水下航行器自主导航精度评定方法

叶浩亮, 王松林, 贺成刚



水下航行器自主导航精度评定方法

叶浩亮, 王松林, 贺成刚

(中国人民解放军 91388部队, 广东湛江, 524022)

为了解决自主式水下航行器(AUV)自主导航精度指标的考核与评定难题, 从借鉴其他行业相关方法入手,理清了自主导航精度指标的概念与定义。结合工程实际采用的试验方法, 提出了AUV自主导航精度试验样本要求, 对试验样本的筛选制定了约束条件, 规范了样本选取。给出了计数法与计量法等2种指标评估方法, 并以实际数据为例进行了演算, 验证了本文自主导航精度评定方法是合理可行的。

自主式水下航行器; 自主导航精度; 试验; 评定方法

0 引言

自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)在海洋探索、资源开发和海防等方面有着广泛应用, 新技术使其航程越来越远, 导航精度越来越高, 同时兼具有源校准和自主导航功能。出于任务隐蔽的需要, AUV工作过程中某些航渡段通常不会进行有源校准, 为了衡量此项性能, AUV的自主导航精度作为一项重要的指标被提了出来。

针对该项指标的考核, 国内目前未见有可直接引用的现成方法。文中在借鉴其他行业相关方法的基础上进行改进, 对AUV自主导航精度样本的筛选制定了约束条件, 建立了一套合理可行的AUV自主导航精度评定方法。

1 指标的理解

1.1 AUV自主导航精度指标形式

当前AUV自主导航精度指标是通过圆概率误差(circular error probable, CEP)的形式下达的。如, 自主导航精度不大于0.3%CEP,表示航程, 这项指标意思是自主导航偏差至少有一半以上的样本落入半径为0.3%的圆域内。该指标形式借鉴了炮弹落点偏差、导弹命中精度等领域的提法[1]。现有的针对CEP形式的指标评定方法也大多是围绕炮弹落点偏差和导弹命中精度的, 有其具体的应用条件。不能直接适用于AUV自主导航精度评定。

1.2 CEP的定义

在前苏联, CEP的定义为, 落入以散布中心为圆心的某个圆内的概率为0.5时, 此圆的半径称为CEP; 西方国家的定义为, 有1/2弹着点落入以平均弹着点为圆心的某个圆内, 此圆的半径称为CEP。前者是从概率的理论定义出发的, 后者是从概率的统计定义出发的, 两者只是视角不同, 其内涵是一致的[2]。在我国, 《GJB 102A-1998弹药系统术语》中对CEP的定义为, 表示射击密集度性能的指示, 出现概率为50%的圆形误差范围的半径[3]。

从前面关于CEP的定义可以看出, CEP是用来表示弹着点或定位精度的随机误差的, 只能表述弹着点或定位精度的密集度, 然而要完整表示射击或定位的精确度, 还必须考虑弹着点或定位的系统误差, 即对其准确度加以考核。因此, 产生了新的CEP定义方法。《GJB6289-2008地地弹道式导弹命中精度评定方法》将CEP定义为, 以目标点为圆心, 弹着概率为50%的圆域半径, 记为CEP。文献[4]中对CEP定义为, 命中精度表示导弹落点对目标点(瞄准点)的偏离程度, 用以目标为中心的圆概率偏差CEP来衡量, 它是落点系统误差和散布误差的总和。可见, 这个CEP的定义包含了精度试验时的系统误差, 能对射击/定位的精确度进行完整描述。

从AUV自主导航精度指标定义的初衷出发, 文中采用包含系统误差的CEP定义方法。

2 AUV自主导航精度试验方法

2.1 试验方法

对AUV进行海上实航试验, 选取其自主导航段(即不借助外部信息, AUV自行解算导航位置的航渡段。在试验时通常设置为直线航行段), 在自主导航段的起始点和结束点对AUV位置进行外部测量(简称外测), 同时AUV内部记录(简称内记)自己解算的位置信息, 将两者获得的位置信息进行比较, 计算出AUV自主导航偏差, 同时利用外测数据计算AUV的自主导航段航程。最后汇总所有试验样本, 计算出AUV自主导航精度。

由于外测位置会有一定的测量误差, 通常要求自主导航段航程不得小于最小航程, 以确保AUV自主导航产生的偏差不会被外测误差淹没掉。为保证试验质量, 在实际试验中还需要把握好试验样本的原则与要求等方面问题。

