一種潛艇水下位置校準(zhǔn)方法研究?

田向陽 林傳祿

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

一種潛艇水下位置校準(zhǔn)方法研究?

田向陽 林傳祿

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

論文提出了一種基于超短基線水聲定位系統(tǒng)的水下潛艇位置校準(zhǔn)方法，該方法對潛艇在復(fù)雜、危險(xiǎn)海域進(jìn)行的訓(xùn)練乃至作戰(zhàn)任務(wù)都具有一定的實(shí)用性。

潛艇；超短基線；位置校準(zhǔn)

1 引言

隱蔽性是潛艇的最主要特征，而既要隱藏于茫茫大海之中，又能精確地在預(yù)設(shè)的航道上安全航行，穿梭于復(fù)雜海域并能不被覺察地接近目標(biāo)，就需要知道潛艇本身的精確位置及所在海域的情況。這不但需要對相關(guān)海域的進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，同時(shí)必須有精確的導(dǎo)航系統(tǒng)對潛艇進(jìn)行精確的定位導(dǎo)航。因此，我們提出了一種基于超短基線的潛艇位置校準(zhǔn)方法。該方法能為接近或通過復(fù)雜海域的潛艇提供精確定位，以提高其航行安全性及遂行訓(xùn)練、作戰(zhàn)任務(wù)的能力。

2 潛艇的導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)種類越來越多，大致分類如下。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球范圍內(nèi)的用戶提供全天候、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。但如果要在潛艇上使用，潛艇必須浮出水面接收衛(wèi)星信號，與潛艇隱蔽性要求相沖突，因此衛(wèi)星導(dǎo)航定位不適用于潛艇的水下導(dǎo)航［1］。

2.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

目前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是潛艇水下導(dǎo)航系統(tǒng)的核心。慣性導(dǎo)航技術(shù)是通過測量載體的加速度（慣性），并自動進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得載體瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。INS系統(tǒng)基于慣性和陀螺儀原理對潛艇加速度進(jìn)行二重積分來推算潛艇航位。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在潛艇內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，特別適合潛艇的導(dǎo)航。但I(xiàn)NS會產(chǎn)生累積誤差，因此使用INS對潛艇進(jìn)行長時(shí)間的水下導(dǎo)航必須配備其他導(dǎo)航修正系統(tǒng)［2～4］。

2.3 水下聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)

水下聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)需要在海中布放多個(gè)水聲發(fā)射器，通過接收發(fā)射器的信號使得潛艇可以確定它與發(fā)射器的方位和距離，并依此定位。水聲定位可以獲得很高的定位精度，對潛艇而言，不需要上浮，具有較好的隱蔽性。但該系統(tǒng)需要發(fā)射器長時(shí)間的發(fā)出聲信號，不但影響了其工作壽命，同時(shí)也更容易被敵方偵查到。

2.4 其他種類導(dǎo)航系統(tǒng)

其他種類的導(dǎo)航系統(tǒng)包括天文導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)、雙曲線無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)等。但和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，這些導(dǎo)航系統(tǒng)均屬于非自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，在使用過程中潛艇需要浮出水面，犧牲了潛艇的隱蔽性［5］。

3 水下聲學(xué)定位系統(tǒng)

水下聲定位導(dǎo)航系統(tǒng)是指利用水下聲波進(jìn)行定位的系統(tǒng)，一般簡稱為水聲定位系統(tǒng)。利用水聲定位可以實(shí)現(xiàn)高精度、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動地標(biāo)識水下物體的位置，對于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遙控作業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域有重要的意義。

3.1 水聲定位系統(tǒng)類型

水聲定位系統(tǒng)利用沿不同距離路徑傳播的水下聲脈沖的時(shí)間差或者相位差對水面、水中目標(biāo)進(jìn)行定位。它的基本組成部分為基元，基元間的連線稱為基線。通常情況下，已知幾個(gè)基元的位置坐標(biāo)，根據(jù)潛艇的聲信號到幾個(gè)基元間的傳播時(shí)延，可以計(jì)算出潛艇的位置。根據(jù)接收基陣中基線的長度來分類，水聲定位系統(tǒng)可以分為短基線（Short Baseline，SBL）、超短基線（Ultra-Short Baseline，USBL或Super Short Baseline，SSBL）和長基線（Long Baseline，LBL）定位系統(tǒng)。表1中列出了這3種定位系統(tǒng)的分類［6～8］。

