我国水声定位导航技术研究起步于长基线定位系统,20世纪70年代末杨士莪院士牵头完成了“洲际导弹落点测量长基线水声定位系统”。此后,哈尔滨工程大学、中国科学院声学研究所、东南大学、中国船舶重工集团公司第七一五研究所等多家单位在声学定位技术领域都进行了广泛研究。
弹丸入水过程分3个阶段:初始击水阶段、空腔形成阶段和气泡脉动阶段,见下图,与之对应的过程所产生的水下噪声信号主要包括击水声信号、寂静区间和气泡脉动声信号。 从图中可以看出,击水脉冲振幅大,能量强,宜作为水听器的检测声波源。
落点定位的算法一般选时差定位方法(TDOA)又称双曲线定位方法,因为其技术成熟,较易实现。TDOA定位是由弹丸入水产生的噪声信号到达不同基站的时间差,计算出弹丸入水点到各基站间的距离之差,而两个基站的距离差能建立唯一的一条双曲线,由至少3个基站建立的双曲线方程组求解,得到交点来确定弹丸落点的坐标。计算过程如下:
基站布设方式直接影响TDOA的测量精度.根据平面上火炮弹着点的散布区域为椭圆形,散布密度服从正态分布的特性,并考虑到实际测量环境,基站以正多边形或L型布设为宜,测量中心与散布中心重合。
不同基站布设的定位误差统计仿真结果如下。
1)测量基站的布设方式对测量精度及测量范围影响较大;
2)等边多边形布阵优于L型布阵,在半径为500m圆的范围内,测量精度优于5m,满足弹丸落点的测量要求;
3)测量中心区域的测量精度较高,测量边缘区域的测量精度较低;
4)多测量基站有利于提高测量精度,当测量基站多于5个时,增加测量基站对提高测量精度影响不敏感。
参考文献
1、海洋大地测量基准与水下导航_中国科学院_2022.06
2、弹丸海上落点声学测量方法研究_刘德耀2020
3、一种海上落点声学测量基站优化布设方法_张志伟2020
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