梁民贊，費(fèi)志剛

(中國人民解放軍91388部隊(duì)， 廣東 湛江 524022)

艦艇聲納主要對敵實(shí)施警戒、探測、跟蹤和定位，測定目標(biāo)方位、距離和徑向速度信息。針對裝備于艦艇的聲納經(jīng)過長時(shí)間服役后，因元件老化、聲基陣聲零位偏移或?qū)Я髡肿冃蔚仍蛟斐陕暭{指標(biāo)性能下降的突出問題，提出一種基于差分GPS的艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定方法，可指導(dǎo)對艦艇聲納測向測距誤差的精確標(biāo)定，以促進(jìn)其保持良好的技術(shù)狀態(tài)。

在艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定方法上，傳統(tǒng)的利用艦載雷達(dá)(或經(jīng)緯儀)等定位設(shè)備作為基準(zhǔn)值標(biāo)定艦艇聲納測向測距誤差的方法，由于雷達(dá)(或經(jīng)緯儀)基準(zhǔn)點(diǎn)與聲納聲基陣位置不一致，加之雷達(dá)(或經(jīng)緯儀)易受艦艇縱橫搖影響，使其作為基準(zhǔn)值定位精度不高，難以滿足現(xiàn)代聲納高精度定位的要求。在數(shù)據(jù)處理方法上，由于傳統(tǒng)方法標(biāo)定采樣間隔、樣本量等無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依，標(biāo)定結(jié)果往往參差不齊，提出采用標(biāo)準(zhǔn)聲源對艦艇聲納進(jìn)行標(biāo)定，對聲源布放距離、各舷角采樣間隔、每角測量值等要素進(jìn)行規(guī)定，標(biāo)定結(jié)果一致性高，可廣泛用于對艦艇聲納測向測距誤差進(jìn)行標(biāo)定。

1 聲納測向測距原理

1.1 聲納測向基本原理

聲納測向本質(zhì)上是利用聲波到達(dá)水聽器系統(tǒng)的聲程差和相位差。為了測量目標(biāo)方位，將參與接收的陣元形成左右兩個(gè)波束，等效為兩個(gè)接收點(diǎn)：A、B。如圖1所示。波束的軸向，即y軸指向是已知的。若聲波從α方向入射，則先到達(dá)A點(diǎn)，后到達(dá)B點(diǎn)，時(shí)間差τ等于BC的長度除以聲波傳播速度，即[1]

τ=BC/c=Dsinα/c

(1)

兩個(gè)等效點(diǎn)源A、B的距離D和聲波傳播速度c是已知的，只要測出τ，即可獲得聲波方向α。

圖1 方位測量原理圖

若信號(hào)的頻率f，則A、B兩點(diǎn)相位的相位差Φ為：

Φ=2πfτ=2πfDsinα/c

(2)

因此，只要測出A、B兩點(diǎn)的相位差Φ，也可獲得聲波的方向α。

1.2 聲納測距基本原理

聲納回聲測距是利用接收回波與發(fā)射脈沖信號(hào)間的時(shí)間差測距。若目標(biāo)與換能器的距離為R，換能器發(fā)射聲脈沖經(jīng)目標(biāo)反射后往返傳播時(shí)間為[1]

t=2R/c

(3)

由此，在已知聲速c的情況下，可求得目標(biāo)的距離為

(4)

因此，只要測得聲脈沖往返時(shí)間t，便可求得目標(biāo)距離。

2 數(shù)據(jù)采集方案

對艦艇聲納測量誤差進(jìn)行標(biāo)定，需要外測數(shù)據(jù)和聲納目標(biāo)信息數(shù)據(jù)支撐。錄取數(shù)據(jù)主要包含GPS定位數(shù)據(jù)、聲納測量目標(biāo)數(shù)據(jù)和聲納音視頻數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)主要由數(shù)據(jù)錄取設(shè)備完成，而數(shù)據(jù)錄取的方法、位置、精度等會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果分析與評定。本文通過數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)記錄錄取上述數(shù)據(jù),可有效消除人工記錄誤差。

1) 數(shù)據(jù)錄取設(shè)備錄取聲納目標(biāo)信息數(shù)據(jù)和聲納顯控臺(tái)音視頻信息。主要包括北京時(shí)間(時(shí)分秒)、方位(度)、距離(m)、徑向速度(m/s)等目標(biāo)信息。

2) 數(shù)據(jù)錄取設(shè)備錄取標(biāo)校艦導(dǎo)航信息。主要包括北京時(shí)間(時(shí)分秒)、經(jīng)度(度)、緯度(度)、海深(m)、航速(節(jié))、航向(度)、縱橫搖(度)等數(shù)據(jù)信息。