表1 水聲定位系統(tǒng)的分類

從安全性及操作性等方面考慮，潛艇上不可能安裝基線長的基陣，而超短基線系統(tǒng)具有基陣小、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，這就決定了使用超短基線定位系統(tǒng)是進(jìn)行潛艇位置校準(zhǔn)的最佳選擇。

3.2 超短基線定位系統(tǒng)

利用超短基線系統(tǒng)進(jìn)行定位是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的水聲定位技術(shù)。超短基線定位系統(tǒng)確定水下目標(biāo)位置是通過測量信號的到達(dá)方位和距離來定位的，而測向任務(wù)是通過測量信號到達(dá)接收基陣基元之間的相位差來實(shí)現(xiàn)的。超短基線系統(tǒng)的特點(diǎn)是基陣尺寸很小（一般為幾厘米到幾十厘米），所以其安裝比較方便，特別適合于小艇上安裝?！按笱笠惶枴本C合科學(xué)考察船裝備的就是posidonia 6000的長程超短基線定位系統(tǒng)，工作水深6000m，它是法國OCEANO TECHNOLOGIES公司的產(chǎn)品。定位精度為斜距的0.3%。國家863計(jì)劃在“十五”期間資助的“長程超短基線系統(tǒng)”的研究，它的技術(shù)水平接近posidonia 6000，在4000m水深下其高定位精度達(dá)到0.5%斜距［9］。

4 基于超短基線的潛艇位置校準(zhǔn)

4.1 超短基線定位系統(tǒng)的原理

超短基線定位基本原理如圖1所示。聲學(xué)基陣的4個(gè)基元對稱地分布于水平面內(nèi)的兩坐標(biāo)軸上，同一坐標(biāo)軸上的兩基元間距均為d。通過測量基元之間的相位差即可對應(yīng)答器進(jìn)行測向；通過測量接收時(shí)刻和發(fā)射時(shí)刻的時(shí)延差，并在必要的時(shí)候進(jìn)行聲速誤差修正，即可對應(yīng)答器進(jìn)行測距，從而可獲得二者之間的相對位置，或更確切地說，獲得應(yīng)答器在潛艇基陣坐標(biāo)系下的相對位置XA(x,y,z)，它在窄帶情況下可寫作式（1）［10］。

式中：φ12是基元1、2之間的相位差，φ34是基元3、4之間的相位差，λ是信號波長，R是斜距。

圖1 超短基線工作基本原理圖

4.2 基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)原理

如圖2所示，基于超短基線的潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)由布設(shè)在海底的應(yīng)答器和安裝在潛艇上的超短基線定位系統(tǒng)構(gòu)成。海底應(yīng)答器需要預(yù)先布設(shè)并經(jīng)過絕對位置校準(zhǔn)，并且應(yīng)答器的應(yīng)答信號包含應(yīng)答器的編號或者其位置坐標(biāo)的信息［11～12］。超短基線基陣通過與海底應(yīng)答器進(jìn)行詢問和應(yīng)答，確定二者之間的相對位置，由于應(yīng)答器位置已知，就可以確定潛艇當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)潛艇的位置校準(zhǔn)。

為了獲得潛艇的絕對地理位置，我們需進(jìn)行基陣坐標(biāo)系下的位置向潛艇坐標(biāo)下位置的變換，以及潛艇坐標(biāo)的位置向大地坐標(biāo)系下的位置變換兩個(gè)環(huán)節(jié)的工作。由于安裝的影響，基陣坐標(biāo)系不可能與潛艇坐標(biāo)系完全重合，其姿態(tài)角偏差一個(gè)固定角為Θ=[αβγ]，αβγ分別對應(yīng)航向角偏差、縱傾角偏差和橫搖角偏差。從基陣坐標(biāo)系到潛艇坐標(biāo)系的變換關(guān)系可由旋轉(zhuǎn)矩陣R(Θ)陣表示：

式中γ'=acsin(sinβ cosα)。而潛艇的實(shí)時(shí)姿態(tài)角為ψ=[Akφ]，Akφ分別對應(yīng)航向角、縱搖角和橫搖角。與式（2）類似，可以寫出從基陣坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣R(ψ)。將坐標(biāo) XA進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)就可以得到大地坐標(biāo)系下應(yīng)答器相對于基陣中心的坐標(biāo)R(ψ)R(Θ)XA。如果應(yīng)答器的絕對大地坐標(biāo)XT已經(jīng)校準(zhǔn)，就可以得到潛艇的大地坐標(biāo)Xs：

