彭傳微

(江蘇自動化研究所,江蘇連云港　222061)

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國外潛航器水下隱蔽導(dǎo)航定位方法探析

彭傳微

(江蘇自動化研究所,江蘇連云港222061)

摘要:針對潛航器自主慣性導(dǎo)航誤差隨時間不斷增大的問題,研究了基于運載器、信標(biāo)中繼、海底固定基站的國外潛航器的典型導(dǎo)航定位方法。通過水聲通信方式,運載器、信標(biāo)中繼站將其衛(wèi)星精確定位數(shù)據(jù)發(fā)送至潛航器,或海底固定基站接收到潛航器發(fā)射喚醒信號后,量測相關(guān)信息并發(fā)至潛航器。潛航器被動接收水聲通信數(shù)據(jù),并對其進行綜合處理,實現(xiàn)潛航器在水下隱蔽工作模式下對自身位置的實時修正,提高潛航器導(dǎo)航定位精度,具備較強的工程可實現(xiàn)性。

關(guān)鍵詞:潛航器;隱蔽導(dǎo)航;水下定位;位置修正

隨著人工智能理論、傳感器技術(shù)和微計算機技術(shù)等的不斷發(fā)展和成熟,具有感知、思維和動作能力的自主水下潛航器在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,如水下情報搜集、遠程水下攻擊、深海資源勘測和海底光纜鋪設(shè)等。就當(dāng)前的技術(shù)而言,水下導(dǎo)航問題仍然是潛航器發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。潛航器自身導(dǎo)航系統(tǒng)必須提供遠距離及長航時的精確定位、速度及姿態(tài)信息,受潛航器自身的體積、質(zhì)量、能源的限制及水介質(zhì)的特殊性、隱蔽性等因素的影響,實現(xiàn)潛航器的精確導(dǎo)航是一項艱巨的任務(wù)。

1潛航器自主導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀

目前,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是潛航器主要的自主定位方法。盡管此方法在確定初始坐標(biāo)時有很多優(yōu)點,但其自主定位精度隨著潛航器水下航行時間的增加不斷變差。采用多潛航器時鐘同步的辦法進行潛航器群的協(xié)同定位方法[1],可初步實現(xiàn)潛航器群的協(xié)同導(dǎo)航,但該方法對潛航器的導(dǎo)航系統(tǒng)精度要求較高,對潛航器的任務(wù)載荷及成本帶來挑戰(zhàn)?；趩蝹€高導(dǎo)航精度的領(lǐng)航潛航器,采用實時測量各潛航器相對位移的方法[2],可初步實現(xiàn)多自主水下潛航器的協(xié)同導(dǎo)航,但從本質(zhì)上仍未解決潛航器任務(wù)載荷及成本的問題。借助某種位置精確的標(biāo)定物,對潛航器位置進行修正,以提高潛航器導(dǎo)航精度是一種行之有效的方法,其中包括根據(jù)電子海圖等深線進行位置修正或基于潛航器主動聲納測距前提下,在固定位置設(shè)置應(yīng)答信標(biāo)進行定位數(shù)據(jù)交互等。

本文研究了基于運載器、信標(biāo)中繼、海底固定基站的國外潛航器的典型導(dǎo)航定位方法[3-5]。通過水聲通信方式,運載器、信標(biāo)中繼站、海底固定基站將相關(guān)信息發(fā)至潛航器,潛航器被動接收水聲通信數(shù)據(jù),并對其進行綜合處理,實現(xiàn)潛航器在水下隱蔽工作模式下對自身位置的實時修正,提高潛航器導(dǎo)航定位精度。

2基于運載器的潛航器定位方法

俄羅斯新一代自主潛航器將借助水聲通信方法完成多平臺信息與命令交互,通過研制可視化的定位系統(tǒng),提升潛航器的性能指標(biāo)。基于水聲通訊最新技術(shù)發(fā)展成果,在此種機制下,當(dāng)水聲通信距離增加時,分析方位觀測系統(tǒng)的態(tài)勢展現(xiàn)方法,研究多平臺距離計算與誤差估計技術(shù),并將其應(yīng)用到多平臺協(xié)調(diào)導(dǎo)航中。本文研究潛航器在不開啟己方主動聲納情況下的自主定位導(dǎo)航方法,即潛航器不對外發(fā)射通信信號,僅在“被動接收”條件下適用。

