船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量與修正技術(shù)研究

張慶國(guó)　馬小勤　龔浩亮

摘 要： 針對(duì)船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量及修正問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究。利用姿態(tài)角修正公式對(duì)姿態(tài)角引起的系統(tǒng)定位誤差進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明同等條件下航向角對(duì)其影響較大，并且系統(tǒng)不同方位上的定位精度不同。采用GPS/北斗衛(wèi)星級(jí)聯(lián)結(jié)合微型慣導(dǎo)的組合方式進(jìn)行船體姿態(tài)測(cè)量，經(jīng)過(guò)湖上實(shí)航試驗(yàn)證明，該方案測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)率更新快，并且實(shí)施簡(jiǎn)單，能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)的需求。目前，該方案已在某型水聲定位系統(tǒng)上得到了具體應(yīng)用，具有較高工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 船載系統(tǒng)； 水聲定位系統(tǒng)； 姿態(tài)測(cè)量； 姿態(tài)修正

中圖分類號(hào)： TN929?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0073?04

Abstract： The problems existing in attitude measurement and correction of the shipborne acoustic positioning system are analyzed and researched. The system′s positioning error caused by attitude angle was simulated with the attitude angle correction formula. The results show that the heading angle impacts the positioning error more under the same conditions， and the positioning accuracy in the different orientation is different. The compound mode combining GPS / Beidou satellite cascade with miniature inertial navigation is adopted to execute the ship attitude measurement. The result of testing in a lake proves that the program have the high measurement accuracy， fast data update rate and simple implementation， and can satisfy the demands of shipborne acoustic positioning system. The program has been applied to a specific type of underwater sound positioning system. It has high practical value.

Keywords： shipborne system； acoustic positioning system； attitude measurement； attitude correction

0 引 言

船載式水聲定位系統(tǒng)可在船只高速航行狀態(tài)下實(shí)時(shí)完成水下目標(biāo)的航行軌跡跟蹤。主要用于魚(yú)雷等水下武器的實(shí)航試驗(yàn)，可實(shí)時(shí)獲得魚(yú)雷航行彈道軌跡以及脫靶量、攻擊舷角等攻擊效能評(píng)估參數(shù)，是水下武器進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估的重要手段。

船載式水聲定位系統(tǒng)在以往座底式水聲跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使水下目標(biāo)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)相對(duì)定位變得更加精確，貼近實(shí)戰(zhàn)且使用靈活、方便，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些相應(yīng)的問(wèn)題。例如，如果要定位精確，必須要實(shí)時(shí)高精度獲得水下基陣的姿態(tài)信息，并對(duì)水聲定位系統(tǒng)測(cè)量的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)修正處理[1]。否則，在船速過(guò)快或者船體有較大擺動(dòng)時(shí)系統(tǒng)定位精度將受到較大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至給出錯(cuò)誤軌跡，無(wú)法正確定位。

1 船體姿態(tài)對(duì)定位系統(tǒng)的影響分析

考慮到試驗(yàn)船只需要在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)進(jìn)行水下目標(biāo)的跟蹤與測(cè)量，同時(shí)，為了盡量提高水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量精度和試驗(yàn)效率，這里采用水下基陣固定安裝在試驗(yàn)船底的測(cè)量方案。因此，在不考慮偏移和安裝誤差的情況下，定位系統(tǒng)水下基陣的姿態(tài)與試驗(yàn)船體姿態(tài)相同。

1.1 姿態(tài)角定義

通常情況下，船體姿態(tài)是由航向角（又稱航偏角）、橫滾角（又稱滾動(dòng)角）和俯仰角（又稱縱搖角）來(lái)定義的。船體姿態(tài)角的坐標(biāo)系采用船體坐標(biāo)系（BFS），以船體重心為原點(diǎn)，[Y]軸指向船體運(yùn)動(dòng)的方向，[X]軸垂直于[Y]軸指向船體右側(cè)，[Z]軸與[X，Y]軸正交形成右手坐標(biāo)系，如圖1所示。為了方便后續(xù)進(jìn)行姿態(tài)角修正公式的計(jì)算，這里規(guī)定航向角、俯仰角及橫滾角的正方向與圖1中旋轉(zhuǎn)箭頭標(biāo)注相同。