式中：Xs=[xsyszs]T是水下潛艇的絕對大地坐標(biāo)，XT=[xTyTzT]T是應(yīng)答器的絕對大地坐標(biāo)，δX=[δxδyδz]T為在潛艇坐標(biāo)系下的基陣中心相對于潛艇中心的平移偏差。由式（3）可以看出，定位誤差與應(yīng)答器絕對位置校準(zhǔn)、安裝誤差校準(zhǔn)、潛艇姿態(tài)測量、海洋環(huán)境以及基陣的超短基線定位有關(guān)。如果潛艇配備高精度姿態(tài)傳感器，則由它引起的定位誤差很小，幾乎可以忽略不計(jì)。應(yīng)答器絕對位置校準(zhǔn)誤差直接帶來潛艇的定位誤差，它不僅與測量設(shè)備的測距精度有關(guān)，還與潛艇和應(yīng)答器之間的相對幾何關(guān)系密切相關(guān)，實(shí)際工作中可以通過設(shè)定適當(dāng)?shù)臏y量陣型和校準(zhǔn)方法來減小該項(xiàng)誤差的影響。

5 基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用探討

基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)是通過在需要對潛艇進(jìn)行精確定位導(dǎo)航的海域預(yù)先布放位置校準(zhǔn)過的水聲應(yīng)答器，通過潛艇上的超短基線系統(tǒng)和應(yīng)答器之間的應(yīng)答和相應(yīng)解算得到潛艇相應(yīng)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)在此海域?qū)撏нM(jìn)行隱蔽精確導(dǎo)航的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠保證潛艇按照預(yù)定航線航行或到達(dá)預(yù)定位置。

圖2 基于超短基線的潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理圖

5.1 系統(tǒng)可行性分析

首先，需要對潛艇進(jìn)行精確定位導(dǎo)航的海域大多是距離大陸、海島較近的海域，水深一般不會超過1km，而目前水聲應(yīng)答器的工作水深可達(dá)4km以上，完全能夠滿足系統(tǒng)工作海域的水深要求。應(yīng)答器待的待機(jī)時(shí)間可達(dá)1～3年，應(yīng)答次數(shù)10萬以上，也可以滿足特殊時(shí)期長時(shí)間在海底工作的要求。由于超短基線系統(tǒng)的基陣僅有幾厘米到幾十厘米，所以其在潛艇上的安裝工作簡單易行。目前國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)的一套基于超短基線的單應(yīng)答器定位導(dǎo)航系統(tǒng)工作斜距可達(dá)8km，深海試驗(yàn)的誤差不大于斜距的0.5%。此定位導(dǎo)航精度完全可以滿足潛艇水下定位導(dǎo)航的要求［13］。

其次，布放海底應(yīng)答器可以以科學(xué)考察、海洋調(diào)查等名義進(jìn)行，通過裝載差分GPS或北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的船在設(shè)定的地方精確布放應(yīng)答器，這也保證了布放應(yīng)答器時(shí)的相對隱蔽性。

最后，在水聲通信中可以采用Turbo碼與OFDM相結(jié)合的體制，通過擴(kuò)頻通信、信息編碼、信息加密等手段對詢問、應(yīng)答信號進(jìn)行處理，從而保證潛艇同應(yīng)答器之間通信的可靠性、安全性和隱蔽性。應(yīng)答器的應(yīng)答信息應(yīng)包含應(yīng)答器的編號甚至是其絕對位置，潛艇收到此信號后可以解算出潛艇自身的方位。

通過以上分析可以看出本文探討的基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)是可行的。

5.2 系統(tǒng)應(yīng)用淺析

該系統(tǒng)可以應(yīng)用于潛艇的時(shí)時(shí)定位導(dǎo)航和不定時(shí)導(dǎo)航修正兩種方式。

1）系統(tǒng)在實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航中的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，而其偏差也有所不同，這里我們做以下假設(shè)：

（1）基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)工作斜距為r，系統(tǒng)的定位精度為斜距的Δr；

