总第２２５期
２０１３年第３期 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ １２１
水下目标定位的若干方案对比研究
季晓燕 （华中光电技术研究所一武汉光电国家实验室武汉４３００７４）
摘要论文通过水下目标定位的几种方法对比，给出一种工作稳定可靠，具备较好隐蔽性，定位成功率高，布放、校准作业简单，定位
时间短的方法。 关键词水声；目标定位；隐蔽性
中图分类号ＴＮ９２９．３
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ
ＪＩ Ｘｉａｏｙａｎ （Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃｓ－－Ｗｕｈａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｏｅｌｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔａｒｇｅｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ Ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｈｉｇｈ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ ｓｈｏｒｔ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ，ｔａｒｇｅｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ，ｃｏｎｃｅａｌｅｄ ａｂｉｌｉｔｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＮ９２９．３
１ 引言
美国、法国、俄罗斯等国家自２０世纪６０年代开始研制
水下声学定位系统，其研究目的是为水下试验靶场和深潜
器服务，先后形成了长基线、短基线、超短基线定位系统。
采用测距定位原理，为获得一定的覆盖面积和较高的定位
精度，需按照一定形状一次布设多个（三个以上）应答器形 成海底应答器阵。该类系统覆盖面积小，一次工作时间短，
工作深度较浅。根据靶场具体地理环境和使用特点，可采
取固定岸基电缆供电方式或蓄电池供电方式。如美国达波
弯的基波特鱼雷试验靶场、夏威夷水下试验场等采用的是 岸基供电的长基线定位系统。法国ＯＣＥＡＮＯ长基线定位
系统和俄罗斯ＭＴ一８８机器人长基线系统采用的是电池供 电＿１］。系统能作用距离一般为８～１０ｋｍ（三个应答器），定
位精度５￣１０ｍ，工作深度一般为２０００￣６０００ｍ不等。同时
该种使用方式不考虑也无须考虑隐蔽性、保密性等问题，试
验完毕后遥控收回，目前应用已十分广泛且技术成熟。但
直接为作战舰艇水下提供导航定位服务的系统未见报道。 本文通过对几种方案的对比研究，给出一种工作稳定
可靠，具备较好隐蔽性，定位成功率高；布放、校准作业简
单，定位时间短的方法；并且该装艇设备对潜艇无特殊要 求。
２方案选择
按照导航定位工作原理，有三种基本实现方案，即测伪
距、测距／Ｎ距差和测向测距。
１）方案一：测伪距定位（海底工作站方案）
＊收稿日期：２０１２年９月３日，修回日期：２０１２年１Ｏ月１０日 作者简介：季晓燕，女，工程师，研究方向：信号处理。 这是一种基于测伪距定位原理的方案。其基本设想是 在海底预先布放至少三个水声工作站，站位精确坐标可以
通过大地测量的方法预先标定，为在定位区域内获得较好
的定位解算精度，三个点之间的基线具有适当的夹角。 系统包括水下声导航信号发射系统和潜艇水声定位接
收机组成。发射系统由水声换能器、发射机、高精度原子钟
及控制装置组成。潜艇上装备水声定位接收机由接收水听
器和显示处理装置组成 ｊ。 该系统采用同步工作方式发射水声信号，潜艇被动接
收这些信号可测量潜艇与工作站的伪距，通过伪距交会算
出潜艇的位置，定位精度和发射站之间夹角、时间基准的同
步和守时精度密切相关。该方案在原理上要求水下各工作
站上装备高精度时间基准，并保持精确同步。根据目前的
技术能力预测，该方案可能达到的最大作用距离不大于 ｌＯＯｋｍ［ 。 这种方案的优点是潜艇完全处于被动接收方式，不易
暴露自己。但是由于要在海底工作站不断发射大功率水声
导航定位信号，能源消耗过大，若高精度时钟最小消耗功率
按２４Ｗ估计，采用１２Ｖ电源，连续工作两年，电池容量将达
到３４０００Ａ时。这必将增大水下工作站的体积，随之带来
大容积壳体在大深度下的水密耐压等难题。因此该系统不
宜采用电池供电，必须依靠岸上给水下部分提供电能［４］。
而事实上，我国海岸不具备装备该系统的条件。同时，在我
海岸和岛屿装备该系统其可以达到的作用距离等导航定位
指标也不能满足作战的要求。此外，该方案成本高，本身的
声暴露性大，抗毁性难以保障，研制周期长且技术风险较 大。
１２２ 季晓燕：水下目标定位的若干方案对比研究 总第２２５期
２）方案二：测距定位（长基线定位方案）Ｉ－ｓ］
测距定位方案的原理是在已知点上布放测距应答器，
用户通过向应答器发射测距询问信号，测量得到相对应答
／ 器的距离，通过定位方程解算出询问 ．．５；－２０ ｍ● 点相对于应答器基阵的．Ｘ，ｙ坐标（或
