尚留賓　魏　軍　陳志誠

(海軍工程大學(xué)　武漢　430033)

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潛艇自航模水聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

尚留賓魏軍陳志誠

(海軍工程大學(xué)武漢430033)

摘要為滿足潛艇自航模試驗(yàn)中目標(biāo)定位的需要,針對某型潛艇自航模型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套水聲定位系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合水聲接收、發(fā)射等相關(guān)特定硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對水中目標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、監(jiān)測。系統(tǒng)還具有傳感器延時(shí)標(biāo)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理、軌跡顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能,對多通道數(shù)據(jù)采集同步、野點(diǎn)修正等問題進(jìn)行了處理。最后通過對比水聲定位系統(tǒng)軌跡與GPS軌跡,結(jié)果表明,該水聲定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對自航模型的精確二維定位。

關(guān)鍵詞自航模; 水聲定位; 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)同步; 二維定位

Design and Implementation of Underwater Acoustic Positioning System in Submarine Self-propelled Model

SHANG LiubinWEI JunCHEN Zhicheng

(Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractTo meet the demands of the submarine target positioning in self-propelled model experiment, a set of underwater acoustic positioning system is designed and implemented according to a certain type of submarine self-propelled model. Combined with certain acoustic receiving and launching hardware, the goal of real-time data acquisition, processing, testing of underwater target is achieved. The system also possesses the functions such as sensor delay calibration, track display, data storage, and can solve the problems such as multichannel data acquisition synchronization and abnormal points. Finally, the comparison between acoustic positioning and GPS trajectory shows that the underwater acoustic positioning system can realize the accurate two-dimensional positioning of self-propelled model.

Key Wordsunderwater acoustic positioning, self-propelled model, data acquisition, data synchronization, two-dimensional positioning

Class NumberTP399

1引言

水下自航模試驗(yàn)對于研究潛艇在復(fù)雜環(huán)境條件下的機(jī)動(dòng)性、操縱性等具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。由于潛艇自航模型在水下運(yùn)動(dòng),在空氣中常用來傳遞信息的介質(zhì)如光波和無線電波等在水中會產(chǎn)生較大的衰減,因此基于聲波探測的水聲技術(shù)是獲取和傳遞水下信息最有效的手段之一[2]。目前水聲定位廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人、大型船舶、水下無線網(wǎng)絡(luò)傳感器定位等[3~5]。對于潛艇自航模型的定位應(yīng)用較少,而且大多集中在水聽器的布陣形式、定位算法的研究上,缺乏對潛艇自航模水聲定位系統(tǒng)整體的研究和工程實(shí)踐[6~9]。本文首先針對潛艇自航模試驗(yàn)具體工程試驗(yàn)環(huán)境[10],結(jié)合系統(tǒng)硬件條件,從系統(tǒng)的角度出發(fā)利用LabVIEW設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了潛艇自航模水聲定位系統(tǒng)。其次采用水面船舶自航模型作為試驗(yàn)對象,以水面船舶的GPS定位作為參考,對設(shè)計(jì)的水聲定位系統(tǒng)定位能力進(jìn)行檢驗(yàn)分析,并針對試驗(yàn)環(huán)境中出現(xiàn)的實(shí)際問題對定位系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化處理。通過對比水聲定位和GPS定位兩種實(shí)時(shí)定位軌跡,表明該水聲定位系統(tǒng)具有較好穩(wěn)定性和可靠性。最后對水聲定位解算點(diǎn)進(jìn)行了誤差分析,平均誤差小于0.3m,達(dá)到了試驗(yàn)誤差要求。

2水聲定位原理

在潛艇自航模試驗(yàn)中,為節(jié)省成本,降低布設(shè)傳感器難度,同時(shí)考慮到潛艇自航模下潛深度較淺,在其運(yùn)動(dòng)維度上深度距離相對平面距離可忽略不計(jì),因此試驗(yàn)要求平面二維定位即可。

目標(biāo)點(diǎn)距已知點(diǎn)之間的距離主要依靠傳播信號從目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射到接收點(diǎn)接收之間的時(shí)間差進(jìn)行測定,通過測量目標(biāo)點(diǎn)距三個(gè)或更多個(gè)已知點(diǎn)之間的距離解算出目標(biāo)點(diǎn)位置。進(jìn)行目標(biāo)二維定位時(shí)僅需要三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)即可,三個(gè)已知參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。理想狀態(tài)下目標(biāo)點(diǎn)(x0,y0)到三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)距離為(d1,d2,d3),三圓相交于一點(diǎn),得到方程組:

(1)

化簡可得:

(2)

求解方程組可得:

AX=B

(3)

X=A-1B

(4)

