火箭助飛魚雷海上落點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量誤差分析

張玉濤, 薛 飛, 李 鵬

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火箭助飛魚雷海上落點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量誤差分析

張玉濤, 薛 飛, 李 鵬

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

火箭助飛魚雷海上落點(diǎn)是影響其命中精度的重要參數(shù), 在試驗(yàn)測(cè)量時(shí), 用于水聲定位的海上浮標(biāo)可能會(huì)出現(xiàn)缺失而影響其測(cè)量精度。本文利用Matlab軟件對(duì)火箭助飛魚雷海上落點(diǎn)測(cè)量浮標(biāo)預(yù)設(shè)陣型進(jìn)行了仿真研究, 分析了缺失部分浮標(biāo)對(duì)測(cè)量精度的影響, 給出了缺失浮標(biāo)數(shù)量及陣型最低條件, 即當(dāng)12個(gè)浮標(biāo)中缺失4個(gè)浮標(biāo)且陣型不對(duì)稱時(shí), 測(cè)量精度會(huì)迅速下降。研究結(jié)果表明, 在落點(diǎn)測(cè)控過(guò)程中, 如果文中的預(yù)設(shè)浮標(biāo)陣型不滿足最低條件, 應(yīng)重新調(diào)整浮標(biāo)。該研究可為海上實(shí)際試驗(yàn)指揮決策提供技術(shù)支撐。

火箭助飛魚雷;測(cè)量精度; 水聲定位; 浮標(biāo)陣型; 仿真

0 引言

火箭助飛魚雷發(fā)射后在海上的落點(diǎn)散布精度是考核其戰(zhàn)技指標(biāo)的重要參數(shù), 它與魚雷的作戰(zhàn)使用方法、發(fā)射平臺(tái)、系統(tǒng)性能乃至作戰(zhàn)海空域自然條件等多方面因素有密切關(guān)系。

火箭助飛魚雷海上落點(diǎn)散布考核由一套基于矢量水聽器的被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。在海上實(shí)施時(shí), 首先布設(shè)浮標(biāo), 利用浮標(biāo)攜帶的矢量水聽器完成魚雷入水擊水聲的方位估計(jì), 系統(tǒng)顯控端分析浮標(biāo)位置和水聽器測(cè)角信息后, 確定魚雷入水點(diǎn)大地坐標(biāo)。該坐標(biāo)值與考核指標(biāo)比對(duì), 完成落點(diǎn)精度考核。本文初步分析了海上預(yù)設(shè)浮標(biāo)布陣, 在單個(gè)或多個(gè)浮標(biāo)出現(xiàn)海上走錨、通信不暢、性能下降等情況時(shí), 在短暫的魚雷發(fā)射時(shí)間窗口內(nèi)如何保證測(cè)量的可靠性和精度, 為試驗(yàn)指揮決策提供依據(jù), 為能否發(fā)射魚雷提供技術(shù)支撐。

1 純方位定位原理

1.1 雙浮標(biāo)陣定位

根據(jù)矢量水聽器工作原理, 可將純方位擊水聲定位歸結(jié)為圖1所示的平面定位問題, 圖中,為浮標(biāo)號(hào),為目標(biāo)入水點(diǎn)位置。首先對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行定義: 基線坐標(biāo)系是以陣元為坐標(biāo)原點(diǎn), 陣元和陣元構(gòu)成的極限為軸, 由到方向?yàn)檩S正向, 該坐標(biāo)系稱為基線坐標(biāo)系[x, y],,=1, 2, 3,…,≠。大地坐標(biāo)系取北地東坐標(biāo), 矢量水聽器軸方向與正東方向一致,軸方向與正北方向一致。很明顯, 利用兩浮標(biāo)定位入水點(diǎn)的問題, 就簡(jiǎn)化為解算三角形△。

圖1 大地坐標(biāo)系與基線坐標(biāo)系

定義基線長(zhǎng)度為d, 浮標(biāo)和測(cè)得的目標(biāo)方位角分別為β和β, 大地坐標(biāo)系與基線坐標(biāo)系夾角為γ, 且均以順時(shí)針方向?yàn)檎?i>α和α分別是△的內(nèi)角,α,α∈(0,π)。則角度間存在如下關(guān)系

