基于座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的跟蹤測試技術(shù)研究

張慶國，王健培，崔國平，劉鎏

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基于座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的跟蹤測試技術(shù)研究

張慶國，王健培，崔國平，劉鎏

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南昆明650051)

為了滿足水下航行體的大范圍水下定位跟蹤測試要求，針對基于座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的跟蹤測試技術(shù)進(jìn)行深入研究。設(shè)計(jì)了一種緊湊型水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用臥式安裝結(jié)構(gòu)，可通過水聲或光電信號進(jìn)行回收控制，具有結(jié)構(gòu)輕便、布放效率高、回收可靠等特點(diǎn)。利用該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，串行布放在某水域組成座底式長基線跟蹤測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備定位跟蹤、航行參數(shù)遙測等功能。針對其定位跟蹤及航行參數(shù)遙測功能進(jìn)行湖上跑船試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)定位跟蹤精度高，航行參數(shù)遙測功能可靠，遙測誤碼率低，總體覆蓋范圍大，可廣泛應(yīng)用于水下航行體的定位跟蹤、導(dǎo)航測試等，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

座底式；水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；跟蹤測試；長基線系統(tǒng)

0 引言

座底式水聲跟蹤測試系統(tǒng)的聲學(xué)基陣固定布放在水底，一旦布放施工完成，便可全天候進(jìn)行水下目標(biāo)定位跟蹤、導(dǎo)航、遙測遙控以及水下目標(biāo)輻射噪聲測量等相關(guān)工作。系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性高、覆蓋范圍廣、不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，是目前各國海軍靶場的主要測試設(shè)備[1]。除了軍事應(yīng)用外，在民用上也獲得了較快的發(fā)展，已經(jīng)成為海洋科學(xué)考察、海洋資源勘探與開發(fā)、深?？臻g站建設(shè)等工程實(shí)施的必備手段[2]，為海底勘探設(shè)備提供定位、導(dǎo)航、遙測遙控等相關(guān)技術(shù)支持。

座底式水聲跟蹤測試系統(tǒng)與海上常用的浮標(biāo)式系統(tǒng)相比較，具有更高的安全性和隱蔽性，也是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-5]的一種可靠形式，可對覆蓋區(qū)域進(jìn)行長期水下預(yù)警、目標(biāo)監(jiān)測、水溫環(huán)境檢測等，應(yīng)用前景廣闊。因此，針對座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的跟蹤測試技術(shù)進(jìn)行研究，無論是在軍事上還是民用上均有重要意義。

1 座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

長基線系統(tǒng)[6]具有很高的定位精度和很大的覆蓋范圍，且校準(zhǔn)精確、工作簡單，獲得了各國水聲跟蹤導(dǎo)航設(shè)備廠家的青睞，甚至一度成為大型綜合化海軍靶場的典型標(biāo)志[7]。如挪威Simrad公司的HIPAR408S系統(tǒng)、法國Oceano(后改名Mors)公司低頻跟蹤系統(tǒng)[8]以及美國的Sonatech長基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)等，均為長基線結(jié)構(gòu)。座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按規(guī)劃布放在固定水域，從覆蓋范圍及測試精度上考慮，通常會采用長基線組陣結(jié)構(gòu)。由于水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，其多個(gè)節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場布放施工及后期維修工程量極大。因此，必須設(shè)計(jì)一種簡單可靠、可連續(xù)布放施工、并具備可靠回收功能的輕便式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)所需的水聲跟蹤測試功能。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可輕便、高效布放施工、并具備可靠現(xiàn)場回收功能的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。利用串行布放的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成較大范圍內(nèi)的水聲跟蹤測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)覆蓋水域內(nèi)的實(shí)時(shí)定位跟蹤、航行參數(shù)遙測、輻射噪聲測量等功能。該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由聲學(xué)和電子兩部分組成。其中聲學(xué)部分主要包含收發(fā)組合換能器、深水浮力材料和定向吸聲塊等；電子設(shè)備主要由放置在水密筒內(nèi)的前置聲信號處理、光電轉(zhuǎn)換、聲學(xué)自校準(zhǔn)、回收釋放、水下供電電源等設(shè)備組成，其中回收釋放設(shè)備主要由水聲釋放器、浮球及纜繩組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中所示的浮球?yàn)椴讳P鋼材料密封結(jié)構(gòu)體，纜繩筒為開放式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有水聲釋放器的控制組件及零浮力纜繩，其中纜繩與浮球相連接。當(dāng)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布放至水底后，可通過水聲通訊的方式進(jìn)行控制，或者直接由岸基數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行光電信號控制，完成釋放控制。利用水聲節(jié)點(diǎn)上的浮球浮力將纜繩帶出水面，通過纜繩直接將水聲節(jié)點(diǎn)回收。該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的遙控回收功能采用冗余雙備份設(shè)計(jì)，即使水聲節(jié)點(diǎn)與岸基數(shù)據(jù)處理中心相連接的光電復(fù)合纜出現(xiàn)光纖故障(如斷裂、滲水等)，仍可利用水聲遙控功能完成水聲節(jié)點(diǎn)的回收，從而保證水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場維修性。