・ ・。大地 括水下定位应答器阵和
● ● 艇用询问／接收机两部分，其中水声定
位应答器阵包括５～７个应答器，如图 图１长基线定位 １所示。应答器由一个沉块、一个水 布阵示意图 密耐压罐及浮体组成。 定位水声应答器阵列预先布设在海底，艇用设备安装
在潜艇上。潜艇通过水下应答器阵自动解算潜艇的地理坐
标并实时显示［６］。
该方案的优点是定位精度高，可达到几十米，覆盖范围
相对较大，一般只要三个海底应答器便可进行定位解算。
但是，要覆盖半径为２０ｋｍ的圆区域，则需布放多个（不少
于七个，结果使成本增加，经济性较差。 ３）方案三：测向测距定位（矢量水听器／应答器方
案）［ ］
该方案的定位原理是应答器布设在一个坐标已知的点
上，潜艇主动发射测距信号，采用矢量水听器接收应答信号
获得潜艇相对于应答器的方位和距离，从而计算出潜艇的
坐标。
该方案的测向和测距任务均由潜艇上的设备完成。在潜
艇上利用艇上询问机发射扩频Ｍ序列编码询问信号，与海底
应答器进行应答，获得潜艇与海底装置的距离，利用矢量水听
器接收同一信号测量海底装置的方位。它的优点是海底设备
相对较为简单，只需具有应答功能。海底应答器中的扩频编码
接收机不参与值班，则可使值班功耗做到很小ｌ８］。
通过上述三方案对比（见附表１），利用潜艇上的矢量
水听器对海底应答器进行测向和测距的方案是较为简单有
效的方案。此时水下应答器上无需同步时钟，而换能器只
需一个收发共用换能器¨９］。加之其电路相对简单，功耗较
低，易于满足长时间工作的要求，其成本也将比其它两种方
案大为降低。在复杂性、难度、研制周期、研制风险、成本等
多种因素中综合考虑，本系统决定选用方案三。
表１方案比较
比较项目 海底工作站 潜艇测向测距布阵方案 定位精度 一般 测向精度一般，定位精度高 测距精度高
潜艇主要设备同步接收机 编码发射机和编码发射机和 接收机、矢量水接收机 听器 水下同步钟 同步钟要求长不需水下同步不需水下同步 时间工作 时钟 时钟
海底装置换能大功率发射换普通声压换能普通声压换能 器 能器 器 器 海底装置功耗极大 小 小 技术难度 大 较小 较小 研制风险 大 低 低 研制周期 长 短 短 成本 高 低 稍高 布放复杂性 大 小ｌ 塞Ｌ—— ３优选方案
根据上节的分析比较，方案三具有较多的优越性，本节
采用该方案进行总体技术设计。该方案在海底布放一个或
多个应答器，并测量它们的地理位置；潜艇通过应答器测量
与应答器之间的距离；潜艇上的矢量水听器测量水下应答
器的方位，最终实现潜艇定位。
分机及系统组成： １）水下应答器：换能器、耐压壳体和电子线路；
２）水声定位仪：矢量水听器、换能器和定位解算显控
装置。 ３）装艇要素：换能器为声×Ｌ一１５０×１５０，矢量水听器
为 ×Ｌ一１５０×１５０，进舱电缆两根。 系统构成框图如图２所示ｌ１ 】。
厂 匦
器 ｉ
发Ｓ
（ｂ）水下应答器组成框图 注：Ｓ１：唤醒信号，ＣＷ编码信号，７ｋＨｚ，０．２ｓ，潜艇发射； ｓ２：唤醒应答信号，Ｍ序列，６￣８ｋＨｚ，０．５ｓ，水下应答器发射 ｓ３：询问信号，Ｍ序列，６－－８ｋＨｚ，０．５ｓ，潜艇发射； Ｓ４：应答信号，Ｍ序列，６￣８ｋＨｚ，０．５ｓ，水下应答器发射。 图２系统构成框图
４结语
采用本定位系统的声源级为１８５ｄＢ，声源级衰减到
１１３ｄＢ所需的传播距离仅为３ｋｉｎ。考虑到潜艇的自噪声级
较低，如设备值为１０ｄＢ，则国外侦察声呐的作用距离也仅
为７ｋｉｎ。 由前文可以得出结论，潜艇不会因装备了水下定位系 统而增加了其暴露性。
参考文献
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（上接第３５页）
５ 基于虚拟基线法对着舰引导雷达探测误
差分析
假定舰载机距离引导雷达的斜距为１６ｋｍ，方位角为
０。，俯仰角为３。，引导雷达的载波波长Ｘ段。雷达接收天线
随舰船摇摆形成４条虚拟基线，天线虚拟基线长度随舰船
摇摆角度成正比关系，最大摇摆角时的虚拟基线长度最大
值为２０ｍ，最大俯仰角误差０．０４。，ＯＡ、ＯＢ、Ｏ（２、ＯＤ四个虚
拟接收天线按图２布置。舰船摇摆时，雷达探测误差与虚
拟基线长度之间的关系如图２所示，引导雷达接收天线摆 幅范围为［一２Ｏｍ，２０ｍ］时，测距误差范围［一６．５ｍ，１０３ｍ］，
测距精度０．７３６ ；俯仰角探测误差［一０．００２５。，０．００２５。］，
测高误差范围［一Ｏ．３ｍ，５．１５ｍ］。
（ｃ）测高误差
图３舰船摇摆幅度与引导雷达探测误差的关系曲线
由图３的分析可以知道，舰艇的摇摆会带来雷达测量
的很大误差，特别是对高度和距离测量影响较大，摇摆幅度
越大误差越大。１５ｋｍ内的测距误差有时可以达到１００ｍ
以上，高度误差可达到５ｍ以上，对角度测量影响小一些。 ６ 结语
本文针对舰船摇摆带来的雷达探测误差，利用无源定
位技术，提出了基于虚拟基线的测量航母摇摆带来雷达探
测误差方法，并建立了误差分析模型。通过仿真结论可以
了解，摇摆对雷达的探测精度带来了较大的影响，特别是斜
距和仰角的误差影响较大。针对摇摆带来的影响，实际的
应用必须采取措施使得舰船摇摆范围达到雷达工作的稳定
精度范围ｌ１ ，这样雷达才能达到引导的精度要求。
参考文献
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