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基于長基線交匯的超短基線對水下運(yùn)動目標(biāo)定位技術(shù)研究水下運(yùn)動目標(biāo)位置是海洋調(diào)查、工程探測、海上實(shí)驗(yàn)等科研活動的重要參數(shù)，特別是在海上靶場的裝備試驗(yàn)中，需要實(shí)時(shí)精確地獲得水下運(yùn)動目標(biāo)的位置信息。水聲定位技術(shù)是獲得這一信息的有效手段，近年來，水聲定位技術(shù)不斷發(fā)展，水聲定位系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的長基線系統(tǒng) （Long Baseline System，LBL）、短基線系統(tǒng) （Short Baseline System，SBL）、超短基線系統(tǒng) （Ultra-short Baseline System，USBL）向聲學(xué)多基線組合與慣導(dǎo)、GPS（Global PositioningSystem） 等聯(lián)合定位的模式轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究表明[1-4]，長基線具有基線長、定位精度高的特點(diǎn)，但是長基線定位是以精確時(shí)延進(jìn)行測量，對由于目標(biāo)運(yùn)動使得同步信標(biāo)需要高幀率發(fā)射所帶來的抗距離模糊解算能力不強(qiáng)；超短基線定位系統(tǒng)則是由多元聲基陣與聲信標(biāo)組成，通過測量距離和方位定位，其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、使用方便，其方位參量的測量不受距離模糊的影響，缺點(diǎn)是跟蹤數(shù)據(jù)不連續(xù)，無法連續(xù)跟蹤水下目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，且其定位精度受到載體安裝形變誤差、位姿組件測量誤差和聲速誤差等因素影響，每次安裝后需進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)定位精度不高，僅適用于大范圍作業(yè)區(qū)域跟蹤 [5]。鑒于此，本文提出一種采用浮標(biāo)方式基于長基線交匯的超短基線定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水下低速運(yùn)動目標(biāo)的高精度定位測量。 1 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù) 1.1 系統(tǒng)組成 1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 為滿足對水下運(yùn)動目標(biāo)的連續(xù)定位，同時(shí)也為了克服船載超短基線定位使用上的不足，系統(tǒng)采用了浮標(biāo)方式，浮標(biāo)采用了高浮力低重心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可以滿足爆炸試驗(yàn)抗沖擊要求；同步式信標(biāo)安裝于水下航行體或運(yùn)動爆源上，為滿足不同速度運(yùn)動目標(biāo)的測量需要，水聲同步信標(biāo)采用了信號發(fā)射周期可調(diào) （0.5~5 s） 的高增益寬帶多址調(diào)頻雙脈沖信號體制，相比分頻段的線性調(diào)頻或跳頻信號可獲得更大的處理增益，在相同作用距離下，可降低發(fā)射聲源級，減小系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)靈敏度，提高定位精度。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。 （1） 基于長基線和超短基線數(shù)據(jù)融合的定位 長基線與超短基線結(jié)合使用可以構(gòu)成組合聲學(xué)定位系統(tǒng)，組合定位系統(tǒng)通�？梢垣@得目標(biāo)信號的多種特征參量，合理地融合多參量信息有利于提高定位系統(tǒng)的精度及可靠性。考慮到長基線定位系統(tǒng)作用范圍廣且陣內(nèi)定位精度較高，超短基線定位系統(tǒng)集成度高且具備良好的近程定位優(yōu)勢，本文構(gòu)建了基于長基線交匯的超短基線定位系統(tǒng)，并采用合作信標(biāo)模式對其進(jìn)行廣域精確可靠定位，系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)均由十字型超短基線陣構(gòu)成。提出時(shí)延/相位差參量融合組合基線信息融合定位方法，通過基于最小均方誤差和最大似然估計(jì)準(zhǔn)則下的定位優(yōu)化模型有效融合兩種參量的觀測信息，以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測量區(qū)域的高精度定位。 （2） 高同步速率下的運(yùn)動目標(biāo)定位抗距離模糊技術(shù) 對水下運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，為了獲得足夠的軌跡采樣點(diǎn)數(shù)來描繪其運(yùn)動過程，定位系統(tǒng)需要采用較短的同步周期。聲速和系統(tǒng)同步周期的乘積稱為最大非模糊距離，以信號發(fā)射周期為 0.2 s為例，若聲速取 1 500 m/s，則系統(tǒng)最大非模糊距離為300 m。當(dāng)目標(biāo)距離定位陣元超過 300 m時(shí)，信號傳播時(shí)延大于 0.2 s，而接收系統(tǒng)記錄的時(shí)延值仍在0.2 s以內(nèi)，即時(shí)延測量值與真實(shí)的時(shí)延值相差周期的整數(shù)倍，相應(yīng)地，距離估計(jì)值與實(shí)際值相差最大非模糊距離的整數(shù)倍，稱為距離模糊問題，該倍數(shù)稱為模糊周期數(shù)，求解模糊周期數(shù)以獲得實(shí)際距離估計(jì)值稱為解距離模糊。距離模糊問題直接導(dǎo)致運(yùn)動目標(biāo)定位結(jié)果具有多值性。 針對上述問題，考慮到方位參量的測量不受距離模糊的影響，采用最大似然準(zhǔn)則下時(shí)延/方位融合定位優(yōu)化模型，將解距離模糊問題轉(zhuǎn)化為方位參量約束條件下非線性優(yōu)化問題，并采用差分進(jìn)化算法求解。利用方位信息對目標(biāo)所在區(qū)域進(jìn)行限定，降低了差分進(jìn)化算法陷入局部最優(yōu)解的危險(xiǎn)。無需目標(biāo)初始就位點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)對大范圍測量區(qū)域內(nèi)運(yùn)動目標(biāo)的無模糊定位。 （3） 淺海復(fù)雜環(huán)境下精確時(shí)延估計(jì) （4） 浮標(biāo)方式下超短基線基陣誤差的減小與消除 超短基線陣是利用相位差進(jìn)行定位的，聲基陣的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)直接影響信號間的相位差。聲基陣陣元間的初始相位及安裝位置偏差是直接影響定位精度的關(guān)鍵因素。聲基陣陣元間的初始相位會直接帶來相位測量誤差，屬于系統(tǒng)誤差，需要出廠前在消聲水池或開闊水域進(jìn)行校準(zhǔn)獲得，然后修正到基陣測量的相位差，以減少對整個(gè)系統(tǒng)定位精度的影響；聲基陣坐標(biāo)與大地坐標(biāo)間的旋轉(zhuǎn)角度誤差很難直接測量，此誤差主要由安裝誤差引起，可通過文獻(xiàn)[8]介紹的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)采用浮標(biāo)方式，超短基線陣固定安裝浮標(biāo)下部，經(jīng)過一次校準(zhǔn)即可，避免船載基陣每次安裝后均需進(jìn)行適應(yīng)性校準(zhǔn)，試驗(yàn)效率低的弊端。 圖 2長基線和超短基線組合定位模型 （2） 當(dāng)使用兩個(gè)浮標(biāo)，采用長基線方式求解，超短基線利用相位差參量信息判斷雙解； （3） 當(dāng)單浮標(biāo)接收目標(biāo)信號時(shí)，直接利用超短基線求解，根據(jù)已測得歷史位置信息判別真解，提出模糊解； 本文假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作，一共能得到 5組定位結(jié)果，包括 1組長基線結(jié)果和 4組超短基線定位結(jié)果。定位結(jié)果融合的關(guān)鍵是如何將 5組信息進(jìn)行有效的組合，使融合的定位結(jié)果優(yōu)于單個(gè)系統(tǒng)的定位結(jié)果。 2.1 最小均方誤差估計(jì)與最大似然估計(jì) 在已知 X和 Z是兩個(gè)隨機(jī)矢量，且二者存在聯(lián)合概率密度函數(shù)的條件下，使各估計(jì)分量的均方誤差之和最小的估計(jì)，被稱為最小均方誤差估計(jì)X贊 V。各估計(jì)分量的均方誤差之和可以表示如下。
