一种UUV水下航速测试方法

杨 松

(大连测控技术研究所，辽宁 大连116013)

0 引 言

水下航速是UUV 水中航行性能的重要参数。UUV 在水中航行时，没有校准自身位置的参照物，从某个确定的位置点出发后，在水下航行就要靠航速、航向做出其轨迹图，确定自己的位置。只有UUV的水下航速具备较高精度，才能在长时间的水下运动过程中不迷失自己的位置，不会误闯危险海域。

本文介绍一种工程实践中简易可行、可直接测试UUV水下航行的测试方法。该方法已经过多次测试，均取得了较好的测试效果。

1 基本方法

在海中任意位置布置1 枚测试声标，发射周期性导航脉冲信号，在UUV 上配备对应的信号接收装置，通过声呐接收信号，利用测量单个声信号传播时间并参照水中声速两者之间的声程，即为距离。

如图1所示。测试信标位于海底固定位置，在m1，m2，m3……等时刻依次发射声信号，水下运动目标对准测试声标定深匀速直航，于行进过程中分别在n1，n2，n3……等时刻接收到对应的声信号。任取其中2 次声信号接收的数据，即可算出水下运动目标的速度。如图2所示假设海区平均声速为c，水下运动目标与测试声标的深度差为h，则水下运动目标速度为:

图1 基本方法中的机动方法示意图Fig.1 Sketch map of motorization method

图2 基本方法中的计算示意图Fig.2 Sketch map of calculation method

2 基本方法的技术实现及精度分析

2.1 计算因子的测量

从式(1)可知，速度解算时需要平均声速c，深度差h，声信号传播时间ni－mi，航行时间ni+1－ni。

平均声速按经验公式代入实测的温度、深度数据计算得到。深度差由实测的海区深度、目标航行深度、声标深度决定。

声信号传播时间、水下运动目标航行时间都由配置在UUV 上的接收机提供。测试声标和接收机在工作前，均通过GPS 设置初始时刻，完成时间的协调统一，使得接收机保存有测试声标每次发出声信号的时刻值，当接收机收到信号时，与保存的信号发射时刻比较，得出信号的传播时间。水下运动目标航行时间为接收机分别接收到2个信号的时间差值。

2.2 测试精度分析

依次分析参与计算的测量因子所引入的测量误差及对速度计算结果的影响程度。

假定UUV 在某区域进行测试，UUV与声标深度差为35 m，航速约10 kn，用20 s的时间从距离600 m 处接近到500 m，并接收到信号。

深度测量。依据市面上的温深仪参数，在数百米的深度量程范围内精度优于千分之一，也就是深度测试误差小于1 m 可轻松实现。根据式(1)，在上述条件下1 m的深度误差对速度的影响量为:

可见，根据这种方法，只要距离值远大于深度值，深度误差的影响很小，可忽略。当距离远大于深度值时，式(1)可化简为

从式(2)可以看出，速度近似为对应时间段内距离差与时间差的比值。

平均声速装订、选择水文条件良好、海区温度平稳的测试条件，利用测得的温深曲线装订平均声速，并用于距离计算，根据经验所引入的测距误差可小于千分之一。

时间测量。目前水声信号检查的技术基本成熟，检查能力高。计时单元采用高精度的石英晶体，每次测试前重新调整状态，仅在测试过程中会形成时间累积误差。以3 天的工作时间计算，对于精度为10-9的晶体时间累积误差3 天后达到最大，为0.259 2 ms，所引入的测距误差为0.39 m。对照式(2)，其影响也有限。

通过以上分析，依据当前的技术水平可实现水下航速的高精度测试。

3 适宜工程应用的测试方法

在实际测试中存在许多工程应用问题，如水域海流对航速的影响，测试试验环境随机因素的干扰，根据该方法是否方便可行，如何判断测试是否有效等。因此，需要对上述基本方法进行补充和完善。

完善后的测试方法及UUV的机动方式如图3所示。在海底布放2 枚频率不同的声标，声标连线与平潮时的流速方向一致，声标之间的连线作为测试段，进入测试段前的一段作为预备段。

图3 测试系统布置及目标机动方式示意图Fig.3 Sketch map of system setting and motorization method

UUV 连续进行3个趟次的航行，依次为顺流、逆流、顺流或者是逆流、顺流、逆流的形式。机动方式的平面投影图如图4所示。因为要在往返2个航向上均进行测试，在测试段两端都存在预备段，测试时以按较远的声标作为测试声标，近处的声标作为导航声标，辅助引导UUV 就位。在预备段，要求2个声标的信号在同一个波束内且角度为0。下面对测试方法进行补充描述。

3.1 静水对地速度的测试

在绝大多数情况下，测试海域中存在海流或潮汐，测得的航速值包含了海流的影响，而非单纯地由目标速度(静水对地速度)。

图4 机动轨迹投影平面示意图Fig.4 Projection of motorization track

若要获取静水对地速度，可在测试选择海流较小区域，避开涨潮落潮等海流变化较大的时刻，并采用往复航行、重复航迹的实施方法。令UUV 在测试段连续往返3 趟，计算3个趟次的平均速度。利用这种方法，在海流慢速变化的海域中，基本可以消除海流对速度测试造成的影响。

式中:v1，v2，v3分别为3 趟次测得的速度值。

如在第1 趟次时，海流等环境因素对速度影响量为v。在第2 趟次反向航行时，海流流速变化了a，则影响量为－(v + a)。在第3 趟次时，间隔时间相同，则海流变化量为2a，对速度的影响为(v +2a)。则按上式平均后，理论上影响量为0。

3.2 UUV的操作

UUV 必须在进入测试段前调整好航行状态，以保证测试段内的匀速直航状态，如图5所示。在UUV就位的后期，在预备段，应达到航向、航速稳定。

图5 UUV 就位示意图Fig.5 Sketch map of UUV perch

提供2 枚频率不同的声标进行引导，可使UUV准确快速完成就位。当UUV 从就位区出发接收2个声标的信号时，即可根据2个声标的舷角推导出UUV相对于测试段的方位，引导UUV 准确就位。当UUV进入预备段后应使接收到的2个声标信号均位于水下运动目标正前方，并在进入测试段后把定航向、航速，不再改变。为保证航迹重复的程度，提高海流抵消的效果，要求UUV 尽量从2 枚声标正上方通过。由于水下航行时没有其他参照物，若UUV 未按要求在进入测试段前调整好航向、航速，就会出现偏离测试段的现象。试验中根据实测的声标与UUV 航迹的正横距离(即接收到的最小距离)推断本航次UUV的质量，确定本航次的有效性。经过试验证明，该操作较易实现，机动方式切实可行。

3.3 试验中环境误差的消除

水下航速测试属于动态测试，每个测量对应的UUV 姿态、环境作用都有所不同，仅在统计意义上存在一个稳定的环境条件。可将该测试视为一种随机平稳过程。通过多个时间上获得的数据平均降低环境误差的影响。因此，在试验中需要保证有足够的数据量，根据航速的不同，可选取1.5～2 n mile的长度作为测试段。式(1)即变化为:

4 结 语

本文测试方法是一种UUV水下航速的直接测试，测试方法简捷直观，测试结果可信。在应用方面，测试获得的当趟测试速度可与同时段其他测试手段的数值进行比对，利用趟次平均获得的静水对地速度可与经过同样处理的其他测试手段的数值测速值比较。

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