2.2 试验样本原则与要求

2.2.1 一致性要求

AUV在不同地理环境(如水深超过多普勒速度仪探底深度)等使用条件下, 自主导航精度可能会不同, 需要将使用条件有显著差异的样本分别统计。不同使用条件下的自主导航精度数据进行评定前需进行一致性检验。一致性检验可采用Wilcoxon秩和检验和Mann-Wilcoxon U统计量检验等方法(两者等效)。一致性检验通过的样本才能放在一起计算自主导航精度, 否则, 需分别计算不同使用条件下的自主导航精度。

2.2.2 自主导航精度样本的筛选原则

AUV自主导航精度样本若出现异常值, 需按照下列原则进行筛选。

1) 对异常值的判断采用数学分析和物理判断相结合的方法, 并以物理判断为主。

2) 对于怀疑为异常试验数据的值应首先进行异常数据的检验(异常值剔除方法参见GB 4883中相关方法)。

3) 当检验数据为异常值时, 需要进行物理判断, 才能决定对异常值的处理:

a. 当检验数据为异常值时, 且排除此故障因素后, 在以后的试验中不再复现, 则将此异常数据从样本中剔除;

b. 若找不到试验或技术等方面的物理原因, 该异常值仍作为样本值, 不予以剔除。

4) 若检验数据不为异常值, 但能找到试验或技术等方面异常的原因, 可作为异常值予以剔除。

2.2.3 自主导航精度样本要求

1) 自主导航段为直航段, 起点和终点位置应能量测, 自主导航段内不得设置拐弯或进行有源校准, 起点和终点可设置校准。

2) 自主导航段应不得小于最短航程, 最短航程通过外测位置误差与自主导航精度要求共同确定, 通常使测量误差小于最小航程自主导航偏差(按指标要求计算)的十分之一。例如, 测量误差为10 m, 则最小航程自主导航偏差要大于等于100 m。若导航精度要求为0.5%CEP, 则最小航程为100/0.005=20 000 m, 即有效的自主导航段最短航程为20 km。

3) 当AUV可以多种典型航速使用时, 自主导航精度样本应包含各种典型航速下的自主导航精度样本, 主要依据研制合同等确定典型航速。

4) 自主导航精度样本应包含对AUV自主导航精度有影响的各种边界条件下的样本, 例如高海况、大海流及海区边界水深等条件下的自主导航精度样本, 实航不具备条件时可采用模拟试验、仿真等方式进行评估。

5) 当AUV有多种典型自主导航工作状态时, 应将不同自主导航工作状态下的样本进行分类统计。根据需要, 分别计算各状态下的自主导航精度。例如, 采用了多普勒速度仪的AUV, 无法探底时的自主导航精度样本应与能探底时的样本分别统计。

3 自主导航精度评定

3.1 评定方法的选取

自主导航精度的评定需要汇总试验获得的自主导航精度样本, 通过计算得出AUV自主导航精度CEP, 将其与指标值进行比较, 精度不低于指标要求判为合格。

自主导航精度CEP的计算目前主要有2种方法, 即计数法和计量法。计数法是通过CEP的定义来计算CEP半径的, 需要的样本数较多(样本太少不能充分反映出总体的统计特征), 通常样本数不少于30个。计数法的优点在于当样本概率分布未知时仍然适用。计量法是通过概率统计的方法, 利用概率分布函数和样本的统计特征计算出CEP半径, 使用计量法需要样本近似服从2D正态分布(可以通过正态性检验来判断样本是否适用计量法)。由于计量法利用了样本的分布函数(先验信息), 在样本数相同的情况下, 通常优先选用计量法。

3.2 计数法

1) 数据处理

通过试验获得AUV自主导航段的起始点和结束点的位置数据后, 需要按照高斯-克吕格投影[5](参见GJB6304-2008中6.7.2节), 将位置经纬度坐标转换为高斯-克吕格投影平面坐标, 然后对内记获得的位置数据进行平移, 使内记与外测位置的起始点重合。此时分别将内记与外测的结束点位置高斯-克吕格投影平面坐标记为和。自主导航段偏差

(2)

2) 结果评定

统计AUV自主导航精度样本中满足指标要求的样本量, 若满足指标要求的样本量不小于总样本量的50%, 则判该型AUV自主导航精度达标; 否则, 判该型AUV自主导航精度不达标。

3.3 计量法

1) 数据处理

和计数法类似, 计量法也同样需要将AUV自主导航段的起始点、结束点位置数据先转化为高斯-克吕格投影坐标, 然后将内记位置数据进行平移, 使内记与外测的起始点位置重合, 然后将内记与外测的结束点位置坐标相减, 得出两者的位置差, 将纵向位置偏差值记为, 横向位置偏差记为。

