一種基于潛標(biāo)基陣的信號(hào)接力定位方法*

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目前，靶場(chǎng)用于水下目標(biāo)定位的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)有兩種，分別是浮標(biāo)式和潛標(biāo)式。浮標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)的測(cè)量浮標(biāo)均錨系于海底，會(huì)對(duì)水下目標(biāo)的安全機(jī)動(dòng)及拖曳式聲納的安全使用造成影響；潛標(biāo)式系統(tǒng)由布放于海底的潛標(biāo)基陣和布放于測(cè)量區(qū)邊緣的監(jiān)測(cè)浮標(biāo)共同完成水下目標(biāo)的定位任務(wù)，對(duì)潛艇及拖曳聲納的安全機(jī)動(dòng)影響最小，但受監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的水聲作用距離限制，有效監(jiān)測(cè)區(qū)域較小，難以滿足大范圍監(jiān)測(cè)保障需求［1～10］。

近幾年，水聲對(duì)抗試驗(yàn)的范圍越來(lái)越大，為防止對(duì)艦艇戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和安全產(chǎn)生影響，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)只能布放在試驗(yàn)區(qū)域之外，而單個(gè)浮標(biāo)水聲監(jiān)測(cè)距離只有幾公里［1～10］，制約了水下測(cè)控范圍的拓展。本文提出了一種中繼潛標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)接方法，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)定位區(qū)域，從而滿足大范圍定位試驗(yàn)需要。

2 水下定位模型

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，海底布設(shè)N個(gè)潛標(biāo)基陣，水下目標(biāo)上裝有水聲收發(fā)機(jī)和合作聲信標(biāo)，在同步鐘觸發(fā)下周期性發(fā)射詢問(wèn)聲信號(hào)，各潛標(biāo)陣元接收后發(fā)射相應(yīng)頻率的應(yīng)答聲信號(hào)，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收各應(yīng)答聲信號(hào)，測(cè)定“目標(biāo)—潛標(biāo)—監(jiān)測(cè)浮標(biāo)”之間的聲傳播時(shí)延。監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的位置可由其自身的DGPS確定，各潛標(biāo)的位置在測(cè)量基陣布放完畢后校準(zhǔn)確定。接收時(shí)延乘以聲速減去“潛標(biāo)—監(jiān)測(cè)浮標(biāo)”的距離即可得到“目標(biāo)—潛標(biāo)”的距離，然后采用球面交匯方程組即可解算出目標(biāo)所處的位置，逐點(diǎn)定位解算，得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡［6～12］。

式中：（xi，yi，z）i是校準(zhǔn)后的潛標(biāo)陣元i的空間位置；（xf，yf，z）f是監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的 DGPS位置；Rik是修正后的“目標(biāo)—潛標(biāo)”的距離。

圖1 水下定位工作原理示意圖

3 信號(hào)接力定位方法

3.1 信號(hào)接力定位模型

海底布設(shè)N個(gè)潛標(biāo)基陣，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)布放于監(jiān)測(cè)區(qū)邊緣，當(dāng)潛標(biāo)與監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的距離大于監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的最大接收距離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生監(jiān)測(cè)盲區(qū)，考慮到位于監(jiān)測(cè)盲區(qū)的潛標(biāo)發(fā)射的聲信號(hào)雖然無(wú)法被監(jiān)測(cè)浮標(biāo)收到，但其鄰近的潛標(biāo)能正常接收。因此，對(duì)于處在監(jiān)測(cè)盲區(qū)的潛標(biāo)，如圖2所示，其聲學(xué)信號(hào)由相鄰的潛標(biāo)接收后轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)通過(guò)接收中繼潛標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的聲學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離盲區(qū)潛標(biāo)的信號(hào)監(jiān)測(cè)。

圖2 信號(hào)接力示意圖

當(dāng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收到中繼潛標(biāo)回復(fù)公共詢問(wèn)聲信號(hào)的應(yīng)答聲信號(hào)時(shí)，仍可根據(jù)如式（2）中第一個(gè)距離修正式，接收時(shí)延Th乘以聲速C減去“潛標(biāo)h—監(jiān)測(cè)浮標(biāo)f”的距離即可得到“目標(biāo)—潛標(biāo)h”的距離Rhk，從而確定球面方程；當(dāng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收到中繼潛標(biāo)j回復(fù)對(duì)應(yīng)盲區(qū)潛標(biāo)m的應(yīng)答聲信號(hào)時(shí)，即可測(cè)定“目標(biāo)—盲區(qū)潛標(biāo)m—中繼潛標(biāo)h—監(jiān)測(cè)浮標(biāo)f”之間的聲傳播時(shí)延Tmj，如式（2）中第二個(gè)距離修正式，接收時(shí)延Tmj乘以聲速C減去“盲區(qū)潛標(biāo)m—中繼潛標(biāo)j”以及“中繼潛標(biāo)j—監(jiān)測(cè)浮標(biāo)f”的距離即可得到“目標(biāo)—盲區(qū)潛標(biāo)m”的距離Rmjk，從而確定球面方程，按照球面交匯方程組解算定位。