1.2 船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)修正

船載式水聲定位系統(tǒng)得到的軌跡往往是以船載基陣為中心的北向坐標(biāo)系中的軌跡，是相對(duì)的。而在試驗(yàn)中，實(shí)際更需要的是相對(duì)于大地坐標(biāo)系的絕對(duì)軌跡，因此，需要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換與修正。

假定在測(cè)量過(guò)程中，基陣坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于大地坐標(biāo)是靜止的，并認(rèn)為兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)相同或有固定偏移（偏移量[（x0，][y0，][z0）T），]這樣，只需考慮基陣圍繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)便可。假設(shè)基陣坐標(biāo)系為[oxyz，]大地坐標(biāo)系為[OXYZ。]如圖1所示，基陣先繞[Z]軸轉(zhuǎn)動(dòng)[φ]角（航向角），再繞[Y]軸轉(zhuǎn)動(dòng)[α]角（橫滾角），再繞[X]軸轉(zhuǎn)動(dòng)[β]角（俯仰角）。

1.3 姿態(tài)角對(duì)水聲定位系統(tǒng)的影響分析

為了明確船體姿態(tài)角對(duì)船載式水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量精度影響，針對(duì)[α、][β、][φ]引起的定位誤差進(jìn)行仿真分析。

將船體姿態(tài)角[φ]精度設(shè)為0.1°，[β]及[α]的測(cè)量精度設(shè)為0.5°，假設(shè)系統(tǒng)[α，][β，][φ]引起的系統(tǒng)定位誤差相互獨(dú)立，在不考慮文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]中所分析的其他誤差源（如聲速、時(shí)延值、基陣孔徑等）的基礎(chǔ)上，針對(duì)姿態(tài)角對(duì)水聲定位系統(tǒng)的定位精度影響進(jìn)行仿真分析。依據(jù)實(shí)際船只航行經(jīng)驗(yàn)，船體在航行中的俯仰角及橫滾角多在3°以內(nèi)，因此，仿真設(shè)定[α、][β]均為最大值3°。假設(shè)目標(biāo)在與水聲定位系統(tǒng)基陣原點(diǎn)相距（斜距）為[R]的點(diǎn)位上，[R]變化范圍是1～1 080 m，步長(zhǎng)為3 m。同時(shí)在每個(gè)[R]距離點(diǎn)上進(jìn)行航向角1°～360°的變化，計(jì)算在該點(diǎn)距離、方位產(chǎn)生最大系統(tǒng)定位偏差時(shí)，所對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角度。分別對(duì)[X]方向、[Y]方向及總體定位誤差Δr進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2可以看出，相對(duì)于[α、][β]來(lái)說(shuō)，[φ]角度引起的系統(tǒng)[X]方向定位誤差最大， 圖3中顯示[α]和[β]引起的系統(tǒng)[Y]方向誤差基本相同，而[φ]角引起的誤差偏小。圖4為系統(tǒng)總定位誤差分析圖，可以看出當(dāng)水下目標(biāo)與船體航向夾角為255°～270°范圍內(nèi)時(shí)，由姿態(tài)角引起的誤差最大（約為4‰）。也就是說(shuō)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以盡量避免將水下目標(biāo)與試驗(yàn)船只交匯點(diǎn)設(shè)計(jì)在定位誤差最大的區(qū)域內(nèi)，以減少由于姿態(tài)角測(cè)量精度帶來(lái)的系統(tǒng)定位誤差。

2 姿態(tài)參數(shù)測(cè)量方法

試驗(yàn)船只在水面航行時(shí)，船體會(huì)因風(fēng)浪、水流等因素的作用而發(fā)生姿態(tài)變化，此外船只自身的操作要求也會(huì)造成其姿態(tài)角的不斷變化。

