水雷上浮弹道水声脉冲编码跟踪定位技术研究

Ts1
=
2m 50 m / s
= 40 ms
（ 2）
目标信号到达浮标的最大距离为 3 km，水声传
播速度约为 1. 5 m / ms，则在 3 km 的传播距离上最
多存在的水声同步脉冲信号个数 nma x 为：
nmax
=
3 km 1. 5 m / ms × 40 ms
=
50
（ 3）
系统能测量的最大同步时延为 40 ms，无法判
本文针 对 水 雷 长 时 间 水 下 待 机、上 浮 弹 道 短
2012 年 8 月 10 日收到，9 月 5 日修改 第一作者简介： 杜召平，男。硕士。E-mail： 233688936@ qq． com。
程、高速的 特 点，提 出 了 多 频 水 声 脉 冲 编 码 跟 踪 定 位方法，并 对 相 关 的 水 声 跟 踪 定 位 技 术 进 行 了 研 究，通过仿真预测出系统的跟踪定位精度。
位精度仿真模型，通过仿真预测出系统同步精度、水声信号时延检测精度、GPS 定位精度、水听器位置精度和声速测量精度对
系统定位精度的影响，为此项技术的可行性和相关系列测控装备的研制提供了依据。
关键词 水雷 上浮弹道 跟踪定位 技术 仿真 研究
中图法分类号 TJ611. 1；
文献标志码 A
水雷 具 有 长 时 间 水 下 待 机、上 浮 弹 道 短 程、高 速的特点。目前，水雷上浮弹道外场跟踪定位手段 有两种： 一种是采用水听器阵-雷载 3D 段测量手段 实现［1］，通过测量雷载 3D 段发射的同步水声脉冲 信号到达各水听器的传播时延，利用球面交汇算法 解算出水雷的三维位置坐标和弹道轨迹。但是由 于水雷具有 长 时 间 水 下 待 机、上 浮 弹 道 短 程、高 速 的特点，若 同 步 周 期 设 定 过 大，将 导 致 测 量 数 据 量 严重不足； 若缩短同步周期，又会导致严重的测量 周期模糊，致 使 跟 踪 定 位 解 算 失 败。 而 且，现 有 的 雷载 3D 有效工作时间为 3 h，难以保障长时间水下 待机水雷上浮弹道的测量任务。
第 13 卷 第 3 期 2013 年 1 月 1671—1815（ 2013） 03-0716-05
兵工技术
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 13 No. 3 Jan． 2013 2013 Sci. Tech. Engrg.
水雷上浮弹道水声脉冲编码跟踪定位技术研究
别目标信号究竟经过了多少个同步周期才到达测
来自百度文库
量点，四个测量点也很难提取出目标同一时刻发射 的水声信号，造成系统测量周期模糊［3］。如果采用
软件抗测量周期模糊算法（ 如 GRAT 系统） ，考虑最
恶劣的情况，50 个模糊周期信号用 3 个浮标求解需 要 C250 种解算组合，若再考虑海区干扰噪声和强信 号串漏对信号检测的影响，将导致定位解算难以实
图 1 系统组成与海上跟踪定位示意图
1 水下多信道 GPS 声纳浮标阵-雷载 3D 段 跟踪定位技术
1. 1 同步球面交汇跟踪定位原理 设定水雷上浮攻击范围最大约为 1 km × 1
km，GPS 声纳浮标布放在以水雷锚系点为中心的 3
3期
杜召平，等： 水雷上浮弹道水声脉冲编码跟踪定位技术研究
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2 多信道水声脉冲信号发射与检测技术
2. 1 多频水声脉冲编码信号发射技术 多频水声脉冲信号发射由雷载 3D 段实现。考
虑大航程鱼水雷航行弹道、水下值班定位和上浮弹 道测量的需求，雷载 3D 段必须具有水雷状态感知、 信号体制转 换、超 长 时 间 工 作 的 能 力，并 满 足 段 雷 配型、配重、电磁匹配和抗冲击、抗震动等要求。
现，采用软件抗测量周期模糊算法是不可行。
在保证测量数据量的前提下，最有效的水雷上
浮弹道跟踪定位手段是采用多频水声脉冲编码技
术扩展系统的同步周期，每个编码周期包含多个同
步脉冲信号，编码周期内的同步脉冲信号依据不同
频率脉冲的组合来判别。
考虑水雷海上试验时水声信道资源的占用情
况、水声信号的传播距离和雷载 3D 段水声发射换
能器特性，系统采用 10 kHz ～ 20 kHz 频段内 6 个频 率的编码信号，6 个频率信号可达到 c16 + c26 + c36 +
c46 + c56 + c66 = 63 种组合，取 60 种组合，则信号周期 可扩展为 40 ms × 60 = 2 400 ms，测量周期模糊距离 为 1. 5 m / ms × 2 400 ms = 3. 6 km，在 3 km 测量距离 内，系统将不存在测量周期模糊和同时刻水声脉冲 信号选取的问题。
km × 3 km 海区，水听器的位置由 GPS 坐标、水听器
电缆长度确定，设浮标水听器的位 置 为 Fi （ xi ，yi ， zi ） ，目标位置为 Ms（ xs，ys，zs） ，目标水声脉冲信号到 达第 i 个浮标的传播时延为 tsi，水声传播速度为 c， 根据距离公式有： ( xs － xi )2 + ( ys － yi )2 + ( zs － zi )2 = c2 t2si ； i = 1，2，3，4
（ 1）
式（ 1） 即为球面交汇定位方程，空间三个球面相交
于一点，利用第四个浮标数据判别此点是否为真点。
1. 2 测量周期模糊与多频水声脉冲编码抗模糊定
位方法
短程、高速水雷上浮速度可达到 50 节，系统设
计为当目标速度为 100 节时，目标每运动 2 m 测量
一个点位，则水声脉冲信号同步周期 TS1 为：
另一种测量手段是采用被动跟踪定位技术实 现，利用水听器阵测量上浮水雷的特征频谱实现跟 踪定位功能［2］。但是，因不同水雷的噪声频谱特性 和噪声声源级不同，水雷上浮多普勒效应的影响程 度难以预 测，采 用 被 动 定 位 手 段 一 是 工 程 实 现 困 难、造价高昂，更重要的是跟踪定位精度难以保证。
杜召平 刘百峰
（ 91388 部队，湛江 524022）
摘 要 根据同步水声脉冲测距定位原理，利用水下多信道 GPS 声纳浮标阵-雷载 3D 段定位技术，对上浮水雷进行跟踪定
位。利用多频水声脉冲编码技术扩展水声脉冲发射周期，解决了测量周期模糊与测量数据量匮乏的问题。利用水雷状态感
知和节能技术设计的雷载 3D，段具有工作状态转换和长时间水声信号发射功能。利用球面交汇定位解法建立了系统跟踪定