張海鵬，　趙詩玥，　程崢華

(1. 海軍潛艇學院 動力操縱系， 山東 青島 266042；　2. 海軍裝備研究院， 北京 100161；　3. 92730部隊)

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艦船電場傳感器水下定位方法

張海鵬1，2，趙詩玥2，程崢華3

(1. 海軍潛艇學院 動力操縱系， 山東 青島 266042；2. 海軍裝備研究院， 北京 100161；3. 92730部隊)

為提高船舶電場傳感器在水下測量電場時的定位與姿態(tài)測量精度，設計了艦船電場傳感器新型水下姿態(tài)位置測量裝置，提出了利用該裝置測量艦船電場傳感器水下姿態(tài)位置的方法，并研究了水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)處理方法和位置、姿態(tài)計算方法。通過對水下姿態(tài)位置測量裝置的測量誤差分析，所設計的測量方法位置精度可控制在1m之內，是一種有效的船舶電場傳感器水下定位與姿態(tài)測量方法。

水下定位；姿態(tài)測量；電場；傳感器

隨著降噪技術和消磁技術的快速發(fā)展，艦船已變得越來越安靜，為探測噪聲已降的很低的艦船，需要尋找新的可被遠程探測的艦艇特征信號。艦船電場作為艦船探測技術關注的一種顯著的新型艦船特征信號，容易被用來對艦船進行探測、跟蹤、定位和打擊[1]。俄、美、英和加拿大等發(fā)達國家已在艦船電場研究領域取得了相當?shù)某删?，蘇聯(lián)可利用電場搜索水下沉底目標[2]，北約國家裝備電場傳感器測量電場，加拿大海軍對許多電場特征信號進行了測量[3]。西方國家已有了電場掃雷具，瑞典和美國聯(lián)合研制了水下電勢裝置[4]。澳大利亞研制的掃雷系統(tǒng)可精確模擬目標艦船電磁場[5]。為填補技術空白，近年來我國積極參與了電場測量領域的研究。分析可知影響目前水下測量精度的因素主要有2個：(1) 在海流、海浪、布放船顛簸等影響下，很難確定電場傳感器落點的準確位置；(2) 如果海底不平坦，會嚴重影響電矢量方向的確定。因此，我國船舶電場傳感器在水下測量電場時的定位與姿態(tài)測量數(shù)據(jù)誤差非常大，遠遠不能滿足目前研究需要，成為阻礙我國船舶水下電場研究的一個瓶頸，亟待解決。

1　水下姿態(tài)位置測量裝置與方法

1.1水下姿態(tài)位置測量裝置設計

針對影響水下測量精度的兩大因素，提出船舶電場防護中電場傳感器姿態(tài)位置測量方法。用于測量艦船電場的電場傳感器位于一個由3根支桿相互正交形成的支架上。測量裝置與電場傳感器所處的支架固連，從而保證電場傳感器與測量裝置之間的位置相對固定，如圖1所示。

圖1　水下姿態(tài)位置測量裝置示意圖

測量裝置采用如下方法設計：選取一個由3根相互正交的支桿組成的支架，該支架形成三維正交坐標系，即形成一個導航坐標系Oxyz；在每一坐標軸正方向的支架上設置一個加速度計，且每個加速度計敏感軸與其所處的坐標軸重合；在每個坐標軸正方向的支架上固連一個陀螺儀，且每個陀螺儀敏感軸與其所固連的坐標軸平行。

在實驗室測量出各傳感器的安裝夾角，確定出電場傳感器與測量裝置的相對姿態(tài)和位置，如圖1中虛線所示。因此當獲取了測量裝置的位置與姿態(tài)時，便可以唯一確定船舶電場傳感器的位置與姿態(tài)。

1.2水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)的測量方法研究

如圖2所示，根據(jù)水下姿態(tài)位置測量裝置的設計特點，研究提出本裝置測量方法：

1) 將所述測量裝置置于水中，并在預設的t時間內保持不動；

2) 利用測量船、繩纜等工具迅速回收本測量裝置，盡量在2min之內將本裝置拉出水面；

3) 在測量裝置拉出水面時，立即將載波相位差分GPS定位裝置安裝在本測量裝置的某個確定位置上。

圖2　測量裝置出水路徑示意圖

本裝置預設的時間t為10min以上，該裝置保持靜止不動10min后，即可保證姿態(tài)測量精度優(yōu)于0.005°。若保持靜止時間更長，則姿態(tài)測量精度更高。

1.3水下姿態(tài)位置數(shù)據(jù)處理方法研究

1.3.1初始姿態(tài)計算方法分析

姿態(tài)計算時，參考捷聯(lián)慣性導航初始對準中的粗對準技術，一般即可得出滿足精度的初始姿態(tài)。數(shù)據(jù)處理時，利用2個水平加速度計測量重力加速度在坐標軸Ox和Oy上的分量，從而確定坐標系的Oxy平面與大地坐標系的夾角；利用陀螺儀測量地球自轉角速度確定該坐標系(導航坐標系)與地球北向的夾角。如果粗對準精度不能滿足要求，可以采用精對準技術[6]，利用卡爾曼濾波技術，提高姿態(tài)矩陣的精度。

1.3.2位置計算方法分析

位置計算時，基于GPS定位裝置生成的表示測量裝置位置的GPS數(shù)據(jù)，對陀螺儀和加速度計輸出數(shù)據(jù)的運算結果進行逆運算，獲取船舶電場傳感器的位置，其中逆運算在后面給出了詳細的運算步驟。

