基于中继浮标实现水下运动目标大范围监测方法研究＊

刘百峰 罗 坤 赵 珩

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下潜艇位置监测的长基线水声定位系统有两种［1～3］，分别是浮标式和潜标式水声定位系统。浮标式水声定位系统的测量浮标需要锚系于海底，对潜艇的安全机动及拖曳式声纳的安全使用造成影响。而潜标式水声定位系统由于工艺水平及海洋噪声影响了声的传播距离，使得监测船对潜标的管理有效距离大大降低，无法满足在水下目标进行大范围对抗时母船对其监测。本文提出了一种基于监测浮标中继配合潜标的技术，使得在监测母船水声作用距离之外的潜标，其声学信号由监测浮标接收后经无线电转发，监测母船通过监测浮标接收转发的声学信号实现对远距离潜标的信号监测，从而达到扩大监测区域的目的，可有效提高潜标式水声定位系统监测范围。

2 浮标式长基线监测系统

浮标式长基线监测系统由船载跟踪显控分系统（或称为基站）、海上浮标分系统和无线通信链系统等三部分组成。浮标分系统中还装有差分GPS接收机［4～5］，对浮标进行精确定位。浮标通过水声测量水下目标的运动参数并将DGPS系统进行连续监测的浮标位置信息通过无线通信链汇总到基站计算机，基站将接收的参数发送到计算机，通过计算软件解算出目标的相关信息并显示测量参数。基站与浮标两分系统间的数据通信任务通过无线通信链系统完成。

图1 浮标式长基线监测系统原理图

3 潜标式长基线监测系统

3.1 系统组成及功能

潜标式水声定位系统由海底潜标阵、艇载分系统组成［6］。其中海底潜标阵在校准后通过配合艇载分系统、共同完成潜艇的水下位置监测。

3.2 工作原理

海底布放N个潜标组成测量阵，潜艇在测量阵内航行，艇载分系统在同步钟触发下周期性发射询问声信号，潜标基阵接收后发射应答声信号，监测母船在同步钟触发下周期性接收应答声信号（见图2），测定“潜艇—潜标—监测母船”之间的声传播时延（Ti），监测母船的位置可由其自身的DGPS确定，各潜标的位置在测量阵布放完毕后校准确定［7］。

可求得潜艇发射位置到各潜标的空间距离（ri），以此建立方程组：

式中，（xt，yt，zt）是第t时刻潜艇的空间位置；（xi，yi，zi）是第i个潜标的空间位置；（xf，yf，zf）是监测母船的空间位置；ri为潜艇到潜标i之间的空间距离；Ti为潜艇到潜标i到监测浮标之间的声传播时延；C为平均声速。

由于x，y的坐标差值远大于z的坐标差值，因此，z方向的误差对系统的定位误差影响较小，可视z坐标为已知数值在解算前预先装订，那么，取3组方程就可以解得潜艇准确位置，如果有历史信息作为参考，取2组方程也可以解得潜艇准确位置，这样，可大大提高系统定位成功率。

由于水声换能器传播距离有限，这就需要在不放水下阵元时充分考虑到节点的通信通畅，覆盖范围越大，所需节点数就越多，在进行阵形设计时，必须保证各潜标与上级测距平台测距仪通信正常，如图2所示的6个潜标和测量母船便可构成满足一个简单的跟踪阵，测量母船能实现对阵元状态控制、导航和定位等所有功能［8］。但是，在对潜艇进行大范围监测导航时，考虑到安全性能，测量母船不能过于接近阵区。同时，由于跟踪区域需求过大导致母船的上的水声换能器作用范围不能覆盖所有潜标，就需要中继站这么一个节点能与母船一样遥控潜标，并能接收潜标的应答信号完成测距。同时可把测量结果和自身状态信息实时传送给母船，能进行自定位，对此引入了带有接收机的无线电遥控浮标。

图2 潜标式水声定位系统监测原理图

4 无线监测浮标中继的监测方法

4.1 无线监测浮标中继的监测方法原理

由于无线电通信距离一般在10km以上，这就使得无线电遥控浮标作用距离能在原来的水声基础上增加了一个无线电的距离。使得大范围导航阵成为可能［9］，因此，利用浮标和潜标配合，以浮标作为中继站可构建范围足够大的跟踪阵，但是考虑到海上情况的复杂性，及浮标通信的实际需求及系统容量有限，使得在阵型设计是仍然要受到许多的束缚。如图3所示。

图3 监测浮标中继原理图

根据中继浮标中无线电通讯距离影响及与测量母船的配合最佳配置，可以将导航阵划分为三个部分。根据水声传播距离限制，每个浮标和监测母船只能控制6潜标。

4.2 监测浮标通信设计

根据监测母船上的基站、浮标及潜标的通信方式，将无线电遥控基站设为一级节点，接收浮标上传的水声数据。浮标或船载测距仪称为二级节点，负责上传测量数据及下传测控指令；潜标设为三级节点，实现测控功能。

图4 长基线系统节点分配原理图

5 中继浮标精度分析

对监测精度造成影响的声速测量误差、测时误差、阵元误差和GPS误差四种因素，对传统监测方式和通过中继实现的监测方式进行精度的仿真分析。设定测阵误差为5m，DGPS定位误差为1m，分别对测时误差为1ms和2ms，声速误差为3m／s和5m／s的情况做以下数据统计分析：

表1 误差作用对比分析表

由表1中两种监测方式的精度数据对比可以看出，中继监测方式的精度与传统监测方式的精度相当［9］，各误差对监测精度影响的变化趋势呈现线性关系。由表中数据可以得出在DGPS误差不超过±1m、各阵元测阵误差不超过±5m、测时误差不超过±2m／s、声速测量误差控制在0.3%左右的情况下，两种监测方式的精度都在10m左右。由此可见，通过潜标中继的接力技术能够保障监测精度基本不受影响的前提下，将监测的范围进一步扩大。

6 海上验证

如图5所示，在海底布放8个潜标，级联成双倍的测量区域，监测区边沿布放1个监测浮标，测量船位于监测区一角虚线的潜标，另外一艘测量船作为被测目标模拟潜艇在阵内航行。采用传统监测方式时，存在监测盲区（图5中的网格状部分），当潜艇航行在该区域时，监测船就无法对其进行定位。为提高监测范围，将添加了监测浮标，通过监测浮标管理的潜标，可以大大提高对潜艇的监测范围。

图5 海上验证试验态势图

图6为海上验证试验定位结果，布放了6个水下潜标和一个无线监测浮标。监测浮标位于测量阵下侧，监测浮标测量的目标航迹位于测量阵右侧盲区内，在试验中，监测浮标管理的47＃与53＃潜标与48＃潜标、42＃潜标联合对水下目标进行定位，实现测量盲区内的目标定位功能。可见，采用潜标中继的信号接力方式，能增大其测量范围。

图6 中继浮标的目标监测航迹图

7 结语

基于潜标式水声定位系统实现的水下潜艇位置监测，对潜艇的安全机动影响最小。结合无线监测浮标中继的信号接力技术，可有效提高水下潜艇的监测区域，对实现大范围监测具有重要的意义，但是此技术对监测浮标的可靠性、及无线电的传输距离要求较高。

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