實(shí)際環(huán)境中由于受外界環(huán)境干擾等影響,目標(biāo)點(diǎn)到三點(diǎn)之間的距離存在一定誤差,因此通常情況下三圓相交往往存在多個(gè)交點(diǎn),如圖1所示。

圖1　實(shí)際情況

式(3)修正為

AX+E=B

(5)

其中E為隨機(jī)測距誤差。

根據(jù)最小二乘估計(jì)原理:

(6)

求解上式可得:

(7)

3水聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件組成及工作原理

為了能夠?qū)崟r(shí)檢驗(yàn)水聲定位系統(tǒng)的定位精度和跟蹤效果,選用同時(shí)裝有GPS定位和水聲發(fā)射換能器的水面船舶自航模型進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件組成示意圖

自航模距各水聲接收器之間的距離測定建立在水聲發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間啟動(dòng)信號同步的基礎(chǔ)上的。以測量自航模距1號水聲接收器為例,水聲發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率為1Hz,水聲發(fā)射換能器在t0時(shí)刻發(fā)出聲波脈沖,固定在岸邊的1號水聲接收器在t0+Δt時(shí)刻接收到聲波脈沖后將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號通過信號放大器發(fā)送至水聲接收機(jī)。水聲接收機(jī)將時(shí)間差Δt以數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送至串口。

水聲定位系統(tǒng)同時(shí)讀取水聲接收機(jī)多個(gè)串口數(shù)據(jù)以獲得水聲發(fā)射換能器距各個(gè)接收器之間的距離。將時(shí)間差與聲速相乘即得到自航模距各水聲接收器的距離。

試驗(yàn)開始前需要利用差分GPS測得水聲接收器固定坐標(biāo),在解算自航模位置時(shí)將測得的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。獲得三邊距離和三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)位置根據(jù)式(7)計(jì)算得到自航模位置。

3.2系統(tǒng)軟件組成

水聲定位系統(tǒng)的軟件部分是基于LabVIEW13版本進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的,主要完成系統(tǒng)標(biāo)定、多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)存儲和顯示等功能。在試驗(yàn)開始前需要對水聲接收器延時(shí)誤差、實(shí)際水聲聲速等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。程序設(shè)計(jì)流程框圖如圖3所示。

圖3　程序流程圖

在潛艇自航模下水前首先需要利用裝有GPS和水聲發(fā)射器的水面自航模對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定原因詳見4.3節(jié)。利用預(yù)設(shè)聲速與數(shù)據(jù)采集到的時(shí)間差數(shù)據(jù)計(jì)算得到三邊水聲距離,然后計(jì)算同一周期內(nèi)的GPS距離與水聲距離之間的偏差,同時(shí)利用GPS距離與時(shí)間差數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際聲速值。分析距離誤差和實(shí)際聲速并記錄固定距離誤差和實(shí)際聲速值。

標(biāo)定完成后,按照標(biāo)定值設(shè)置接收器延時(shí)誤差和水聲聲速,解算出目標(biāo)點(diǎn)后,對于滿足野值判定條件的坐標(biāo)進(jìn)行處理,詳細(xì)野值判定處理過程見4.2節(jié)。將處理后的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)以曲線形式顯示在主界面上,如需保存,則存儲三邊水聲距離、水聲目標(biāo)點(diǎn)等信息。

4水聲定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)分析

水聲定位實(shí)驗(yàn)在長為120m,寬63.6m的水池中進(jìn)行。三個(gè)水聲接接收器平面坐標(biāo)分別為(-50.04,101.56),(11.35,118.20),(-39.62,101.56)。根據(jù)實(shí)際情況聲速選擇為1450m/s。在常規(guī)情況下試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)航跡局部圖

觀察試驗(yàn)航跡圖,水聲定位系統(tǒng)軌跡主要存在以下問題:

1) 軌跡存在“鋸齒”;

2) 存在明顯偏離定位軌跡的水聲定位點(diǎn);

3) 水聲定位軌跡與GPS定位軌跡之間存在固定偏差。

如何處理這些問題是提高水聲定位精度的關(guān)鍵。

4.1多通道數(shù)據(jù)采集同步

“鋸齒”現(xiàn)象產(chǎn)生的主要是多串口數(shù)據(jù)讀取不同步造成的。常規(guī)情況下,若將程序循環(huán)等待時(shí)間設(shè)置為200ms,在1s周期內(nèi)可多次讀取串口數(shù)據(jù),而三個(gè)串口數(shù)據(jù)在同一周期內(nèi)并非同時(shí)發(fā)生改變,因此在1s內(nèi)可能產(chǎn)生解算出多個(gè)不同的點(diǎn)。將程序等待時(shí)間設(shè)置為1s后,可以消除鋸齒現(xiàn)象。但程序讀取串口時(shí)間仍然不確定,同樣存在數(shù)據(jù)不同步問題,如圖5所示。