对所有自主导航段样本统计其纵向和横向自主导航精度, 计算公式如下

(4)

2) 结果评定

若值不大于AUV自主导航精度指标要求, 则判该型AUV自主导航精度满足指标要求; 否则, 判该型AUV自主导航精度不满足指标要求。

4 算例

在某型AUV自主导航精度试验中, 按照2.2节的要求筛选后获得了48组试验样本, 如表1所示。

根据前文所述CEP计算方法, 使用Matlab进行编程, 对试验样本进行正态性检验、相关性检验和CEP计算。正态性检验结果见图1, CEP计算结果见图2。

由图1可见, 样本的导航偏差通过了正态性检验, 符合正态分布, 计量法适用。由图2可以看出, 按照计数法算出的CEP半径为0.176%D, 按照计量法算出的CEP半径为0.188%D, 两者计算出来的结果基本相符。使用计量法算出的CEP半径的样本覆盖率为52.08%, 和CEP定义基本相符。若指标要求自主导航精度不大于0.3%D CEP, 则判此型AUV自主导航精度达标。Shapiro-Wilk检验, 在显著水平为0.05的情况下,样本X服从正态分布, 样本Y服从正态分布。

表1 自主导航定位偏差数据表

5 结束语

文中围绕AUV自主导航精度考核问题, 在借鉴其他行业相关方法的基础上进行改进, 对AUV自主导航精度样本的筛选给出了约束条件, 规范了样本选取, 提出了一套合理可行的AUV自主导航精度评定方法。该方法已在工程实践中实际应用, 并取得了各方认可。如何设计试验使其更科学、合理地统筹试验目标、节省试验成本是下一步需要深入开展的工作。

[1] 沙钰. 弹道导弹精度分析概论[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1999.

[2] 张乐, 李武周, 巨养锋, 等. 基于圆概率误差的定位精度评定办法[J]. 指挥控制与仿真, 2013, 35(1): 111-114.Zhang Le, Li Wu-zhou, Ju Yang-feng, et al. Positioning Accuracy Evaluation Method Based on CEP[J]. Command Control & Simulation, 2013, 35(1): 111-114.

[3] 杜毓琛, 郭占海, 刘虹秋, 等. GJB 102A-1998弹药系统术语[S]．北京: 国防科学技术工业委员会, 1998.

[4] 刘新爱, 张磊, 王素平. 导弹命中精度仿真试验及评估方法研究[J]．战术导弹技术, 2009(5): 79-83. Liu Xin-ai, Zhang Lei, Wang Su-ping. Research on Simulation Test and Assessment Method for Missile Hit Accuracy[J]. Tactical Missile Technology, 2009(5): 79-83.

[5] 魏子卿, 中慧群, 王永清, 等. GJB 6304-2008 2000中国大地测量系统[S]．北京: 总装备部军标出版发行部, 2008.

[6] 梁小筠, 孙山泽, 茆诗松, 等. GB/T 4882-2001 数据的统计处理和解释正态性检验[S]．北京: 国家质量技术监督局发布, 2001.

[7] 梁小筠. 正态性检验[M]. 北京: 中国统计出版社, 1997.

[8] 宋维廉, 宋天莉, 徐德坤, 等．GJB6289—2008地地弹道式导弹命中精度评定办法[S]．北京: 总装备部军标出版发行部, 2008.

(责任编辑: 许 妍)

An Evaluation Method of Autonomous Navigation Accuracy for Autonomous Underwater Vehicle

YE HaoliangWANG SonglinHE Chenggang

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To evaluate autonomous navigation accuracy for an autonomous underwater vehicle(AUV), the concept and definition of autonomous navigation accuracy specification are clarified via reference for related methods in other industries. Considering the test methods for engineering, the requirement for test sample of AUV autonomous navigation accuracy is proposed, the constraint conditions are set for screening the test samples, and sample selection is standardized. Two evaluation methods of AUV autonomous navigation accuracy, i.e. counting method and measurement method, are presented, and actual data are used for calculation. The result verifies the reasonability and feasibility of the proposed evaluation method of AUV autonomous navigation accuracy.

autonomous underwater vehicle(AUV); autonomous navigation accuracy; test; evaluation method

10.11993/j.issn.1673-1948.2017.01.010

TJ630.33; U674.941

A

1673-1948(2017)01-0049-05

2016-08-13;

2016-09-19.

叶浩亮(1982-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下装备试验总体技术.