一種基于潛標基陣的信號接力定位方法*

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

目前，靶場用于水下目標定位的長基線定位系統有兩種，分別是浮標式和潛標式。浮標式水聲定位系統的測量浮標均錨系于海底，會對水下目標的安全機動及拖曳式聲納的安全使用造成影響；潛標式系統由布放于海底的潛標基陣和布放于測量區邊緣的監測浮標共同完成水下目標的定位任務，對潛艇及拖曳聲納的安全機動影響最小，但受監測浮標的水聲作用距離限制，有效監測區域較小，難以滿足大范圍監測保障需求［1～10］。

近幾年，水聲對抗試驗的范圍越來越大，為防止對艦艇戰術機動和安全產生影響，監測浮標只能布放在試驗區域之外，而單個浮標水聲監測距離只有幾公里［1～10］，制約了水下測控范圍的拓展。本文提出了一種中繼潛標信號轉接方法，擴大監測定位區域，從而滿足大范圍定位試驗需要。

2 水下定位模型

長基線定位系統的工作原理如圖1所示，海底布設N個潛標基陣，水下目標上裝有水聲收發機和合作聲信標，在同步鐘觸發下周期性發射詢問聲信號，各潛標陣元接收后發射相應頻率的應答聲信號，監測浮標接收各應答聲信號，測定“目標—潛標—監測浮標”之間的聲傳播時延。監測浮標的位置可由其自身的DGPS確定，各潛標的位置在測量基陣布放完畢后校準確定。接收時延乘以聲速減去“潛標—監測浮標”的距離即可得到“目標—潛標”的距離，然后采用球面交匯方程組即可解算出目標所處的位置，逐點定位解算，得到目標的運動軌跡［6～12］。

式中：（xi，yi，z）i是校準后的潛標陣元i的空間位置；（xf，yf，z）f是監測浮標的 DGPS位置；Rik是修正后的“目標—潛標”的距離。

圖1 水下定位工作原理示意圖

3 信號接力定位方法

3.1 信號接力定位模型

海底布設N個潛標基陣，監測浮標布放于監測區邊緣，當潛標與監測浮標的距離大于監測浮標的最大接收距離時，會產生監測盲區，考慮到位于監測盲區的潛標發射的聲信號雖然無法被監測浮標收到，但其鄰近的潛標能正常接收。因此，對于處在監測盲區的潛標，如圖2所示，其聲學信號由相鄰的潛標接收后轉發，監測浮標通過接收中繼潛標轉發的聲學信號實現對遠距離盲區潛標的信號監測。

圖2 信號接力示意圖

當監測浮標接收到中繼潛標回復公共詢問聲信號的應答聲信號時，仍可根據如式（2）中第一個距離修正式，接收時延Th乘以聲速C減去“潛標h—監測浮標f”的距離即可得到“目標—潛標h”的距離Rhk，從而確定球面方程；當監測浮標接收到中繼潛標j回復對應盲區潛標m的應答聲信號時，即可測定“目標—盲區潛標m—中繼潛標h—監測浮標f”之間的聲傳播時延Tmj，如式（2）中第二個距離修正式，接收時延Tmj乘以聲速C減去“盲區潛標m—中繼潛標j”以及“中繼潛標j—監測浮標f”的距離即可得到“目標—盲區潛標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 中繼潛標信號處理板改造

現有的潛標信號處理板采用了單通道信號檢測及應答工作模式，檢測固定頻率的詢問信號，當檢測到有效信號后即回復設定好的特定頻率信號，也即是單詢問單應答功能。為了實現信號轉接，首先要對中繼潛標的信號處理板進行升級改造，在原有的單通道輸入輸出基礎上再增加一路輸入輸出通道，使其具有雙詢問雙應答功能。當換能器信號進入信號處理板后，分兩路并行進行信號檢測，其中一路檢測公共詢問信號并用第一應答頻率響應，另外一路用于檢測特定的盲區潛標的應答聲信號，并用第二應答頻率響應，程序框圖如圖3所示。這樣，中繼潛標除了原功能—應答公共詢問頻率聲信號外，還有一個信號接力功能—以第二應答頻率應答對應盲區潛標的應答聲信號。

圖3 雙詢問雙應答功能程序框圖

4 仿真分析

綜合實際應用中可能對定位精度造成影響的聲速測量誤差、測時誤差、陣元誤差和GPS誤差四種因素，對傳統定位方式和中繼潛標信號轉接方法進行精度的仿真分析。設定測陣誤差為5m，DGPS定位誤差為1 m，分別對測時誤差為1ms和2ms，聲速誤差為3m/s和5m/s的情況做數據統計分析，可以看出，中繼潛標信號轉接方法的測量精度與傳統定位精度相當，各誤差對定位精度影響的變化趨勢呈現線性關系。由此可見，本方法能夠保障定位精度基本不受影響的前提下，將定位測量的范圍進一步擴大。

5 試驗結果分析

如圖4所示，在海底布放6個潛標，監測區邊沿布放1個監測浮標，測量船位于監測區一角，另外一艘試驗艦船模擬水下目標在陣內航行。使用現有長基線潛艇水下定位系統，存在監測盲區（圖4中的網格狀部分），當模擬目標航行在該區域時，監測浮標接收不到相應潛標的應答聲信號，因而無法對其進行定位。

圖4 海上驗證試驗態勢圖

圖5 試驗結果圖

采用信號接力定位方法，將中間兩個潛標設置雙詢問雙應答功能，分別作為兩個盲區潛標的中繼潛標，每個中繼潛標除響應目標公共詢問信號外，還能響應相應盲區潛標的應答聲信號。試驗定位結果如圖5，可見當目標在陣中時定位效果較好，在右側靠近潛標基陣邊緣時，定位軌跡出現分叉現象，原因一是交匯角度不好導致定位誤差增大，二是雙詢問雙應答功能導致使用信號頻點數成倍增加，從而增大了信號通道串漏的可能性。

6 結語

仿真分析及試驗驗證結果表明，本文提出的中繼潛標信號轉接方法，只需對潛標接收發射程序和主控軟件解算模塊進行少量改造，即可增大其測量范圍，滿足大范圍水聲對抗演練的需要，其定位精度與原系統定位精度相當。實際應用中，為了擴大定位范圍使用的潛標較多，由于試驗分配的信號頻點的限制，需要繼續研究解決信號通道串漏的問題。