圖1 水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要完成水聲信號的連續(xù)采集與實(shí)時(shí)傳送，同時(shí)完成不同水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的聲學(xué)自校準(zhǔn)等功能，原理框圖見圖2所示。

水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將收發(fā)組合換能器接收到的聲信號進(jìn)行前端預(yù)處理，增益控制之后將其送入光電轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行調(diào)理、轉(zhuǎn)換和傳輸。實(shí)時(shí)接收岸基數(shù)據(jù)處理中心的指控命令，根據(jù)命令碼進(jìn)行前端程控增益的適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于聲學(xué)自校準(zhǔn)工作模式時(shí)，由岸基數(shù)據(jù)處理中心順序控制相應(yīng)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)自校準(zhǔn)設(shè)備工作，產(chǎn)生并發(fā)射自校準(zhǔn)聲信號，其他水聲節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收處于自校準(zhǔn)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)射的聲信號，利用時(shí)延及聲速獲得兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，即可獲得多個(gè)水聲節(jié)點(diǎn)之間的間距，從而獲得長基線陣基陣孔徑，為后續(xù)水聲跟蹤測量奠定基礎(chǔ)。

該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊(尺寸約為1.0 m× 0.4 m×0.4 m)，有利于布放施工的高效實(shí)施。布放之前，在布放船上完成光電復(fù)合纜及收發(fā)組合換能器與水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的水密插接。布放時(shí)按事先預(yù)定的點(diǎn)位進(jìn)行順序布放，多個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成長基線水聲跟蹤測試系統(tǒng)。其單個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示，圖3中下方吊拉的“葫蘆型”設(shè)備為收發(fā)組合換能器，入水后能依靠自身浮力在水下保持換能器的向上指向性。其中的浮力材料采用長時(shí)間耐浸泡材料，可滿足水下長期穩(wěn)定工作的需求。整個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用緊湊型臥式安裝結(jié)構(gòu)，以降低節(jié)點(diǎn)重心，防止被“漁網(wǎng)”等外物損傷。

2 長基線水聲跟蹤與測試

利用上述水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成座底式長基線水聲跟蹤測試系統(tǒng)，系統(tǒng)采用同步式水聲定位跟蹤方案，其水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過光電復(fù)合纜連接至岸基數(shù)據(jù)處理中心，水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)，其間距設(shè)為1500～2000 m。

該系統(tǒng)主要具備水下目標(biāo)定位跟蹤、航行參數(shù)遙測、輻射噪聲測量等功能。其定位跟蹤原理為：在水下目標(biāo)上安裝聲波發(fā)生器(3D測試聲源或Pinger或水下發(fā)聲器)，其發(fā)出的同步水聲脈沖信號被座底式水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收并處理，利用球面交匯原理獲知水下目標(biāo)的位置，實(shí)時(shí)得到其航行軌跡。航行參數(shù)遙測原理為：聲波發(fā)生器實(shí)時(shí)將水下目標(biāo)的航行姿態(tài)參數(shù)編碼調(diào)制成特定的聲信號發(fā)出，水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收該聲信號并處理解碼完成后，獲得其航行姿態(tài)參數(shù)(航向、俯仰、橫滾、航深等)。輻射噪聲測量原理：在水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信號接收端，采用專用寬帶通道獲取水下目標(biāo)的輻射噪聲數(shù)據(jù)，并通過光纖實(shí)時(shí)傳送至岸上指控中心。為了簡單起見，本文只針對水聲定位跟蹤及航行參數(shù)遙測兩項(xiàng)測試功能進(jìn)行試驗(yàn)情況說明。

3 湖上試驗(yàn)

3.1 定位跟蹤功能測試

在國內(nèi)某水域內(nèi)，針對系統(tǒng)定位跟蹤功能，采用動(dòng)態(tài)“跑船”試驗(yàn)的方式進(jìn)行功能及性能驗(yàn)證測試。將系統(tǒng)配套模擬聲源固定安裝在試驗(yàn)船只上，并對應(yīng)安裝差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System，DGPS)，同時(shí)將DGPS數(shù)據(jù)傳送至岸基數(shù)據(jù)處理中心。岸基數(shù)據(jù)處理中心將水聲定位跟蹤軌跡與DGPS軌跡相比對，驗(yàn)證其定位跟蹤功能及性能。具體采用常規(guī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)“跑船”試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)測試。湖上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，如圖4所示(其中紅色為DGPS軌跡，綠色為水聲定位軌跡)。由圖4可以看出，其水聲定位軌跡與DGPS軌跡重合性較好，表明水聲定位跟蹤功能正常，且精度較高，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3.2 航行參數(shù)遙測功能測試

航行參數(shù)遙測的目的，就是將水下目標(biāo)的航行姿態(tài)等參數(shù)信息實(shí)時(shí)編碼發(fā)射，通過水聲傳播后，在接收端經(jīng)過解碼及相應(yīng)信號處理，最終獲得水下航行體的實(shí)時(shí)航行姿態(tài)等信息。利用姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)將試驗(yàn)船只的姿態(tài)等信息調(diào)制在匹配聲源上，模擬水下目標(biāo)實(shí)航情況。水聲跟蹤與測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得接近真實(shí)使用情況下的水下目標(biāo)航行參數(shù)水聲遙測數(shù)值。該考核方式更加接近真實(shí)使用情況，具有較高的真實(shí)性，測試試驗(yàn)的原理圖如圖5所示。