3) DGPS測量艦艇聲納聲基陣、標(biāo)準(zhǔn)聲源聲中心位置信息。DGPS定位誤差≤1 m，主要包括北京時(shí)間(時(shí)分秒)、經(jīng)度(度)、緯度(度)、航速(m/s)、航跡向(度)等數(shù)據(jù)信息。

4) 水文測量設(shè)備測量海區(qū)聲速梯度。采用CTD測量海區(qū)聲速剖面，主要包括深度、聲速等數(shù)據(jù)信息。

3 艦艇聲納測量誤差標(biāo)定方法

差分GPS(DGPS)的定位精度為1 m，定位精度理論上可滿足現(xiàn)代聲納精度標(biāo)定的需要，但實(shí)際上由于以下誤差因素，① GPS天線與聲基陣安裝位置不一致；② 聲傳播滯后誤差；③ 應(yīng)答器時(shí)延產(chǎn)生“虛源”誤差；④ 人工讀數(shù)誤差，使得僅采用GPS定位數(shù)據(jù)無法滿足聲納標(biāo)定精度要求。

圖2 數(shù)據(jù)采集方案框圖

提出了一種基于差分GPS的艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定方法，即利用高精度差分GPS對艦艇聲納和目標(biāo)聲源進(jìn)行定位，數(shù)據(jù)錄取設(shè)備自動(dòng)記錄聲納測量值和本艦航向數(shù)據(jù)，對差分GPS天線安裝位置與聲基陣聲中心的固定偏差進(jìn)行修正，對聲傳播滯后誤差進(jìn)行修正，對目標(biāo)聲源應(yīng)答時(shí)延產(chǎn)生的“虛源”誤差進(jìn)行修正，可指導(dǎo)對水面艦艦艇聲納測向測距誤差的精確標(biāo)定。艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定方法如下：

測量船吊放標(biāo)準(zhǔn)聲源與艦艇聲納有效中心間距為r，一般應(yīng)大于5 km,吊放一定深度，頂部加裝差分GPS。本艦停泊狀態(tài)，加裝差分GPS，安裝位置應(yīng)變換到聲納聲中心。艦艇聲納發(fā)射聲脈沖，目標(biāo)聲源進(jìn)行應(yīng)答，在整個(gè)搜索扇面內(nèi)選定若干舷角分別實(shí)施標(biāo)定，每角測量數(shù)據(jù)組數(shù)N不少于50。數(shù)據(jù)錄取設(shè)備同時(shí)記錄聲納測量值和本艦航向數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 聲納測量精度標(biāo)定方法示意圖

按GJB 6304—2008《2000中國大地測量系統(tǒng)》中6.7.2.3[2]規(guī)定的方法分別將艦艇聲納聲基陣位置經(jīng)緯度(Bw,Lw)和目標(biāo)聲源位置經(jīng)緯度(Bm,Lm)轉(zhuǎn)換到高斯平面直角坐標(biāo)系上的聲基陣位置(xw,yw)和目標(biāo)聲源位置(xm,,ym)。

3.1 聲中心誤差修正

(5)

(6)

其中，相對于艦首方向當(dāng)聲基陣聲中心在差分GPS天線之前時(shí)取“+”號(hào)，反之則取“-”號(hào)。

圖4 差分GPS天線位置偏差修正示意圖

3.2 聲傳播滯后誤差修正

由于聲傳播引起接收信號(hào)滯后，t時(shí)刻聲納所測目標(biāo)信息實(shí)際為t-Δti時(shí)刻目標(biāo)信息，因此，需要對聲傳播滯后誤差進(jìn)行修正，Δti由式(7)近似確定：

(7)

式中：Δti為聲傳播滯后修正時(shí)間；c為海水聲速。

(8)

根據(jù)修正后坐標(biāo)位置結(jié)算目標(biāo)舷角和距離真值。按式(9)解算聲納聲中心與目標(biāo)聲源之間回聲測距的距離基準(zhǔn)值。

(9)

3.3 應(yīng)答器虛源誤差修正

實(shí)際上，由于目標(biāo)聲源應(yīng)答存在應(yīng)答時(shí)延，標(biāo)準(zhǔn)聲源在B點(diǎn)應(yīng)答時(shí)，相當(dāng)于聲波經(jīng)過傳播在B′點(diǎn)應(yīng)答，稱之為“虛源”，因此距離真值需加上固定偏差Δd，如圖5所示。

(10)

式中：τ為目標(biāo)聲源應(yīng)答時(shí)延；c為海水聲速。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)聲源應(yīng)答時(shí)延修正示意圖

聲納回聲測距距離真值為：

Di=di+Δd

(11)

3.4 計(jì)算艦艇聲納測向誤差

聲納測向誤差包含系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。按式(12)計(jì)算聲納所測目標(biāo)舷角與目標(biāo)舷角基準(zhǔn)值之差Δβi：

(12)

1) 聲納測向系統(tǒng)誤差

按式(13)計(jì)算聲納測向系統(tǒng)誤差[3]Eβ：

(13)

