張慶國，連莉

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心云南昆明650051）

水下航行體的當(dāng)前姿態(tài)信息是其航行狀態(tài)判斷的重要參數(shù)，也是進(jìn)行水下無人自主規(guī)劃控制的主要信息來源。在其水下航行測試試驗中，常采用水聲遙測的方式進(jìn)行航行姿態(tài)參數(shù)的實時測量，以獲得航向角、俯仰角、橫滾角、航深等當(dāng)前姿態(tài)信息。為了實現(xiàn)水下航行體姿態(tài)參數(shù)的實時水聲遙測，必須有效獲得水下航行體的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，然后通過水聲通信的方式，在岸基實現(xiàn)多信息的實時獲取與顯示[1]。

1 水聲遙測簡介

通常情況下水下航行體安裝有高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，與內(nèi)部的控制系統(tǒng)聯(lián)合完成航行體的整體控制與機(jī)動。為了保證水下航行體的一致性和整體性，在水下航行測試中通常獨立安裝試驗測試設(shè)備[2]，專用于水下航行體的試驗測試。另外，由于航行體上安裝的試驗測試設(shè)備體積較小，不能安裝與航行體內(nèi)部相似的高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備，因此，需要采用簡單可靠的測量方案，對其水下運(yùn)動姿態(tài)信息進(jìn)行實時測量，最后通過水聲通信的方式將信息實時傳送至岸基進(jìn)行顯示，以便對水下航行體的試驗情況進(jìn)行判定。

對于水下運(yùn)動目標(biāo)的姿態(tài)測量來說，多采用三維電子羅盤、光纖慣性測量[3]、MEMS慣性測量等系統(tǒng)或設(shè)備，實時獲得水下目標(biāo)的姿態(tài)信息。針對水下航行體中、高速航行狀態(tài)下的實際使用條件[4]，無法使用GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航及電子羅盤等設(shè)備。并且水下航行體的設(shè)備安裝空間、環(huán)境及功耗均受到一定的限制，高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備（如光纖慣性測量設(shè)備），雖然具備較好的測量精度和可靠性，但不能適用水下航行體試驗測試的實際使用條件。具體比較情況見表1所示。

表1 姿態(tài)測量設(shè)備對比表

由表1可見，相比較來看，光纖慣性測量設(shè)備具有最高測量精度，且穩(wěn)定性好，可實時獲得水下航行體的姿態(tài)信息（也是水下航行體常用姿態(tài)測量設(shè)備）。但由于該設(shè)備體積較大，功耗大，且成本也較高，不適合水下航行體試驗測試使用。荷蘭Xsens公司生產(chǎn)的MTi（motion tracker instrument）系統(tǒng)[5]，可在水下航行體中、高速航行狀態(tài)下進(jìn)行姿態(tài)信息的實時測量，具備全角度三維、體積小巧、功耗低、響應(yīng)速率快等優(yōu)點[6]，滿足水下航行體試驗測試需求。

2 MTi系統(tǒng)簡介

MTi系統(tǒng)（實物圖見圖1所示）采用三維陀螺儀快速跟蹤被測物體的三維姿態(tài)，同時利用中間加速度和地磁場方向為系統(tǒng)提供可靠的測量參考，內(nèi)部集成算法可將溫度、三維安裝誤差以及傳感器交叉軸影響進(jìn)行實時補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、可靠、及時和穩(wěn)定的姿態(tài)輸出。其主要能性指標(biāo)如下[5]：