在基線坐標(biāo)系下, 入水點(diǎn)的位置為

1.2 多浮標(biāo)陣定位

試驗(yàn)實(shí)施時(shí), 布放浮標(biāo)個(gè)數(shù)必然多于2個(gè), 這樣的話入水點(diǎn)在不同基線坐標(biāo)系下會(huì)產(chǎn)生不同測(cè)值。為提高定位精度, 用權(quán)函數(shù)來(lái)綜合所有基線對(duì)入水點(diǎn)的定位結(jié)果。

為不失一般性, 以4個(gè)浮標(biāo)組成測(cè)量陣為例。浮標(biāo)1, 2, 3, 4與構(gòu)成6個(gè)三角形, 如圖2所示, 在任意一個(gè)三角形△下,的坐標(biāo)由式(2)給出, 其中=12, 23, 34, 41, 13, 24。

基線坐標(biāo)系的原點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的位置為(x,y), 由此可知在大地坐標(biāo)系下入水點(diǎn)的坐標(biāo)為

其中

由式(2)及式(3)即可解算入水點(diǎn)的位置。為提高定位精度, 須對(duì)解進(jìn)行誤差分析, 得到權(quán)函數(shù), 用權(quán)函數(shù)來(lái)綜合測(cè)量陣所有基線對(duì)目標(biāo)的定位結(jié)果。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知權(quán)函數(shù)為誤差擴(kuò)大函數(shù)的均方根倒數(shù), 即

對(duì)入水點(diǎn)的精確定位結(jié)果應(yīng)為所有基線定位結(jié)果的加權(quán)綜合, 即

其中(kx, ky)由式(3)確定,=12, 23, 34, 41, 13, 24。

2 定位誤差傳遞

根據(jù)誤差理論, 設(shè)1,2,…,x)看成隨機(jī)變量的函數(shù), 并用,σ1,σ2,…,σ表示,1,2,…,x的標(biāo)準(zhǔn)誤差, 則其誤差傳遞公式為

對(duì)2個(gè)浮標(biāo)構(gòu)成的基線坐標(biāo)系, 目標(biāo)在其下的坐標(biāo)由式(2)給出。將其帶入式(7)可得到基線坐標(biāo)系下誤差為

其中=π-1-2,1,2∈(0,π)。

試驗(yàn)時(shí), 距離由差分全球定位系統(tǒng)(differ- rence Global Positioning System, DGPS)測(cè)出, 測(cè)量值的相對(duì)誤差不足千分之一, 可以認(rèn)為σ項(xiàng)為小量, 忽略不計(jì)。對(duì)入水點(diǎn)的定位誤差主要由1和2的測(cè)量誤差產(chǎn)生, 當(dāng)認(rèn)為各浮標(biāo)性能一致時(shí), 可假定其均方誤差都相同。同時(shí)考慮以往試驗(yàn)結(jié)果, 認(rèn)為在3 km范圍內(nèi), 測(cè)角誤差為1°, 則有σ1=σ2=1°。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真條件

入水點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)共有12個(gè)浮標(biāo), 為保證測(cè)量的可靠性, 海上布設(shè)12個(gè)浮標(biāo), 考慮到魚雷散布精度, 預(yù)設(shè)浮標(biāo)陣型如圖3所示, 圍繞中心點(diǎn)對(duì)稱布設(shè)12個(gè)浮標(biāo), 4個(gè)置于390 m, 4個(gè)置于1 170 m, 4個(gè)置于1 650 m。其中單標(biāo)仿真誤差1°。利用MATLAB軟件按照預(yù)設(shè)條件進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 預(yù)設(shè)浮標(biāo)陣型

3.2 仿真結(jié)果及分析

以式(8)為依據(jù), 設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn), 對(duì)缺少1個(gè)浮標(biāo)、2個(gè)浮標(biāo)、3個(gè)浮標(biāo)、4個(gè)浮標(biāo)及12浮標(biāo)全工作情況下的入水點(diǎn)測(cè)量精度進(jìn)行分析。

3.2.1 12個(gè)浮標(biāo)全部正常工作

12個(gè)浮標(biāo)全部正常工作時(shí), 誤差分布仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可見, 浮標(biāo)誤差分布圖關(guān)于基線有對(duì)稱性, 越靠近陣中心誤差越小, 向外逐漸遞增; 陣外一定區(qū)域亦有一定精度, 可以利用; 在浮標(biāo)基線上存在低精度區(qū), 這是因?yàn)樵搮^(qū)域α,α趨近于零, 式(2)結(jié)果發(fā)散。