（2）航行海域的水深滿足超短基線系統(tǒng)的工作條件，水深為d。

如圖3所示，我們可以預(yù)先在特定的海域布設(shè)一定數(shù)量的應(yīng)答器。那么根據(jù)假設(shè)可以得到超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)的單個(gè)應(yīng)答器的水平工作距離

由此得到水聲應(yīng)答器之間合適的水平距離

設(shè)系統(tǒng)誤差Δr=0.4%，系統(tǒng)工作斜距r=8km，水深d=500 m，由式（4～5）可以得到基于超短基線的潛艇輔助系統(tǒng)水聲應(yīng)答器之間的合適水平距離為即布放應(yīng)答器時(shí)，其水平間距應(yīng)為16km左右。

假設(shè)潛艇在同應(yīng)答器的斜距響應(yīng)范圍ri同應(yīng)答器進(jìn)行了應(yīng)答，那么可以得到潛艇距離響應(yīng)應(yīng)答器之間的斜距

由此得出潛艇同響應(yīng)應(yīng)答器之間水平距離

那么該系統(tǒng)定位誤差就為 ||D-D1。

假設(shè)ri=6000m。由式（6）可以得到潛艇距離響應(yīng)應(yīng)答器之間的斜距r1=6000±6000?0.4%，即6024～5976m。由式（7）得出潛艇同響應(yīng)應(yīng)答器之間水平距離，即6003～5955m。那么可以得到該系統(tǒng)的誤差為，即：3～5m。這樣小的誤差對潛艇來說是完全可以接受的。這樣潛艇每次發(fā)出的詢問信號都能得到應(yīng)答器的應(yīng)答，然后根據(jù)該應(yīng)答信號解算出自身的方位，從而修正自己的航向，保證潛艇按預(yù)定線路航行或到達(dá)預(yù)定位置。該系統(tǒng)也可以由應(yīng)答器以合適的時(shí)間間隔或特定的時(shí)間點(diǎn)，自行發(fā)出信號，潛艇收到后也能解算處自己的位置。該應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是可以對潛艇進(jìn)行時(shí)時(shí)精確定位導(dǎo)航；該應(yīng)用的缺點(diǎn)是需要布放大量應(yīng)答器，成本較高。

圖3 基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)時(shí)定位導(dǎo)航示意圖

2）系統(tǒng)在不定時(shí)導(dǎo)航修正中的應(yīng)用

如圖4所示，在特定危險(xiǎn)海域附近預(yù)先布放應(yīng)答器，其位置已經(jīng)過校準(zhǔn)。當(dāng)潛艇在接近該海域并有修正誤差的需要時(shí)，可以發(fā)出詢問信號，得到應(yīng)答器的應(yīng)答后，解算出潛艇的方位。當(dāng)然也可以由應(yīng)答器以合適的時(shí)間間隔或設(shè)定的特定時(shí)間，自行發(fā)出信號，潛艇則無需詢問。如果有進(jìn)一步提高定位修正精度的需要，可以通過設(shè)計(jì)更加科學(xué)的航路和多次應(yīng)答后的相互驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是只許布防少量應(yīng)答器，就能在在較大范圍內(nèi)可達(dá)到較高定位精度，隱蔽性很好且成本較低；缺點(diǎn)是需要艇內(nèi)人員對潛艇的自主導(dǎo)航誤差和應(yīng)答器的位置有較為精確的了解，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。

圖4 基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)系統(tǒng)不定時(shí)導(dǎo)航修正示意圖

6 結(jié)語

精確度、可用性和隱蔽性是對潛艇導(dǎo)航的最苛刻的要求。本文提出的基于超短基線的水下潛艇位置校準(zhǔn)方法可以實(shí)現(xiàn)潛艇的水下精確定位和導(dǎo)航修正，從而滿足潛艇導(dǎo)航的以上要求。

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Research on the Position Calibration Method for Underwater Submarine

TIAN Xiangyang LIN Chuanlu
（No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

In this paper，a method of position calibration for underwater submarine based on ultra-short baseline acoustic positioning system is proposed，this method has a important practical meaning in the training even combat missions of submarine in the complex and dangerous sea area.

submarine，ultra-short baseline，position calibration

U674.76

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.012

Class Number U674.76

2017年4月10日，

2017年5月27日

田向陽，男，助理工程師，研究方向：通信技術(shù)。林傳祿，男，助理工程師，研究方向：時(shí)統(tǒng)技術(shù)、微波傳輸技術(shù)。