3.2 中繼潛標(biāo)信號(hào)處理板改造

現(xiàn)有的潛標(biāo)信號(hào)處理板采用了單通道信號(hào)檢測(cè)及應(yīng)答工作模式，檢測(cè)固定頻率的詢問(wèn)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到有效信號(hào)后即回復(fù)設(shè)定好的特定頻率信號(hào)，也即是單詢問(wèn)單應(yīng)答功能。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接，首先要對(duì)中繼潛標(biāo)的信號(hào)處理板進(jìn)行升級(jí)改造，在原有的單通道輸入輸出基礎(chǔ)上再增加一路輸入輸出通道，使其具有雙詢問(wèn)雙應(yīng)答功能。當(dāng)換能器信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理板后，分兩路并行進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，其中一路檢測(cè)公共詢問(wèn)信號(hào)并用第一應(yīng)答頻率響應(yīng)，另外一路用于檢測(cè)特定的盲區(qū)潛標(biāo)的應(yīng)答聲信號(hào)，并用第二應(yīng)答頻率響應(yīng)，程序框圖如圖3所示。這樣，中繼潛標(biāo)除了原功能—應(yīng)答公共詢問(wèn)頻率聲信號(hào)外，還有一個(gè)信號(hào)接力功能—以第二應(yīng)答頻率應(yīng)答對(duì)應(yīng)盲區(qū)潛標(biāo)的應(yīng)答聲信號(hào)。

圖3 雙詢問(wèn)雙應(yīng)答功能程序框圖

4 仿真分析

綜合實(shí)際應(yīng)用中可能對(duì)定位精度造成影響的聲速測(cè)量誤差、測(cè)時(shí)誤差、陣元誤差和GPS誤差四種因素，對(duì)傳統(tǒng)定位方式和中繼潛標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)接方法進(jìn)行精度的仿真分析。設(shè)定測(cè)陣誤差為5m，DGPS定位誤差為1 m，分別對(duì)測(cè)時(shí)誤差為1ms和2ms，聲速誤差為3m/s和5m/s的情況做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以看出，中繼潛標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)接方法的測(cè)量精度與傳統(tǒng)定位精度相當(dāng)，各誤差對(duì)定位精度影響的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，本方法能夠保障定位精度基本不受影響的前提下，將定位測(cè)量的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖4所示，在海底布放6個(gè)潛標(biāo)，監(jiān)測(cè)區(qū)邊沿布放1個(gè)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，測(cè)量船位于監(jiān)測(cè)區(qū)一角，另外一艘試驗(yàn)艦船模擬水下目標(biāo)在陣內(nèi)航行。使用現(xiàn)有長(zhǎng)基線潛艇水下定位系統(tǒng)，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)（圖4中的網(wǎng)格狀部分），當(dāng)模擬目標(biāo)航行在該區(qū)域時(shí)，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)接收不到相應(yīng)潛標(biāo)的應(yīng)答聲信號(hào)，因而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行定位。

圖4 海上驗(yàn)證試驗(yàn)態(tài)勢(shì)圖

圖5 試驗(yàn)結(jié)果圖

采用信號(hào)接力定位方法，將中間兩個(gè)潛標(biāo)設(shè)置雙詢問(wèn)雙應(yīng)答功能，分別作為兩個(gè)盲區(qū)潛標(biāo)的中繼潛標(biāo)，每個(gè)中繼潛標(biāo)除響應(yīng)目標(biāo)公共詢問(wèn)信號(hào)外，還能響應(yīng)相應(yīng)盲區(qū)潛標(biāo)的應(yīng)答聲信號(hào)。試驗(yàn)定位結(jié)果如圖5，可見(jiàn)當(dāng)目標(biāo)在陣中時(shí)定位效果較好，在右側(cè)靠近潛標(biāo)基陣邊緣時(shí)，定位軌跡出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，原因一是交匯角度不好導(dǎo)致定位誤差增大，二是雙詢問(wèn)雙應(yīng)答功能導(dǎo)致使用信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)成倍增加，從而增大了信號(hào)通道串漏的可能性。

6 結(jié)語(yǔ)

仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文提出的中繼潛標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)接方法，只需對(duì)潛標(biāo)接收發(fā)射程序和主控軟件解算模塊進(jìn)行少量改造，即可增大其測(cè)量范圍，滿足大范圍水聲對(duì)抗演練的需要，其定位精度與原系統(tǒng)定位精度相當(dāng)。實(shí)際應(yīng)用中，為了擴(kuò)大定位范圍使用的潛標(biāo)較多，由于試驗(yàn)分配的信號(hào)頻點(diǎn)的限制，需要繼續(xù)研究解決信號(hào)通道串漏的問(wèn)題。