初始數(shù)據(jù)輸入:

?運載器(H)(例如,潛艇),

?潛航器(A)持續(xù)航行,深度未知。

在本方法中,運載器需航行至潛航器所在區(qū)域附近,并采用隱蔽、加密水聲通信方式完成與潛航器的信息交互,在完成潛航器位置校正后運載器即可隱蔽航行至特定區(qū)域,運載器可采用潛艇、水面艦艇等平臺。運載器的自主定位系統(tǒng)主要依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),并具備循環(huán)修正能力,因此運載器定位精度可通過對比衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)完成位置修正,可顯著提高運載器的定位精度,定位誤差基本可以忽略。

運載器利用自身通信聲納,基于水聲通信方式與潛航器進行信息交互,在水聲通信同時利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實時確定自身位置,并將其發(fā)送至潛航器,輔助潛航器完成自身位置修正。假定首次水聲通信時刻,運載器的瞬間位置坐標(biāo)(φH,λH)、航向φH、傳輸時間TH、深度HH,以及該深度下聲速v已知,具體如圖1所示。

圖1　在通信聲納短時通信情況下的位置修正方案

潛航器在接收信號時,通訊聲納分析確定的第一次水聲通信信號到達時刻為TA。TA與TH之間的時差就是運載器(H)與潛航器(A)之間產(chǎn)生的信號傳輸時間(T),有

TA-TH=T

(1)

信號經(jīng)過海洋信道傳播,運載器與潛航器之間的斜距(DHA)可由到水中聲速及時間差T來確定:

DHA=T·v

(2)

運載器與潛航器之間的水平距離(RHA)可由式(3)計算出:

(3)

值得注意的是,一個信號的數(shù)據(jù)不足以用來完全確定潛航器的位置修正量,但是,如果運載器航向保持不變,同時利用通信聲納重復(fù)進行水聲通信和信息交互,經(jīng)過一定的距離,并且此時潛航器A保持靜止,即潛航器A坐標(biāo)不改變,可精確確定潛航器A的坐標(biāo),見圖2。

圖2　根據(jù)運載器通訊聲納信號確定靜止?jié)摵狡鞯淖鴺?biāo)方案

圖3　根據(jù)運載器通信聲納T1、T2兩時刻計算靜止?jié)摵狡髯鴺?biāo)

如果潛航器處于運動狀態(tài),且潛航器航向在多次水聲通信過程中未發(fā)生變化,在水聲通信過程中,潛航器位置變化越小,潛航器位置坐標(biāo)修正量越準(zhǔn)確。

在通常情況下,潛航器在兩個以上晝夜沒有利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行位置校正,潛航器僅依靠自身導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度將大幅降低。通過利用運載器的位置,進行潛航器自身位置校正,潛航器自主定位精度將顯著提高。在實際應(yīng)用中,可利用潛航器聲納被動探測方式,獲取運載器的方位,在水聲通信情況下,通過斜線距離及確定的目標(biāo)方位的綜合處理,可提高潛航器定位精度。目前,潛航器目標(biāo)跟蹤距離一般不小于20km(將來可達50 km),在現(xiàn)有的裝備中,以斜線距離最大5km的模擬信號應(yīng)答信標(biāo)為支撐,可取得良好的定位效果。

因此,潛航器被動接收運載器水聲通信信號,可使?jié)摵狡骶邆渌戮_自主定位能力,潛航器自主定位精度顯著提高。在該方法中,潛航器的定位精度依賴于運載器的定位精度,運載器通常由潛艇、水面艦艇等平臺承擔(dān),具體良好的導(dǎo)航精度,同時運載器受海洋氣象等條件影響較小,易于實現(xiàn)。但該方法需要運載器發(fā)射水聲通信信號,對運載器的隱蔽性有一定的影響,尤其是在敏感海域、重要航道等區(qū)域,使用范圍有一定的局限性。