圖5　多通道數(shù)據(jù)采集同步示意圖

其中t0時(shí)刻為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)啟動(dòng)的整秒信號,發(fā)送周期為1s;Δt為串口收到的時(shí)間差;t1、t2為當(dāng)前周期程序讀取串口時(shí)刻。

4.2“野點(diǎn)”處理

在實(shí)際工程環(huán)境中,由于外界環(huán)境干擾等問題可能產(chǎn)生較大測距誤差,這部分誤差不是解算方法造成的。如表1測量數(shù)據(jù)表所示,測量的2號距離和3號距離在第50s處出現(xiàn)較大偏差,導(dǎo)致解算點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)偏差較大。這類異常點(diǎn)通常稱作“野點(diǎn)”。綜合試驗(yàn)情況來看,“野點(diǎn)”出現(xiàn)的概率不高,但非常影響對目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測。因此,在數(shù)據(jù)處理過程中需要對這些“野點(diǎn)”進(jìn)行判斷并予以剔除。

表1　測量數(shù)據(jù)表

如圖6所示,其中A、B兩點(diǎn)分別為t-2,t-1時(shí)刻測得的點(diǎn),C點(diǎn)為t0時(shí)刻待測點(diǎn)。對于判斷解算點(diǎn)坐標(biāo)是否屬于“野點(diǎn)”主要參考指標(biāo)為解算點(diǎn)與上一次測量點(diǎn)之間的方向和距離偏差。

圖6　“野點(diǎn)”判斷示意圖

方向判斷:

(8)

(9)

|θBC-θAB|

(10)

其中rθ表示方向容忍偏差,其值一般根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)角速度而定。

若式(10)滿足,則表明方向合理。

距離判斷:

|dAB-dBC|

(11)

其中rd表示距離容忍偏差,其值一般根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度而定。

若式(11)滿足,則表明距離合理。

若方向或距離任一偏差過大則認(rèn)為該點(diǎn)為“野點(diǎn)”,刪除“野點(diǎn)”并以上一時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)作為該時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)。

4.3傳感器延時(shí)誤差標(biāo)定

出現(xiàn)此類偏差的原因在于水聲接收器自身具有一定的延時(shí)誤差。以分析3號距離誤差數(shù)據(jù)為例,未對接收器進(jìn)行延時(shí)誤差標(biāo)定前,距離誤差如圖7所示。

圖7　距離誤差趨勢圖

從趨勢圖中可以看出距離誤差始終在1附近跳動(dòng),說明3號接收器有一定的延時(shí)誤差。在試驗(yàn)開始前應(yīng)根據(jù)距離誤差實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對水聲接收器延時(shí)標(biāo)定。通過調(diào)節(jié)延時(shí)誤差使距離誤差在零值附近跳動(dòng)。

4.4修正后結(jié)果

方向容忍偏差rθ=10°,距離容忍偏差rd=2m。1號接收器延時(shí)標(biāo)定設(shè)置為-0.5;2號接收器延時(shí)標(biāo)定設(shè)置為0;3號接收器延時(shí)標(biāo)定設(shè)置為1。自航模試驗(yàn)航跡如圖8所示。

圖8　試驗(yàn)航跡圖

圖9　航跡局部圖

目標(biāo)船由A點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過B點(diǎn)后繞C點(diǎn)后做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),總體運(yùn)動(dòng)軌跡為:A-B-C-B。對GPS點(diǎn)與水聲定位點(diǎn)之間的距離差進(jìn)行分析,誤差曲線如圖10所示,平均距離誤差為0.2864m。

圖10　誤差分析

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水聲定位系統(tǒng)采用的是LabVIEW圖形化編程語言,操作簡單方便,擴(kuò)展性較好,縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。同時(shí)解決了實(shí)際工程環(huán)境中的數(shù)據(jù)同步、“野點(diǎn)”處理等問題。結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。在綜合誤差中還存在一些較大誤差點(diǎn),將在今后的研究中對這些誤差進(jìn)一步分析以提高定位精度。在實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)實(shí)際情況增加水聲接收節(jié)點(diǎn),擴(kuò)大試驗(yàn)范圍。該水聲定位系統(tǒng)已成功應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目試驗(yàn)過程中。

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中圖分類號TP399

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.036

作者簡介:尚留賓,男,碩士研究生,研究方向:信息管理。魏軍,男,博士,副教授,研究方向:系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)集成。陳志誠,男,博士,講師,研究方向:信息管理。

收稿日期:2015年9月9日,修回日期:2015年10月22日