圖4 12個(gè)浮標(biāo)全部正常工作時(shí)誤差分布仿真結(jié)果

3.2.2 缺少1個(gè)浮標(biāo)

由于陣型本身的對(duì)稱性和水聲定位的基本原理, 缺失1個(gè)浮標(biāo)情況只討論內(nèi)部缺1個(gè)、外圍中點(diǎn)缺1個(gè)和外圍頂角缺1個(gè)這3種情況。從圖5可知, 在缺1浮標(biāo)時(shí), 精度與圖4陣內(nèi)外精度分布大致相同。

3.2.3 缺少2~3個(gè)浮標(biāo)

類似分析缺失2~3個(gè)浮標(biāo)情況發(fā)現(xiàn), 測(cè)陣精度仍可以基本保證, 如圖6所示。

3.2.4 缺少4個(gè)浮標(biāo)

缺失4個(gè)浮標(biāo)情況較多, 這里討論4種典型情況。從圖7可見, 當(dāng)不改變浮標(biāo)陣對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí), 測(cè)陣精度尚可保證, 但當(dāng)破壞了對(duì)稱性, 出現(xiàn)缺一邊或缺一角時(shí), 相應(yīng)位置精度迅速下降。

圖5 缺少1個(gè)浮標(biāo)時(shí)誤差分布仿真結(jié)果

圖6 缺少2~3個(gè)浮標(biāo)時(shí)誤差分布仿真結(jié)果

圖7 缺少4個(gè)浮標(biāo)時(shí)誤差分布仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

入水點(diǎn)測(cè)量浮標(biāo)陣中心4個(gè)浮標(biāo)在缺失1個(gè)的條件下對(duì)測(cè)量精度不造成影響, 測(cè)量浮標(biāo)陣缺失2到3個(gè)浮標(biāo)對(duì)測(cè)量精度也不造成影響; 缺失4個(gè)浮標(biāo)且陣型不對(duì)稱, 對(duì)測(cè)量精度迅速下降。在海上實(shí)際試驗(yàn)中, 如果缺失浮標(biāo)數(shù)量及陣型大于以上最低條件, 為保證魚雷入水點(diǎn)測(cè)量精度, 則應(yīng)通報(bào)指揮部, 建議取消或延后發(fā)射魚雷, 重新調(diào)整浮標(biāo), 為指揮決策提供技術(shù)支撐。

[1] 胡友峰. 非機(jī)動(dòng)水下三維被動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2002.

[2] 時(shí)勝國(guó), 楊德森. 基于矢量水聽器的源定向理論及其定向誤差分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 24 (2): 132-135.Shi Sheng-guo, Yang De-sen. Acoustic Source Location by Acoustic Vector-sensor and Its Bearing Error[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2003, 24 (2): 132- 135.

[3] 詹艷梅. 純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析方法研究[D]. 西安: 西 北工業(yè)大學(xué), 2001.

Error Analysis of Measuring Water Entry Point for Rocket-Assisted Torpedo

ZHANG Yu-Tao, XUE Fei, LI Peng

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116041, China)

Absence of buoys used for hydroacoustic localization in sea trial may reduce measurement accuracy of water entry point of a rocket-assisted torpedo. In this paper, the preset buoy array for measuring water entry point of a rocket-assisted torpedo is simulated with the software Matlab, and the effect of absence of some buoys on measurement accuracy of water entry point is analyzed. The results show that when absent buoys and buoy array reach to the lower limit, i.e. 4 of 12 buoys are absent and the buoy array is asymmetric, the measurement accuracy will decrease rapidly. Therefore, if the topology of preset buoy array does not satisfy the lower limit, the array must be adjusted.

rocket-assisted torpedo; measurement accuracy; hydroacoustic localization; buoy array; simulation

TJ631.2; TM46

A

1673-1948(2012)05-0392-04

2011-11-15;

2012-03-05.

張玉濤(1981-), 男, 工程師, 主要從事試驗(yàn)裝備指揮和技術(shù)保障工作.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)