水下航行体位置姿态参数水声测量技术研究∗

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

1 引言［1，14］

随着海洋科学技术的发展和进步，水下航行体在国防、海洋工程等领域发挥了重要的作用，水下航行体的位置姿态信息是岸基或工作母艇必须获取的信息。在军事领域，现代新型水下武器能够对目标的水平、垂直尺度进行分析、识别、辨别真假目标。在攻击过程中，智能水下武器通过最优化控制，采取最佳弹道，寻找攻击目标要害部位，垂直命中、聚能定向爆炸。由于轻型智能水下武器体积小、所装弹药少，它对目标的摧毁程度就取决于如何准确判别目标的要害部位，完成定向聚能爆破。同时，在新型水下武器科研、定型及交验试验中，通过实时分析其航行位置、姿态参数，可以清楚地掌握水下武器实航中的运动状态，特别是在实航发生故障时，对故障的机理分析和排除起到了至关重要的作用。在商业领域，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成功应用于海底地形探测、海域水文监测、海底管道故障检测等任务。在UUV执行任务结束及能源欠缺时，有需要对其进行回收来下载相关信息数据或补充能源，但由于水下环境复杂，以及水压和碰撞对其带来的影响，为保障顺利的回收要求母艇精确的掌握UUV的位置、姿态等参数信息。

本文通过深入研究高速目标水声遥测多普勒补偿、强干扰条件下弱信号检测等关键技术，设计了一种脉冲间隔粗调与频率编码细调相结合的遥测信标体制，采用前沿检测方法测量信号到达时差实现位置跟踪，利用脉冲间隔调制实现航行姿态参数的粗估，利用频率调制实现航行姿态参数的细估，从而实现了水下航行体位置跟踪与姿态参数联合测量的目标。课题组试制了系统原理样机，并开展了湖上动态试验，试验数据结果表明：位置跟踪误差不大于0.5%，姿态测量误差不大于0.5°。

2 系统样机功能组成及技术方案

2.1 系统样机工作原理

具体工作原理（过程）如下。

1）装载于水下航行体的水声测试段发出的声信标信号经水中传播后，被轻便式声学基阵接收，经前端放大后，传输至信号处理设备；

2）信号处理设备的模拟电路组件对信号进行放大、滤波、调理等一系列处理后，送DSP信号处理机进行时延估计、频率解调等信号处理分析；

3）DSP信号处理机完成水声脉冲信号帧行识别，求得脉冲传播时延，再对信号中目标深度、航行姿态信息（如航向、俯仰、横滚等）进行频率和脉冲间隔解调，得到其调制时延及频率等信息，并将结果传送至显控机；

4）显控机实现水下UUV位置轨迹的解算、描绘、姿态参数的解码及水下UUV姿态3D显示等。

2.2 系统组成及技术方案

水下航行体位置姿态参数水声测量系统样机主要由信号处理与显控设备、水声测试段、声学基阵等组成。系统构成示意图如图1。信号处理与显控系统包括模拟电路组件、DSP信号处理机、位置跟踪与姿态参数显控机、GPS同步钟和姿态测量设备等，模拟电路组件将接收的四路水声信号经过放大、滤波、包络检波等处理后，送DSP信号处理机；DSP信号处理机完成信号检测解调、单频频率判别、时延估计、增益控制及数据传送等功能，并将解调信息、时差数据等通过RS422口传送给位置跟踪与姿态参数显控机，位置跟踪与姿态参数显控机负责实现位置轨迹的解算与描绘、位置参数的解码与水下航行体姿态3D显示等功能。水声测试段负责将实时采集的姿态参数信息，按照要求的信标体制进行编码、调制后，在GPS同步钟的触发下由功放电路发射出去。声学基阵由四个互相正交的接收换能器、水密电子舱、布放回收机构等组成，负责采集水声测试段发出的水声信号。