3基于信標(biāo)中繼的潛航器定位方法

基于運載器的潛航器定位方法,在現(xiàn)役裝備中較容易實現(xiàn),但依靠潛艇進行間斷水聲通信方式進行潛航器定位,對潛艇的隱蔽性帶來挑戰(zhàn)。同時受限于水聲通信距離,潛航器相對于潛艇的前出距離有限,限制了潛航器的作用范圍,不利于發(fā)揮潛航器的作戰(zhàn)優(yōu)勢?；谛艠?biāo)中繼的潛航器定位方法,考慮信標(biāo)中繼站布放途徑多、范圍廣等特點,采用信標(biāo)中繼站取代潛艇的方法,擴大了潛航器的作戰(zhàn)范圍,并可完成特定海域的水下隱蔽作戰(zhàn)任務(wù),但該方法需精確掌握信標(biāo)中繼站的姿態(tài)等信息,并利用該信息實時修正中繼站的位置。具體應(yīng)用方案如圖4所示。

圖4　通過雷達/聲納信標(biāo)中繼站確定潛航器位置修正量

海面雷達/聲納信標(biāo)中繼站可由潛航器發(fā)射、飛機上拋下,或者從水面艦艇拋射、潛艇發(fā)射等方式。初始數(shù)據(jù)輸入:水下潛航器(A)續(xù)航深度下無法測定自身位置;海面雷達/聲納信標(biāo)中繼站(H),具備水聲通信、雷達通信鏈路,可利用自身雷達鏈路接收衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)信息,確定自身位置。

在消除雷達、聲納傳感器時鐘同步以及海面位置等因素情況下,潛航器位置修正量確定原則為:潛航器在接收中繼站發(fā)射的水聲通信信號時,分析計算該次水聲通信信號到達時間TA,雷達/聲納信標(biāo)中繼站與潛航器之間信號傳輸時間T即為TA與TH之間的時間差值:

TA-TH=T

水聲通信信號傳輸距離,在本文中是指雷達/聲納信標(biāo)中繼站與潛航器之間的斜線距離DHA,由T與水中聲速v的乘積而定,即

DHA=T·v

雷達/聲納信標(biāo)中繼站與潛航器之間的水平距離RHA由下式計算:

雖然此方案原理上沒有引入新的誤差,但未充分利用該位置點的水下聲速梯度信息,利用兩點間的聲波傳播距離代替直線距離,存在一定的誤差。通過利用聲速梯度信息進行水聲傳播路徑修正,將有利于進一步提高潛航器自主定位精度。

當(dāng)海面上存在多個具備衛(wèi)星制導(dǎo)接收器、水聲通信傳感器的雷達/聲納信標(biāo)中繼站時,在同時發(fā)送和接收雷達、聲納信號時,可根據(jù)多個衛(wèi)星導(dǎo)航中繼站相對于潛航器A的位置對潛航器進行協(xié)同位置修正,如圖5所示。

圖5　通過幾個雷達/聲納信標(biāo)中繼站確定潛航器位置修正量

該方法可應(yīng)用于潛航器水下航行導(dǎo)航,提高協(xié)同定位精度,并且解決了潛水器的水面定位與制導(dǎo)問題。值得注意的是上述兩方法在應(yīng)用時,需要自主潛航器與信標(biāo)中繼站時間上高精度同步,并且通信聲納系統(tǒng)接收處理的信號與自主導(dǎo)航處理子系統(tǒng)中信息實現(xiàn)實時傳輸。

相比較基于運載器的潛航器定位方法,該方法潛航器的定位精度依賴于浮標(biāo)中繼基站的定位精度,浮標(biāo)中繼基站以其靈活的可布放、無人值守、低成本等特性,可在廣闊的區(qū)域內(nèi)完成對水下潛航器的位置校正,尤其適應(yīng)于艦艇等運載器平臺不宜到達的敏感作戰(zhàn)海域,具有很強的工程可實現(xiàn)性。但該方法受浮標(biāo)中繼器的自身因素制約,易受到海洋氣象、能源等條件制約,浮標(biāo)姿態(tài)控制、工作時間、水聲通信距離及自身定位精度較運載器方案略差。盡管如此,該方法以其便捷、靈活等特性,仍具有很強的作戰(zhàn)應(yīng)用價值。

4基于單海底基站的潛航器定位方法

基于海底基站的潛航器定位方法是一種比較前沿的潛航器導(dǎo)航定位方法,該方法通過在海底某位置精確放置一個水下基站[5],潛航器通過發(fā)送水聲詢問信號,喚醒海底基站,并利用潛航器傳感器測量潛航器距離海底基站的距離和方位(如圖6所示);同時,海底基站計算潛航器相對基站的方位,并利用簡易聲學(xué)裝置將該信息發(fā)送至潛航器;潛航器對地速度、偏航角速度,以及潛航器相對海底基站的距離、方位等信息的綜合處理,通過建立非線性濾波方程,實現(xiàn)對潛航器位置、航向的精確估計。這種方法無需在潛航器上安裝昂貴的精確導(dǎo)航系統(tǒng),或者進行費時的位置校準(zhǔn)。