數(shù)據(jù)處理時，在坐標系Oxyz中設本測量裝置在水下布放的位置為(0,0,0)點，當初始對準完成后，即可知道本測量裝置在水下布放的姿態(tài)。當測量任務完成后，在本裝置回收過程中，利用捷聯(lián)慣性導航算法，可以解算出其運動軌跡上任意點在坐標系Oxyz中的位置，并最終解算出本裝置出水后、GPS安裝完畢時本裝置在坐標系Oxyz的位置(x,y,z)。此時解算的位置均相對于參考點為本測量裝置在水下布放的位置點(即坐標系原點(0,0,0))的位置。同時，當本裝置出水后，GPS可以給出本裝置在大地坐標系中的精確位置(xd,yd,zd)，其誤差在厘米級。利用本裝置在大地坐標系中的位置(xd,yd,zd)與GPS放置完畢時計算出的位置(x,y,z)進行比較，逆運算反推出本裝置回收過程中其運動軌跡上任意點在大地坐標系中的位置，也可以反推出本測量裝置布放在水下保持靜止狀態(tài)時在大地坐標系中的位置。

圖3　逆運算流程示意圖

1.3.3逆運算方法分析

在位置計算時，需要用逆運算反推出本裝置回收過程中的運動軌跡。逆運算過程參考捷聯(lián)導航運算方法[7]，流程如圖3所示。

1) 將測量裝置在水下布放的位置設為位置原點(0，0，0)，將姿態(tài)計算結果作為初始姿態(tài)和方位角，得出捷聯(lián)解算的初始姿態(tài)矩陣。

2) 根據(jù)測量裝置拉出水面過程中陀螺儀和加速度計生成的數(shù)據(jù)，計算出測量裝置拉出水面并安裝完畢GPS時，測量裝置相對于原點的位置(x,y,z)。

3) 將GPS測量的本測量裝置相對于大地的位置(xd,yd,zd)與本測量裝置相對于坐標系(Oxyz)的位置(x,y,z)進行比較，獲取位置差(Δx，Δy，Δz)，所述位置差即為測量裝置在水下布放的相對于大地坐標系的位置，繼而根據(jù)該位置獲取船舶電場傳感器的位置。

2　水下姿態(tài)位置測量裝置的誤差分析

假設本裝置選用的石英加速度計精度為30μg，初始對準10min，選用U50型激光陀螺儀(精度為0.01°/h)，載波相位差分GPS誤差為2cm，回收本裝置時間為2min。

慣性導航誤差的經(jīng)驗公式[8]為

分析該公式可知，Δs受時間t的影響很大。時間t越短，誤差Δs越小，應用本測量方法得出的位置精度越高；反之，時間t越長，誤差Δs越大，應用本測量方法得出的位置精度越低。

一般的，加速度計精度為30μg，初始對準10min后，初始對準姿態(tài)誤差為0.005°，則導航誤差為

Δs=0.005×20+(30×10-6×1202)/2+

(0.01/(3 600)×1203)/6≈1 m

如果要提高測量精度，需減小本裝置開始運動到出水的時間，若能控制在1 min內，則導航誤差為

Δs=0.005×20+(30×10-6×602)/2+

(0.01/(3 600)×603)/6=0.254m

3　結 束 語

本文提出的測量艦船電場傳感器水下姿態(tài)位置新方法，能夠準確地確定電場傳感器系統(tǒng)在水下的位置和姿態(tài)，從而為校正測得的電場方向和確定測得的電場位置提供依據(jù)，其位置測量精度可控制在1m之內，是一種船舶電場傳感器水下定位與姿態(tài)測量的有效方法。

References)

[1]林春生, 龔沈光.艦船物理場[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社, 2007:233-256.

[2]楊國義.艦船水下電磁場國外研究現(xiàn)狀[J].艦船科學技術，2011(12):138-141.

[3]鄭軍林，吳宏，楊東升.艦船電場研究概況[J].艦船工程研究，2007(2):24-27.

[4]劉進.瑞典和美國聯(lián)合研制掃雷艇[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，1996(2):8-11.

[5]夏立新. 輕型多感應掃雷系統(tǒng)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，2001 (3):12-13.

[6]高偉,奔粵陽. 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)初始對準技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：65-72.

[7]劉危.基于MEMS的低成本MIMU的應用研究[D].長沙：國防科學技術大學,2008:45-48.

[8]吳俊偉,曾啟明,聶莉娟.慣性導航系統(tǒng)的誤差估計[J].中國慣性技術學報，2002(6):1-5.

(編輯：李江濤)

MethodofUnderwaterPositioningofElectricFieldSensorforShip

ZHANGHaipeng1,2，ZHAOShiyue2，CHENGZhenghua3

(1.DepartmentofDynamicsControl,NavySubmarineAcademy，QingdaoShandong266042，China；2.NavyEquipmentResearchInstitute，Beijing100161，China；3. 92730Troops，China)

Toimproveprecisionofunderwaterpositioningandattitudedeterminationofelectricfieldsensoroftheship,thepaperdesignsanewmeasuringdevice,proposesmeasuringmethodwithsuchdeviceforunderwaterpositioningandattitudedetermination.Then,thepaperdiscussesdataprocessingmethodandpositionandattitudecomputationmethod.Throughanalysisonmeasurementerrorofthisdevice,thepaperdesignsapositionmeasuringmethodwithprecisionwithin1masaneffectivemethodofunderwaterpositioningandattitudedeterminationofelectricfieldsensor.

underwaterpositioning;attitudedetermination;electricfield;sensor

2015-08-31

國家自然科學基金資助項目(51377169)

張海鵬(1977-)，男，講師，博士，主要研究方向為精密儀器及機械。fdrk01@163.com

TM154.2

2095-3828(2016)04-0093-03

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.019