2.1 姿態(tài)測(cè)量常規(guī)方法

傳統(tǒng)船載式水聲定位系統(tǒng)一般通過(guò)兩種方式進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，一是先設(shè)計(jì)穩(wěn)定平臺(tái)，再將平臺(tái)安裝在試驗(yàn)船只上，利用陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量；二是直接以船上的主慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的姿態(tài)信息為基準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞的方式完成水下基陣的姿態(tài)測(cè)量。雖然上述兩種方法具有精度高、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)：利用陀螺力學(xué)特性設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)器件和工藝的要求很高，使得穩(wěn)定系統(tǒng)體積較大，成本高；利用船只主慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存在與水下基陣安裝位置的差異性，并且姿態(tài)信息傳遞干擾較大，且不易校準(zhǔn)，另外，在沒(méi)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的船只上無(wú)法使用。

船載式水聲定位系統(tǒng)的水下基陣固定安裝在試驗(yàn)船只上，不可能在船只上預(yù)留穩(wěn)定平臺(tái)，也不可能要求試驗(yàn)船只提供姿態(tài)數(shù)據(jù)，而高精度的慣性導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格又較為昂貴。因此，在系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、可靠的姿態(tài)測(cè)量方法，以滿足水聲定位的需求。目前，船載姿態(tài)測(cè)量都是采用陀螺儀和加速計(jì)組成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，在振動(dòng)環(huán)境下，要獲得足夠精度和穩(wěn)定度的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)較難。并且陀螺羅經(jīng)啟動(dòng)需要時(shí)間較長(zhǎng)，還存在由于陀螺儀漂移而使姿態(tài)測(cè)量誤差隨時(shí)間的積累而越來(lái)越大的致命弱點(diǎn)。

2.2 衛(wèi)星/慣導(dǎo)組合測(cè)姿方法

隨著GPS/北斗載波相位技術(shù)與相干測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，相對(duì)定位的精度越來(lái)越高，已經(jīng)達(dá)到毫米量級(jí)，為船只姿態(tài)測(cè)量精度的提高提供了可靠的保證。早在20世紀(jì)90年代國(guó)外已在GPS的姿態(tài)測(cè)量上有了較為廣泛的研究和應(yīng)用[2?3]。由于相干測(cè)量技術(shù)的實(shí)質(zhì)是一種無(wú)碼技術(shù)，不需要對(duì)導(dǎo)航星的導(dǎo)航星載波相比較獲得測(cè)量值，只需將解算的整周模糊數(shù)與姿態(tài)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，便可確定載體的姿態(tài)。因此，可大大減少對(duì)國(guó)外GPS的解碼依賴，同時(shí)考慮到軍事應(yīng)用的可能性。

這里采用GPS級(jí)聯(lián)北斗的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量方案，同時(shí)結(jié)合小型MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)輔助的方法，提高船體姿態(tài)測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。衛(wèi)星天線采用雙頻、雙天線（基線長(zhǎng)度為3 m），兼容GPS與北斗系統(tǒng)，可同時(shí)工作。該測(cè)量方案與單純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、精度穩(wěn)定、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星天線固定安裝在試驗(yàn)船只的頂部后，通過(guò)饋線與艙內(nèi)的接收機(jī)相連。這里需要注意的是，一旦天線安裝完成后，由于兩個(gè)天線組成的連線和真實(shí)船只頭尾連線定會(huì)存在一個(gè)固定偏角；另外，兩個(gè)衛(wèi)星天線頂端組成的面與船只水平面也會(huì)存在一定的夾角。因此，在姿態(tài)測(cè)量設(shè)備安裝完成后，需要利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)姿設(shè)備或者船載主慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)分析，獲得相對(duì)固定的偏角和夾角，在實(shí)際測(cè)量時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正便可對(duì)安裝偏差進(jìn)行校正。

在國(guó)內(nèi)某區(qū)域標(biāo)較過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位（已知精確坐標(biāo)），采用標(biāo)準(zhǔn)定位設(shè)備對(duì)船載式水聲定位系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，該測(cè)姿設(shè)備的實(shí)測(cè)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)別，并且自身的定位精度可達(dá)毫米級(jí)，足以滿足船只定位精度要求。