圖6　通過潛航器和海底基陣相對位置進行潛航器導(dǎo)航定位方法

如圖7所示，這種聲學(xué)裝置被稱作“水聲通信與定位裝置”,可以進行水聲通信并計算兩個單元的相對位置,將該裝置分別安裝在潛航器、海底,完成水聲信號的發(fā)射、接收,以及方位和距離的計算。

圖7　水聲通信與定位裝置

圖8　潛航器和海底基站相互測量時序

(4)

(5)

在海底固定基站量測下,方位角偏移量由下式獲得

(6)

圖9　潛航器測量的距離和方位偏移)

圖10　海底基站測量的潛航器方位偏移量)

將兩個觀測平臺獲得的方位、距離的偏移量進行融合處理,可顯著提高潛航器的定位精度。相比前兩種潛航器定位方法,該方法須在潛航器上安裝水聲通信與定位裝置,且定位精度依賴于海底固定基站的位置精度,在海底固定基站位置精確已知條件下,可以在單個通信周期內(nèi)確定潛航器自身的位置。該方法具有浮標(biāo)中繼基站的特性,工作海域廣闊,同時受海面氣象等條件影響相對較小,且基站位于海底,受海洋漁業(yè)活動、船舶航行及人類活動影響相對較小,具有較好的隱蔽性。但該方法需要獲得基站固定于海底的精確位置信息,對海底基站的布放、安裝及自身位置確定帶來一定的挑戰(zhàn)。盡管如此,該方法因其隱蔽、快速等特性,具有很強的作戰(zhàn)應(yīng)用價值。

5結(jié)束語

本文研究了三種潛航器定位導(dǎo)航方法,分別采用運載器、信標(biāo)中繼站、海底固定基站的方式,在通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得運載器、 信標(biāo)中繼站精確位置或已知海底固定基站精確位置的前提下,通過水聲通信方式,將其實時量測數(shù)據(jù)發(fā)送至潛航器,潛航器通過對運載器/信標(biāo)中繼站/海底固定基站的測量信息、水聲通信時延及方位等數(shù)據(jù)的綜合處理,實現(xiàn)對自身位置的實時修正,可顯著提高新一代自主潛航器的導(dǎo)航定位精度,滿足潛航器高精度、長時間隱蔽導(dǎo)航定位需求。同時分析了文中所述方法的優(yōu)缺點及在現(xiàn)役裝備的應(yīng)用前景。此外,在實際裝備應(yīng)用中,涉及潛航器/運載器的通信聲納信號處理軟件與潛航器導(dǎo)航系統(tǒng)裝備中,需要提高信息處理軟硬件環(huán)境的實時性,以確保自主定位信息在各系統(tǒng)間的“無縫”、“實時”傳輸。

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Discussion on the Abroad Unmanned Vehicles Covert Navigation and Position Method in the Underwater Mode

PENG Chuan-wei

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061， China)

Abstract:Focusing on the unmanned underwater vehicles navigation error continuously increasing with time problem, abroad unmanned underwater vehicles position method based on the carrier-flats, buoy relay stations and a single seafloor station is discussed and analyzed in this paper. By underwater acoustic communication method, the accurate positioning data are sent to the unmanned underwater vehicle by carrier-flats or buoy relay stations. Moreover when unmanned vehicle sends a single ping signal, the single seafloor station receives, processes correlative information and then sends it to the unmanned vehicle. The information is received and processed synthetically by the underwater vehicle in the covert working mode, which can correct the underwater vehicle’s position in real time and improve the vehicle’s navigation accuracy. The method has a good performance and can be realized easily.

Key words:Unmanned Vehicles; covert navigation; underwater positioning; position correction

中圖分類號:V674.7；E917

文獻標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.027

作者簡介：彭傳微(1982-),女,黑龍江慶安人,碩士,工程師,研究方向為艦艇作戰(zhàn)指揮。

收稿日期：2016-01-11

文章編號：1673-3819(2016)02-0127-05

修回日期： 2016-01-13