設(shè)浮標(biāo)時(shí)， 采用的浮標(biāo)完全一致，因此深度方向上Δzji=0， 同樣， 對(duì)于j，k號(hào)浮標(biāo)有

對(duì)于k，p號(hào)浮標(biāo)有

由上面3式可得

通過(guò)求解式（11）的一元二次方程得聲源的坐標(biāo)位置

2　海上試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述方法的實(shí)用性， 利用時(shí)延差雙曲面定位方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)某次試驗(yàn)中魚(yú)雷入水位置、魚(yú)雷出水位置的精確定位。試驗(yàn)前， 按照預(yù)先設(shè)定的浮標(biāo)位置進(jìn)行布放， 浮標(biāo)陣1， 2， 3， 4的位置坐標(biāo)為（84.13， 1 098）， （-199.52， 300.53），（-43.8， -1 360）， （1 012.4， -97.88）。4個(gè)浮標(biāo)的位置成菱形， 布放時(shí)以魚(yú)雷的理論入水點(diǎn)為中心點(diǎn)進(jìn)行布放。其中， 4個(gè)浮標(biāo)接收到魚(yú)雷入水點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間分別為427.346 7 s， 426.781 0 s， 426.857 4 s，427.287 1 s。將浮標(biāo)接收到的4個(gè)時(shí)間依次相減，可獲得3個(gè)時(shí)延差。注意， 此處采用的時(shí)延差不能形成閉循環(huán)。將上面4個(gè)浮標(biāo)位置和3個(gè)時(shí)延差帶入式（12）可得魚(yú)雷的入水點(diǎn)。4個(gè)浮標(biāo)所接收到魚(yú)雷入水點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間分別為631.148 0 s，630.689 7 s， 630.803 6 s， 630.711 1 s。處理方法同上。浮標(biāo)位置與魚(yú)雷入水、出水位置等見(jiàn)圖2。

圖2　海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定位Fig. 2　Localization by data from sea trial

3　測(cè)時(shí)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響

在求解聲源目標(biāo)的水平坐標(biāo)（x， y）時(shí)， 測(cè)量誤差一般由浮標(biāo)位置的測(cè)量誤差、時(shí)延值的測(cè)量誤差決定， 一般認(rèn)為浮標(biāo)位置的測(cè)量誤差受海流的影響， 是一個(gè)固定誤差， 而時(shí)延值的誤差則是由人工判讀信號(hào)時(shí)引入， 這里采用測(cè)時(shí)誤差0.5 ms， 對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行仿真［5］。

文中共設(shè)置4個(gè)浮標(biāo)， 位置分別為（-1 500，0）， （1 500， 0）， （-1 500， 1 500）， （1 500， 1 500）， 聲源位置在1 500 m×1 500 m范圍內(nèi)變化， 分別求出加入誤差后的聲源位置， 再求出與實(shí)際坐標(biāo)的差值。如圖3所示， 引入測(cè)時(shí)誤差0.5 ms時(shí)， 聲源的測(cè)量誤差最大不會(huì)超過(guò)4 m， 且聲源的位置越靠近4個(gè)浮標(biāo)的中心位置， 測(cè)量誤差越小， 而靠近任意2個(gè)浮標(biāo)的連線時(shí)誤差就會(huì)變大， 這與實(shí)際情況相符。

4　結(jié)論

圖3　測(cè)時(shí)誤差0.5 ms對(duì)測(cè)量精度影響Fig. 3　Localization precision as time measurement error is 0.5 ms

針對(duì)魚(yú)雷入水點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量無(wú)法獲取時(shí)， 文中給出了時(shí)延差雙曲面定位的方法， 并利用海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證， 討論引入浮標(biāo)陣測(cè)時(shí)誤差時(shí)定位精度受到的影響， 從中得出如下結(jié)論。1） 魚(yú)雷入水點(diǎn)、出水點(diǎn)等在原始信號(hào)中明顯， 可計(jì)算不同浮標(biāo)間的時(shí)延差， 從而可采用時(shí)延差雙曲面法進(jìn)行定位。2） 由于人工引入的測(cè)時(shí)誤差對(duì)測(cè)量的影響較小， 在浮標(biāo)陣內(nèi)測(cè)量誤差最大不超過(guò)4 m。

［1］ 熊乾坤， 唐世軒. 一種魚(yú)雷主動(dòng)聲自導(dǎo)目標(biāo)檢測(cè)真實(shí)性判定方法［J］. 魚(yú)雷技術(shù)， 2015， 34（2）： 104-107.

Xiong Qian-kun， Tang Shi-xuan. A Facticity Judgment Method for Target Detection of Torpedo Active Acoustic Homing［J］. Torpedo Technology， 2015， 34（2）： 104-107.

［2］ 付進(jìn). 長(zhǎng)基線定位信號(hào)處理若干關(guān)鍵技術(shù)研究［M］. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)， 2007.

［3］ 田坦. 水下定位與導(dǎo)航技術(shù)［M］. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2007.

［4］ 戎曉政， 劉加. 聲源定位中的時(shí)延估計(jì)方法研究［J］. 電聲技術(shù)， 2010， 34（2）： 42-46

Rong Xiao-zheng， Liu Jia. Research on Time Delay Estimation Methods in Source Location［J］. Audio Engineering， 2010， 34（2）： 42-46.

［5］ 蔡德軍， 胡濤. 時(shí)延估計(jì)技術(shù)及其在多途環(huán)境中的應(yīng)用［J］. 聲學(xué)學(xué)報(bào)， 2001， 26（1）： 34-40.

Cai De-jun， Hu Tao. Time-delay Estimation and Its Application in Multipath Environment［J］. Acta Acustica， 2001，26（1）： 34-40.

（責(zé)任編輯： 楊力軍）

Application of Localization Method Based on Time Delay Difference and Hyperboloid to Torpedo Water-Entry Point Measurement

LI Wei-hua，XUE Fei，MA Jin-yin
（91439thUnit， The People′s Liberation Army Of China， Dalian 116041， China）

To measure torpedo water-entry point in real time， a localization method of time delay difference and hyperboloid based on multiple array is proposed. This method can measure the geodetic coordinates of a target with the precision of 10 m（standard error） without needing the azimuth of vector. The influence of time measurement error of buoy array on localization precision is discussed， and the result shows that the maximum measurement error in the buoy array is no more than 4 m.This method is verified by sea trial.

torpedo； time delay difference； hyperboloid； buoy array

TJ630.34獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

1673-1948（2015）06-0420-03

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.005

2015-08-19；

2015-09-08.

李韋華（1987-）， 男， 碩士， 工程師， 主要研究方向?yàn)樗暅y(cè)量.