丁明惠, 莊 瑞, 岳 雷

基于四元陣定位算法的魚雷入水點(diǎn)誤差分布分析

丁明惠, 莊 瑞, 岳 雷

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心, 云南 昆明, 650051)

魚雷入水點(diǎn)精度是評(píng)定魚雷性能的主要戰(zhàn)技指標(biāo)之一。文中首先推導(dǎo)了基于四元陣定位魚雷入水點(diǎn)算法, 并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上, 針對(duì)由于時(shí)延差估計(jì)導(dǎo)致的定位誤差進(jìn)行了分析, 推導(dǎo)了其誤差方程, 給出了誤差較大部分的主要成因。最后對(duì)不同陣形的定位誤差進(jìn)行仿真, 并將引入同向誤差和反向誤差的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明, 通過改變?cè)瓉碚叫侮囋牟挤盼恢? 定位誤差分布會(huì)向原正方形對(duì)角部分壓縮, 并且誤差較大的面積會(huì)減少, 從而達(dá)到了降低誤差、提高定位精度的目的。文中研究可為四元陣測量魚雷入水點(diǎn)工程應(yīng)用提供參考。

魚雷; 入水點(diǎn); 四元陣; 誤差分布

0 引言

火箭助飛魚雷是水下反潛的主戰(zhàn)武器之一, 其入水點(diǎn)精度對(duì)魚雷射擊效率有著重要的影響, 是火箭助飛魚雷的主要技術(shù)指標(biāo)[1]。類似的水中兵器還包括火箭助飛誘餌、攔截彈、深水炸彈等。傳統(tǒng)測量魚雷入水點(diǎn)主要依靠光測方式, 但該方式受環(huán)境限制較大, 而且有效作用距離不能滿足試驗(yàn)需求, 因此, 只通過光測方式測量魚雷入水點(diǎn)具有較大的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

除了光測方式, 也可通過被動(dòng)聲吶進(jìn)行入水點(diǎn)測量。被動(dòng)聲吶可采集魚雷入水過程產(chǎn)生的瞬態(tài)信號(hào), 通過數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷入水點(diǎn)的定位[3]。目前常用的被動(dòng)聲吶基陣主要包括直線陣、“L”型陣、圓柱陣、平面四元陣、三角形陣等[4]。相對(duì)而言, 四元陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、陣元少、布放方便、成本不高, 廣泛應(yīng)用于被動(dòng)測量領(lǐng)域[5]。四元陣定位魚雷入水點(diǎn)系統(tǒng)是通過在估計(jì)入水點(diǎn)區(qū)域布放4個(gè)浮標(biāo), 浮標(biāo)上包含差分全球定位系統(tǒng)(differential global positioning system, DGPS)、通信天線、水聽器以及信號(hào)處理電路組件等, 對(duì)魚雷入水信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。由于原始信號(hào)數(shù)據(jù)量大, 若通過無線通信進(jìn)行回傳會(huì)給通信鏈帶來很大的負(fù)擔(dān), 因此一般不進(jìn)行實(shí)時(shí)處理, 而是待浮標(biāo)回收后進(jìn)行試后處理[6]。

關(guān)于四元陣定位目標(biāo)問題, 文獻(xiàn)[7]對(duì)四元陣的定位盲區(qū)進(jìn)行了分析, 大部分盲區(qū)可在陣元布放過程中避免。文中對(duì)四元陣定位魚雷入水點(diǎn)的算法和誤差進(jìn)行了分析, 提出可通過改變四元陣陣形方式改變誤差分布, 從而提高定位精度。

1 四元陣定位入水點(diǎn)算法

1.1 數(shù)學(xué)模型

魚雷在入水過程中產(chǎn)生的聲信號(hào)為瞬態(tài)信號(hào), 脈寬較小[8], 因此假設(shè)在產(chǎn)生聲信號(hào)時(shí)間段內(nèi), 聲源與浮標(biāo)陣元的位置不隨時(shí)間變化而變化。