图1 系统构成示意图

3 关键技术及突破途径

3.1 信标体制设计

信标体制采用时延粗调与频率细调相结合的设计方式，采取1帧（10*n-1）行（n=1，2，3…）的形式，帧同步周期为T=（n）s，行同步周期固定为t=0.1s，Ti（i=1，2，3…10*n）为遥测信息的时延粗调值（可根据调制值调节，取值范围为20ms～50ms）。CW0为脉宽4ms频率为f0（单位kHz，范围为20kHz～100kHz）的单频脉冲；+LFM代表帧识别脉冲，为脉宽 5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz线性正调频；-LFM代表行识别脉冲，为脉宽5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz线性负调频；CWn（n=1，2…10*n）代表遥测信息的频率细调脉冲，为3ms的单频信号。由于航行深度信息要求精度高，本信标使用两个行周期调制深度信息，其余三个参数（包括航向角、横滚角、纵倾角等）使用一个行周期来调制，这样更新一次遥测信息就需要5个行周期，即遥测周期为0.5s。细调分为12个刻度，CWn频率值分别对应为（f0-3.5）kHz、（f0-3）kHz、（f0-2.5）kHz、（f0-2）kHz、（f0-1.5）kHz、（f0-1）kHz、（f0+1）kHz、（f0+1.5）kHz、（f0+2）kHz、（f0+2.5）kHz、（f0+3）kHz、（f0+3.5）kHz。图2为n=1时信标示意图，即帧同步周期为T=1s，1帧9行，行同步周期固定为t=0.1s，Ti（i=1，2，3…10）为遥测信息的时延粗调值，细调脉冲CWn（n=1，2…10）。

图2 信标体制示意图

3.2 强干扰条件下弱信号检测技术［3，7，14］

课题组对低信噪比、弱信号条件下的水声接收信号检测方法作了深入的研究。在发射端设计了一种脉冲间隔粗调与频率编码细调相结合的遥测信号体制，达到了抑制码间干扰、提高在固定距离接收端信号的信噪比的效果；在水声信号传播过程中，研究了试验水域抚仙湖水声信道特征，分析了各时间段声速梯度和声线传播轨迹，采用保护间隔、卷积码纠错等抗多途措施来抑制多途传播干扰；在接收端采用高精度时延频率估计等算法实施弱信号解调。

时延估计利用自适应更新样本相关的方法，提高时延估计精度，再进行时延值精密内插，从而保证时延估计精度。频率估计采用基于FFT的插值频率估计算法，插值采用拉格朗日与最小二乘拟合算法。

4 试验结果分析

4.1 试验过程与方法

为验证系统原理样机的性能，开展了湖上静态与动态跑船试验。试验过程：基阵吊放于试验船A右舷，试验船B携带模拟声源在距测量阵心不大于2km范围内定点漂泊与动态航行；模拟声源设备发射的声信号由声学基阵接收，经放大滤波后，由信号接收处理机实时进行时延检测、姿态参数信息解码解调，得到试验船B上模拟声源的位置轨迹与姿态参数。试验船A与试验船B的GPS位置数据与基阵位置信息均回传至指控中心，进行实时的误差对比。

4.2 试验结果与分析

对静态与动态跑船试验数据进行分析，位置数据比对船载DGPS数据，通过多组数据比对，得出位置定位精度优于0.5%。将实际测量姿态参数数据与便携式电脑实时记录航姿传感器数据进行同时间比较，考核系统的姿态测量误差，统计次数为静态每个参数6000次，动态跑船每个参数9000次。频点值与时延值按照信标体制的调制方式还原后，再经过正交四元基阵数据融合、剔除野值等后处理得到其姿态参数信息，2000m范围内接收到的航向、俯仰、横滚等姿态参数信息测量误差不大于10-3。图3为航姿传感器航向实时参数信息接收数据与发射数据对比图。

图3 航向实时参数信息接收数据与发射数据对比图

5 结语

本文主要解决了高速目标水声遥测多普勒补偿、强干扰条件下弱信号检测等关键技术，研制了系统原理样机，并进行了试验验证。本课题系统原理样机实现了水下航行体位置姿态参数联合测量，全面、直观地掌握水下航行体水下航行实时信息，有利于指导水下航行体水下作业或故障分析。