1）動態(tài)范圍：三維所有角度；

2）角速度分辨率：0.05°；

3）靜態(tài)精度（俯仰角、橫滾角）：不大于0.5°；

4）靜態(tài)精度（航向角）：小于1°；

5）動態(tài)精度：2°（RMS）；

6）最大更新速率：512 Hz（校準(zhǔn)數(shù)據(jù)），100 Hz（航向角數(shù)據(jù)）；

7）功耗：0.36 W（航向角輸出時）；

8）模擬輸出：0 V～3.3 V；

9）數(shù)字接口：USB/RS-232；

10）工作電壓：4.5 V～15 V；

11）外形尺寸：58 mm×58 mm×22 mm（長×寬×高）；

12）環(huán)境溫度：0℃～55℃；

13）重量：50 g。

圖1 MTi系統(tǒng)實物圖

MTi系統(tǒng)初次使用時，需要在具體使用環(huán)境中進(jìn)行多方向、多角度的校準(zhǔn)設(shè)置，一旦校準(zhǔn)完成便可投入使用。MTi系統(tǒng)在初始對準(zhǔn)時，采用加速度計和磁強(qiáng)計對重力向量和地磁向量進(jìn)行觀測，得出載體的初始姿態(tài)角。利用當(dāng)前數(shù)據(jù)來確定初始姿態(tài)矩陣，之后采用卡爾曼濾波對其測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。該方法對準(zhǔn)速度快，誤差不累積，在初始對準(zhǔn)時無需水下航行體完全靜止[7]。

在實際使用過程中需要對MTi系統(tǒng)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確保所測量的歐拉角[8]與水下航行體的姿態(tài)角坐標(biāo)系相統(tǒng)一。另外，由于MTi系統(tǒng)中的三軸加速度數(shù)據(jù)中包含了重力加速度，因此如果使用加速度數(shù)值，需要相應(yīng)減去重力加速度。在具體設(shè)計安裝時還需考慮大功率電子器件（如功率放大器、FPGA）與MTi系統(tǒng)之間的相互干擾問題，相互之間安裝距離盡量有一定距離，或采取相應(yīng)的隔離與屏蔽措施。

MTi系統(tǒng)由三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁強(qiáng)計、溫度傳感器，以及A/D、DSP、FLASH、電源模塊、接口等組成，其結(jié)構(gòu)框圖見圖2所示。

圖2 MTi結(jié)構(gòu)框圖

MTi系統(tǒng)實時采集3D加速度計（ACC）、3D陀螺儀（GYR）、3D 磁強(qiáng)計（MAG）測量姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時該數(shù)據(jù)既可以直接輸出，也可以用于MTi內(nèi)部物理傳感器模型校準(zhǔn)。利用加速度傳感器來校準(zhǔn)俯仰角和橫滾角，利用地磁場數(shù)據(jù)校準(zhǔn)偏航角，同時利用溫度傳感器（TEMP）進(jìn)行航向角數(shù)據(jù)的補(bǔ)償（溫度傳感器的測量范圍是-55～125℃，精度為0.5℃）。當(dāng)MTi周圍有影響磁場的物體時，MTi會在10～20 s左右的時間內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場磁場數(shù)據(jù)的檢測，以便確保航向角的測量精度。

由此可見，MTi系統(tǒng)可滿足動態(tài)情況下，水下航行體姿態(tài)參數(shù)聲學(xué)遙測的測量需求，符合水下航行體姿態(tài)遙測的小尺寸、低功耗、無需特殊校準(zhǔn)等要求。一般情況下，水下航行體的運(yùn)動姿態(tài)遙測精度不高，通常2°的精度便可對其航行狀態(tài)進(jìn)行判定和評估。如有更高精度要求，可采用其升級產(chǎn)品—MTi 100[9]，該設(shè)備在運(yùn)動狀態(tài)下具備航向角1°、姿態(tài)角0.25°的更高測量精度。

3 基于MTI的水聲遙測系統(tǒng)

水聲遙測系統(tǒng)主要用于水下航行體實航試驗時，姿態(tài)、航向等狀態(tài)參數(shù)的實時水聲獲取，用于水下航行體實航試驗整體功能測試及相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的檢驗與判定。水聲遙測系統(tǒng)基于水聲通信原理[10]，利用水聲調(diào)制編碼信號將水下航行體狀態(tài)信息傳送至岸基顯示。系統(tǒng)主要由安裝在水下航行體的聲源設(shè)備、水下聲學(xué)基陣、岸基處理設(shè)備等組成。水聲遙測系統(tǒng)原理框圖見圖3所示。