水聲定位跟蹤測試系統(tǒng)按照固定周期，將水下航行體的姿態(tài)信息傳送至岸基數(shù)據(jù)處理中心。對于水下航行體，短時(shí)間內(nèi)其航行姿態(tài)信息不會發(fā)生強(qiáng)烈變化，因此，其航行參數(shù)的水聲遙測數(shù)據(jù)率通常不高(不大于10 Hz)。系統(tǒng)主要針對其航行參數(shù)水聲遙測功能及誤碼率進(jìn)行試驗(yàn)測試，采用固定姿態(tài)值及實(shí)際姿態(tài)傳感器比對的方式，在實(shí)際水聲環(huán)境中進(jìn)行誤碼率和遙測功能的測試，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6中航行體其深度設(shè)定為4 m，航向角、俯仰角、橫滾角均設(shè)定為36°，試驗(yàn)船只航速為8～10kn。航行參數(shù)遙測與定位跟蹤不同的是，無需水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成一定的幾何形狀(又稱“陣型”)，只需單個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)。這里采用粗測加精細(xì)解調(diào)測量的方法[9]，實(shí)現(xiàn)較高精度的航行參數(shù)水聲遙測。圖7中的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)記錄周期為4 s，而水聲遙測周期為2 s。因此，圖7中的對比數(shù)據(jù)長度不相同，但變化趨勢相同。另外，由于姿態(tài)傳感器航向角輸出范圍是0°～360°，所以圖7中航向角在360°和0°附近會出現(xiàn)跳變。針對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，水聲遙測的實(shí)際測量誤碼率如表1所示。

表1 航行參數(shù)水聲遙測誤碼率表

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，無論是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)，還是實(shí)時(shí)傳感器測試，利用水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成水聲定位跟蹤測試系統(tǒng)遙測誤碼率均小于10-3，可滿足水下航行體的航行參數(shù)遙測需求。需要說明的是：這里的誤碼率采用更為直接的工程計(jì)算方法，即在水聲遙測范圍內(nèi)，由遠(yuǎn)至近(或由近至遠(yuǎn))動(dòng)態(tài)情況下的全程測試。測試中所有不能正確解算或者超出范圍的遙測數(shù)值均認(rèn)為誤碼數(shù)據(jù)，如聲影區(qū)附近的信噪比急劇下降，聲信號在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的反相位疊加等情況均計(jì)算在誤碼率內(nèi)。因此，這里計(jì)算的水聲遙測誤碼率較為嚴(yán)格，可滿足多數(shù)常規(guī)水下目標(biāo)的航行參數(shù)遙測需求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種座底式的緊湊型水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并利用該節(jié)點(diǎn)組成座底式長基線跟蹤測試系統(tǒng)。采用湖上跑船的方式進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證測試，試驗(yàn)結(jié)果表明該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布放施工效率高，回收可靠性高，且具備較高的水下安全性。由該水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組建的長基線水聲定位跟蹤測試系統(tǒng)，功能全面，定位跟蹤精度高，覆蓋面積廣，具備可靠的航行參數(shù)水聲遙測功能，已在某水聲工程項(xiàng)目中得以實(shí)施和應(yīng)用，具有較高的軍事和民用價(jià)值。

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Research on tracking and testing technology based on bottom-seated underwater acoustic network nodes

ZHANG Qing-guo, WANG Jian-pei, CUI Guo-ping, LIU-liu

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051, Yunnan, China)

To meet the requirements of underwater vehicle positioning and tracking tests over a wide area, an intensive research on tracking and testing technology based on the bottom-seated type of underwater acoustic network nodes has been conducted, and a compact underwater acoustic network node with a horizontal mounting structure, which can be controlled for recycling by underwater acoustic or photoelectric signals, is developed. Due to its light structure, high efficient deployment and reliable recovery are achieved. By deploying underwater acoustic network nodes on the seat bottom in series along a water zone, a long baseline tracking test system is formed, which can be used to realize location, tracking, telemetry and other navigation functions. For verifying the functions of location, tracking and telemetry, boat running tests on the lake are conducted. The test results show that the system achieves high location tracking accuracy and reliable navigational parameters telemetry at lower error code rates. The system can cover a wide operating area, so it can be widely used in underwater vehicle location tracking, navigation test and so on, with high practical engineering value.

bottom seated; underwater acoustic network node; tracking test; long baseline system

TN929.3

A

1000-3630(2016)-03-0193-05

10.3969/j.issn1000-3630.2016.03.001

2015-09-12;

2015-12-10

張慶國(1982－), 男, 黑龍江人, 高級工程師, 研究方向?yàn)樗挛淦鲝椀栏櫯c測量技術(shù)研究。

張慶國, E-mail: zqg750@126.com