最大似然估計(jì)是建立在最大似然原理基礎(chǔ)上的一個(gè)統(tǒng)計(jì)方法，是概率論在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一個(gè)應(yīng)用。最大似然估計(jì)提供了一種“模型已定，參數(shù)未知”的方法，通過若干次試驗(yàn)，觀察其結(jié)果，利用試驗(yàn)結(jié)果得到某個(gè)參數(shù)值能夠使樣本出現(xiàn)的概率為最大。 2.2 基于最小均方誤差準(zhǔn)則的時(shí)延/相位差參量融合定位優(yōu)化模型 可知融合結(jié)果的定位精度不低于各系統(tǒng)單獨(dú)定位精度，基于最小均方誤差準(zhǔn)則的融合方法是可行的。 2.3 最大似然準(zhǔn)則下的時(shí)延/相位差參量融合定位優(yōu)化模型 時(shí)延/相位差參量融合組合基線定位方法是通過構(gòu)建最大似然準(zhǔn)則下的優(yōu)化定位模型，有效融合兩種參量的觀測信息，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量區(qū)域的高精度定位。 3 系統(tǒng)定位精度分析 為了驗(yàn)證組合定位測量的定位精度，本文分別對長基線、超短基線和長基線/超短基線組合定位的定位精度進(jìn)行仿真，并在組合定位方式下分別對基于最小均方誤差準(zhǔn)則和最大似然準(zhǔn)則這兩種時(shí)延/相位差參量融合算法進(jìn)行仿真。具體仿真條件如下。 （1） 浮標(biāo) （陣元） 位置精度 （北斗/GPS定位精度：3 m）； 圖 3至圖 6分別為長基線、超短基線、組合定位下兩種融合算法的定位精度。 由仿真結(jié)果可知，長基線的定位精度由于可以獲得精確的時(shí)延估計(jì)，對于位于陣中心的定位精度較高；超短基線遠(yuǎn)距定位精度較低，但是局域定位精度較高，長基線/超短基線組合定位的定位精度在距離陣元較近位置比長基線要高，在較遠(yuǎn)距離位置定位精度高于超短基線，采用兩種準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后的定位精度，在陣中心遠(yuǎn)距精度幾乎相同，在距離陣元較近位置上基于最小均值誤差準(zhǔn)則的組合定位精度較最大似然估計(jì)準(zhǔn)則的要高。在總體上，采用組合定位方法可將長基線作用距離遠(yuǎn)和超短基線局部區(qū)域精度高的優(yōu)勢充分結(jié)合起來，這種方式的定位精度整體上要高于單一方式的定位精度。 水下運(yùn)動目標(biāo)是具有一定速度的動態(tài)目標(biāo)，其對信號檢測的影響體現(xiàn)在接收端接收到的信號具有多普勒效應(yīng)，頻率會發(fā)生一定程度的偏移，導(dǎo)致時(shí)延檢測有偏差，仿真計(jì)算分析表明對于信號頻段20~30 kHz，脈寬 10 ms的水聲信號，在目標(biāo)速度為
圖 3 長基線定位精度
圖 4 超短基線定位精度
圖 5 基于最小均方誤差準(zhǔn)則的組合定位精度
圖 6 基于最大似然估計(jì)準(zhǔn)則的組合定位精度 2 kn時(shí)，時(shí)延測量誤差約為 200 滋s；目標(biāo)速度為4 kn時(shí)，時(shí)延測量誤差約為 400 滋s；目標(biāo)速度為6 kn時(shí)，時(shí)延測量誤差約為 600 滋s；目標(biāo)速度為8 kn時(shí)，時(shí)延測量誤差約為 800 滋s；據(jù)此，本文進(jìn)一步仿真驗(yàn)證了該組合定位方式下航速 0 kn的靜止目標(biāo) （圖 7） 和航速 8 kn下運(yùn)動目標(biāo)的定位精度（圖 8）。具體仿真條件為：除了航速 8 kn運(yùn)動目標(biāo)時(shí)延測量誤差為 800 滋s以外，其余仿真條件不變。
圖 7 水下靜止目標(biāo) （航速 0 kn） 的定位精度
圖 8水下低速運(yùn)動目標(biāo) （航速 8 kn） 的定位精度 仿真結(jié)果表明，在2km的作用范圍內(nèi)，靜態(tài)目標(biāo)水平定位精度不大于 2譯R（R為測量斜距），考慮動態(tài)目標(biāo)的多普勒偏移及時(shí)延測量誤差，動態(tài)目標(biāo)水平定位精度不大于 4譯R，可滿足系統(tǒng)的測量要求。 4 結(jié) 論 本文提出一種基于浮標(biāo)方式的長基線/超短基線組合定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對水下運(yùn)動目標(biāo)定位，采用浮標(biāo)方式克服了船載超短基線組合安裝誤差大，避免安裝后每次均需進(jìn)行姿態(tài)適應(yīng)性校準(zhǔn)的弊端，提高了測量精度；同時(shí)采用組合定位方式又可以有效減少長基線陣元數(shù)量，提高試驗(yàn)效率。在組合定位解算中采用時(shí)延/相位差參量信息，依托基于最小均方誤差準(zhǔn)則和最大似然估計(jì)準(zhǔn)則的融合方法解決了同步信標(biāo)高幀率、跨周期所帶來的距離模糊問題，提高了系統(tǒng)對運(yùn)動目標(biāo)的定位精度；文章最后仿真分析了各種方法的定位精度空間分布規(guī)律，驗(yàn)證了這種定位方法要優(yōu)于單個(gè)系統(tǒng)的定位精度。該方法無需每次試前都對基陣進(jìn)行校準(zhǔn)，具有使用效率高、試驗(yàn)準(zhǔn)備簡單、測量質(zhì)效高等優(yōu)點(diǎn)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在靶場得到成功應(yīng)用。 |