圖3 水聲遙測系統(tǒng)框圖

MTi系統(tǒng)安裝在水下航行體內(nèi)（屬于聲源設(shè)備，見圖4所示），負(fù)責(zé)完成水下航行體航行參數(shù)的實時獲取。聲源設(shè)備實時將深度傳感器[11-15]、MTi系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，獲得水下航行體的航深、航向、俯仰、橫滾等狀態(tài)信息，通過功率放大器和發(fā)射換能器將其編碼后的聲信號發(fā)射出去，水下基陣接收到該聲信號后通過相應(yīng)的信號處理，最終獲得水下航行體的航行姿態(tài)信息。其時鐘電路為統(tǒng)一時序所用，將航行體上聲源發(fā)射信號與岸基處理系統(tǒng)進(jìn)行時鐘同步。另外，在設(shè)計固定位置時需要精確獲得在航行體坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，使MTi系統(tǒng)坐標(biāo)系與航行體坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)換公式，以便進(jìn)行航行參數(shù)的水聲遙測。

圖4 聲源設(shè)備原理框圖

4 試驗測試情況

水聲遙測系統(tǒng)試驗測試采用靜態(tài)和動態(tài)兩種方式進(jìn)行，所謂靜態(tài)為聲源設(shè)備在水下為固定或漂懸/浮狀態(tài)，而動態(tài)為聲源設(shè)備安裝在水下航行體上或水面船只上動態(tài)模擬的試驗測試方法。對于整個水聲遙測系統(tǒng)來說，其實際應(yīng)用條件應(yīng)是在水下航行體中、高速航行狀態(tài)下的實航測試。為了模擬實際使用環(huán)境，利用MTi系統(tǒng)固定安裝在試驗船只上，實時將試驗船只的姿態(tài)等信息調(diào)制在聲源設(shè)備上，模擬水下航行體實航試驗情況。水聲遙測系統(tǒng)實時獲得接近真實使用情況下的，水下航行體航行狀態(tài)參數(shù)。該考核方式更加接近真實使用情況，具有較高的真實性。具體試驗方法見圖5所示。

圖5 試驗測試框圖

如圖5所示，在船只試驗測試時同時記錄MTi系統(tǒng)的姿態(tài)、航行及DGPS數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與岸基水聲遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（以MTi系統(tǒng)實時輸出數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)），利用靜態(tài)及動態(tài)測試的方式，獲得其水聲遙測航向角比對分析圖見圖6所示。

圖6 航向角水聲遙測比對圖

圖6中MTi系統(tǒng)實際的數(shù)據(jù)更新率可達(dá)100 Hz，但是由于本次動態(tài)船只實航試驗，船載記錄設(shè)備為了與船載聲源同步，姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的記錄周期與船載聲源的大周期（4 s）相同。因此，姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和水聲遙測數(shù)據(jù)個數(shù)不同，水聲遙測周期為2 s，也就是說水聲遙測數(shù)據(jù)約為姿態(tài)傳感器記錄數(shù)據(jù)的兩倍。雖然兩數(shù)據(jù)總量不同，但可從數(shù)據(jù)變化趨勢中看出，實際MTi系統(tǒng)測量值與水聲遙測值吻合。

經(jīng)過動態(tài)與靜態(tài)試驗測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可知具體水聲遙測試驗的實際測量誤碼率見表2所示。其中姿態(tài)傳感器跑船測試誤碼率為后期進(jìn)行比對分析得出的實際測量誤碼率。從表2的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，無論是靜態(tài)、動態(tài)，還是MTi系統(tǒng)的實時動態(tài)測試，水聲遙測誤碼率均小于10-3，能夠滿足水下航行體的常規(guī)試驗測試需求。

表2 水聲遙測誤碼率表

5 結(jié)束語

水下航行體的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)如能實現(xiàn)水聲實時遙測，將是對其實航試驗測試手段的一大提升，可在岸基實時獲得水下航行體的運(yùn)動狀態(tài)，針對其功能和性能進(jìn)行測試和檢驗，無需常規(guī)試驗結(jié)束后利用“內(nèi)測”數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，具有直觀、高效等優(yōu)點。利用MTi系統(tǒng)的小尺寸、低功耗、高數(shù)據(jù)率等優(yōu)點，安裝在聲源設(shè)備上，負(fù)責(zé)獲得水下航行體的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，為其水下航行體姿態(tài)及航向聲學(xué)遙測提供一種可行的實施參考方案，具有較高的工程實用價值。

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