1.2 入水點(diǎn)坐標(biāo)解析表達(dá)式

將式(2)中的第2個(gè)方程與第1個(gè)方程相減并化簡可得

同時(shí)將式(2)中的第3個(gè)方程和第4個(gè)方程分別與第1個(gè)方程相減, 可得

令

2 定位算法仿真

圖2 誤差分布圖

3 時(shí)延誤差對(duì)定位誤差分布影響分析

3.1 誤差分析

影響定位魚雷入水點(diǎn)誤差與聲速、浮標(biāo)陣元位置以及時(shí)延差估計(jì)誤差有關(guān)[9], 其中時(shí)延差估計(jì)的精度對(duì)四元陣定位誤差影響最大[10]。

圖3 引入0.5 ms同向時(shí)延誤差的誤差分布

圖4 取對(duì)數(shù)后的誤差分布

令

可得

經(jīng)推導(dǎo), 得

在工程應(yīng)用中, 若魚雷入水位置在誤差較大區(qū)域, 會(huì)導(dǎo)致定位結(jié)果不具備參考性。

3.2 誤差分布分析

仿真中, 對(duì)誤差大于10 m的部分均按10 m處理來研究誤差的分布情況, 仿真結(jié)果如圖5所示。絕對(duì)誤差不小于10 m為圖中紅色區(qū)域, 浮標(biāo)陣元位置以圓形標(biāo)注在圖中。從圖中可以發(fā)現(xiàn), 誤差不小于10 m的區(qū)域占據(jù)了浮標(biāo)陣元中心十字位置。

圖5 誤差大于10 m均記為10 m的誤差分布

圖6 陣形為平行四邊形的誤差分布

圖7 縮短平行四邊形上下邊的誤差分布

表1 不同陣形誤差不小于10 m區(qū)域占總面積的百分比

通過仿真可以發(fā)現(xiàn), 引入反向誤差時(shí), 大于10 m的誤差區(qū)域面積比引入同向誤差大; 在縮短平行四邊形上下邊時(shí), 誤差較大區(qū)域有壓縮的趨勢, 但通過使用該方法進(jìn)行壓縮誤差較大區(qū)域時(shí)有一定的極限, 超過該極限會(huì)導(dǎo)致誤差較大區(qū)域反彈增加。在進(jìn)行其他的引入反向誤差仿真, 會(huì)得到相同的結(jié)果, 文中不再贅述。

表2 不同陣形誤差不小于20 m區(qū)域占總面積的百分比

圖9 誤差大于20 m均記為20 m的誤差分布

4 結(jié)束語

文中對(duì)四元陣被動(dòng)定位魚雷入水點(diǎn)的誤差進(jìn)行了研究, 對(duì)不同陣形的誤差分布進(jìn)行仿真分析, 并對(duì)引入同向和反向誤差的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明: 通過改變正方形一對(duì)角兩陣元的布放位置, 定位誤差分布會(huì)向原正方形無變化的對(duì)角部分壓縮, 且誤差較大的面積會(huì)減少, 從而達(dá)到了降低誤差、提高定位精度的目的, 但超過一定的極限會(huì)導(dǎo)致誤差較大區(qū)域反彈增加。當(dāng)誤差要求在10 m范圍內(nèi)時(shí), 陣元坐標(biāo)為(1 500, 0), (3 000, 0), (1 500, 3 000), (0, 3 000)會(huì)得到較好的誤差分布, 誤差不小于10 m區(qū)域面積占總面積的8.08%; 當(dāng)誤差要求在20 m范圍內(nèi)時(shí),陣元坐標(biāo)為(2500, 0), (3000,0), (500, 3 000), (0,3000)會(huì)得到較好的誤差分布, 誤差不小于20 m區(qū)域面積占總面積的1.87%。文中研究可為四元陣定位魚雷入水點(diǎn)的工程應(yīng)用提供陣元布放位置的理論參考。

[1] 寧永成, 侯代文, 邢國強(qiáng). 火箭助飛魚雷入水點(diǎn)精度評(píng)定方法[J]. 魚雷技術(shù), 2011, 19(2): 109-113.Ning Yong-cheng, Hou Dai-wen, Xing Guo-qiang. An Accuracy Assessment Method of Water Entry Point for Rocket Assisted Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(2): 109-113.