2) 聲納測向隨機(jī)誤差

按式(14)計(jì)算聲納測向隨機(jī)誤差[4]σ：

(14)

式中，σ為聲納測向隨機(jī)誤差。

3.5 計(jì)算艦艇聲納測距誤差

艦艇聲納測距誤差分別有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差，具體計(jì)算方法如下：

1) 聲納測距系統(tǒng)誤差

聲納測量目標(biāo)距離誤差

(15)

按式(16)計(jì)算聲納測距系統(tǒng)誤差[3]ED：

(16)

2) 聲納測距隨機(jī)誤差

按式(17)計(jì)算聲納測距隨機(jī)誤差[4]Estdr：

(17)

式中，σstdr為聲納測距隨機(jī)誤差。

系統(tǒng)誤差可直接反映出聲零位誤差和基陣安裝的軸向誤差，對長期服役的艦艇來說也可反映出導(dǎo)流罩整體形變引起的測向誤差。

3.6 誤差對比分析

DGPS的定位精度為1 m(95%概率圓)，為了分析由DGPS定位精度帶來的最大誤差，認(rèn)為聲納和目標(biāo)聲源的定位精度均為1 m，這樣，假設(shè)聲納位置準(zhǔn)確，目標(biāo)聲源相對聲納的位置誤差便為2 m，以2 m為半徑的圓即為目標(biāo)聲源誤差分布圓。由DGPS定位精度帶來的最大測向誤差Δα1滿足下式：

(18)

式中：R為目標(biāo)聲源誤差分布圓半徑；L為目標(biāo)聲源與聲納的距離。

∵ Δα很小，∴sinΔα≈Δα

取L=5 km，把R、L數(shù)值代入上式，同時(shí)把角度轉(zhuǎn)化為以分為單位，則

(19)

若未作上述誤差修正，則定位偏差為：

ΔR=R+L0+Δd

(20)

式中：R為DGPS定位誤差，誤差范圍±2 m，L0為安裝位置偏差，誤差范圍±50 m，Δd為聲傳播滯后誤差，誤差范圍為±9 m。

(21)

通過式(19)和式(21)誤差對比分析可知，經(jīng)過誤差修正后，定位真值測向誤差為±1.4′，可滿足聲納高精度標(biāo)定需求，若未作修正誤差，測向誤差增大了約40′，已不能滿足聲納精度標(biāo)定的需要。

綜上所述，采用上述誤差修正方法，可有效提高目標(biāo)方位和距離真值的準(zhǔn)確度，從而對艦艇聲納測向測距誤差進(jìn)行有效標(biāo)定。采用數(shù)據(jù)錄取設(shè)備自動(dòng)記錄聲納測量值和本艦航向數(shù)據(jù)的方法，提高了數(shù)據(jù)記錄樣本量，數(shù)據(jù)記錄標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，解決了人工讀數(shù)誤差問題。采用標(biāo)準(zhǔn)聲源進(jìn)行測向測距誤差標(biāo)定，規(guī)定標(biāo)定樣本量，測向測距精度標(biāo)定方法規(guī)范，誤差標(biāo)定結(jié)果一致性高，可廣泛用于對艦艇聲納測向測距誤差進(jìn)行標(biāo)定。

4 結(jié)論

介紹的艦艇聲納測向測距誤差的高精度標(biāo)定方法，其特征是：

1) 采用標(biāo)準(zhǔn)聲源作為目標(biāo)聲源進(jìn)行艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定，在碼頭系泊狀態(tài)即可實(shí)施，操作方便，易于實(shí)施。

2) 提出基于差分GPS的定位誤差修正方法，對差分GPS天線與聲納聲中心的位置偏差進(jìn)行修正，對聲傳播滯后時(shí)延進(jìn)行修正，對標(biāo)準(zhǔn)聲源應(yīng)答時(shí)延進(jìn)行修正，可有效提高測向測距基準(zhǔn)值計(jì)算精度，解決了采用雷達(dá)或經(jīng)緯儀作為定位基準(zhǔn)值帶來的安裝位置偏差和時(shí)間同步難于實(shí)施的問題。

3) 提出數(shù)據(jù)錄取設(shè)備自動(dòng)記錄聲納測量數(shù)據(jù)和本艦航向數(shù)據(jù)的方法，解決了人工讀數(shù)帶來的誤差問題，提高了艦艇聲納標(biāo)定效率。

4) 規(guī)定標(biāo)定樣本量，測向測距精度標(biāo)定方法規(guī)范，誤差標(biāo)定結(jié)果一致性高，可大范圍對艦艇聲納測向測距誤差進(jìn)行標(biāo)定。

本方法可應(yīng)用于艦艇聲納測向測距誤差標(biāo)定，亦可應(yīng)用于聲納測向測距精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。