采用標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備對(duì)其姿態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在某水域上獲得的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，兩個(gè)設(shè)備的航向角測(cè)量數(shù)據(jù)具有一定的重合度（數(shù)據(jù)記錄時(shí)間不同），并且其俯仰角和橫滾角的實(shí)際測(cè)量精度較高，能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)要求。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證測(cè)姿設(shè)備在船載式水聲定位系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的整體效果，在某湖上水域進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。安裝有水聲定位系統(tǒng)及姿態(tài)測(cè)量設(shè)備的試驗(yàn)船只從北向南航行，而載有聲源（發(fā)射與定位系統(tǒng)相匹配的聲信號(hào)）的漁船向東北方向滑行，定位系統(tǒng)根據(jù)測(cè)姿設(shè)備提供的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行水聲定位數(shù)據(jù)的修正，最終獲得漁船的運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)測(cè)試的軌跡圖如圖7所示。

圖7中的聲源水聲測(cè)量軌跡是由船載測(cè)量系統(tǒng)獲得，而聲源GPS軌跡由與聲源固定安裝在一起的GPS設(shè)備獲得。GPS設(shè)備獲得的大地坐標(biāo)能夠與船載式水聲定位系統(tǒng)的水聲測(cè)量軌跡相重合，證明其水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是完整可信的，同時(shí)也證明了利用GPS/北斗衛(wèi)星級(jí)聯(lián)的組合測(cè)姿方案，能夠滿足水聲定位系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)修正需求，保證了船載式水聲定位系統(tǒng)的精度和可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

如何簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)獲得船體的姿態(tài)信息，對(duì)于船載式水聲定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本文針對(duì)姿態(tài)角對(duì)定位系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明在同等條件下不同方位角內(nèi)定位系統(tǒng)的測(cè)量精度不同?？稍诓邉澰囼?yàn)方案時(shí)，避開(kāi)誤差較大的區(qū)域，以提高測(cè)量精度。

采用GPS/北斗衛(wèi)星級(jí)聯(lián)結(jié)合微型慣導(dǎo)的組合測(cè)姿方案，具有實(shí)施簡(jiǎn)單，使用靈活、方便，精度高等優(yōu)點(diǎn)，且能在丟失衛(wèi)星的情況下利用內(nèi)置慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)間的姿態(tài)數(shù)據(jù)保持輸出。經(jīng)過(guò)湖上試驗(yàn)船只的實(shí)際測(cè)試，證明該姿態(tài)測(cè)量方案能夠滿足船載式水聲定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量需求，并且經(jīng)過(guò)坐標(biāo)修正后的船載式水聲定位系統(tǒng)測(cè)量精度可達(dá)5‰，即使在相對(duì)水聲環(huán)境較為惡劣的動(dòng)態(tài)實(shí)航條件下，定位系統(tǒng)可靠跟蹤距離可達(dá)1 500 m。

參考文獻(xiàn)

[1] 張慶國(guó)，王健培.船載式水聲跟蹤系統(tǒng)定位原理及誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：70?73.

[2] JUANG J C， HUANG G S. Development of GPS?based attitude determination algorithms [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1997， 33（3）： 968?976.

[3] FERRANDO C， PEREZ A， SANCHEZ P R S. Integer ambiguity resolution in GPS for spinning spacecrafts [J]. IEEE Transactions on Acerospace and Electronic Systems， 1999， 35（4）： 1219?1229.

[4] 劉松海，孫向前，岳劍平.智能魚(yú)雷攻潛部位及攻擊角測(cè)量方法與誤差分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（4）：79?88.

[5] 馬福誠(chéng)，劉保良，滕擁軍，等.基于加速度計(jì)的載體姿態(tài)測(cè)量模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（13）：61?63.

[6] 張慶國(guó)，王健培.船載式水聲跟蹤系統(tǒng)定位原理及誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：70?73.