[2] 馬錦垠, 侯寶娥. 火箭助飛魚雷入水點(diǎn)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 火力與指揮控制, 2012, 37(8): 199-201.Ma Jin-yin, Hou bao-e. Design and Implementation of Measuring System of Water Entry Point for Rocket Assisted Torpedo[J]. Fire Control and Command Control, 2012, 37(8): 199-201.

[3] 劉文海. 水下被動(dòng)目標(biāo)瞬態(tài)特征檢測技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[4] 顧曉輝, 王曉鳴. 用雙直角三角形陣對(duì)聲目標(biāo)定位的研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2003, 22(1): 44-48.Gu Xiao-hui, Wang Xiao-ming. Location of Acoustic Target with Dual Right-triangles Array[J]. Technical Acoustics, 2003, 22(1): 44-48.

[5] Gao J, Deng J, Cai K. Study on Optimization and Performance of Four-element Acoustic Sensors Array[J]. International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. US: IEEE, 2011: 720-723.

[6] 李韋華, 薛飛, 馬錦垠. 時(shí)延差雙曲面定位方法在魚雷入水點(diǎn)測量中的應(yīng)用[J]. 魚雷技術(shù), 2015, 23(6): 420-422.Li Wei-hua, Xue Fei, Ma Jin-yin. Application of Localization Method Based on Time Delay Difference and Hyperboloid to Torpedo Water-Entry Point Measurement[J]. Torpedo Technology, 2015, 23(6): 420-422.

[7] 金磊磊, 馬艷. 任意四元陣的定位盲區(qū)討論及誤差影響[J]. 探測與控制學(xué)報(bào), 2015, 37(2): 90-94.Jin Lei-lei, Ma Yan. Discussion on Blind Area and Error Effect of Arbitrary Four-element Array[J]. Journal of Detection and Control, 2015, 37(2): 90-94.

[8] 呂成剛. 水下瞬態(tài)信號(hào)特性獲取與分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[9] 金磊磊, 梁紅, 馬艷. 基于水下無線傳感器陣列網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)信息融合的目標(biāo)定位[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 35(6): 1020-1025.Jin Lei-lei, Liang Hong, Ma Yan. Target Localization of UWSAN Based on Multi-Modal Information Fusion[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2017, 35(6): 1020-1025.

[10] 宋新見. 數(shù)字式噪聲目標(biāo)被動(dòng)測距聲吶研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2004.

Analysis on Error Distribution of Torpedo Water-Entry Point Based on Four-Element Array Localization Algorithm

DING Ming-hui, ZHUANG Rui, YUE Lei

(Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

The accuracy of torpedo water-entry point is one of the main tactical and technical indexes for assessing performance of torpedo. For localizating torpedo water-entry point by four-element array, a localization algorithm is derived and simulated in this paper. The error caused by delay difference estimation is analyzed. An error equation is derived, and the main factors leading to larger error are given. Moreover, the localization errors of different array formations are simulated, and the simulation results with co-directional error and reverse error are compared. It shows that the localization error distribution will be compressed to the diagonal part of the original square by changing the placement of four-element array, and the area with larger errors will be reduced. Thus, the aim of reducing errors and improving localization accuracy is achieved.

torpedo; water-entry point; four-element array; error distribution

TJ630.33

A

2096-3920(2019)06-0658-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.009

丁明惠, 莊瑞, 岳雷. 基于四元陣定位算法的魚雷入水點(diǎn)誤差分布分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(6): 658-663.

2019-03-16;

2019-04-03.

丁明惠(1986-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理.

(責(zé)任編輯: 許 妍)