深水域入水点复合声学测量性能分析*

王 磊

（1.航天工程大学 北京 100000）（2.中国人民解放军91550部队41分队 大连 116023）

1 引言

近年来，随着航空航天事业向民营企业放开，各类航空航天飞行器种类不断增多，航程、威力不断增大，测试飞行安全性要求较高，由于海上没有意外坠落的安全风险，适于开展测试活动，但海上飞行器落点的测量始终是个难点问题。通过研究分析，飞行器落入水中，会产生带有明显声学特性的信号[1]，通过声学测量设备捕获，可以计算出飞行器入水点位置数据[2]。当前，已经有一些类似工程项目的近海应用和研究理论积累[3～4]，但很难形成普适的研究成果。

多基站交会定位目前主要有两种方式，一种是方位交会，另一种是时差交会，前者因测向误差随距离线性增大不适用于较大的定位范围，但可以实现快速解算，而后者则以信号到达时间差作为测量元素，在较大区域内能保持相对较高的精度，更适用于深海大范围定位[5]。近年来，我国水声定位导航技术在内的相关技术领域，比如海洋环境探测，深海水声探测等均有了很迅速的发展，逐步形成体系化发展趋势[6～8]。

通过研究入水声学特性、海区声信道传播规律以及声学测量设备、测量方案等[9～12]，针对实际工程运用构建测量模型，分析不同声呐测量设备的覆盖能力，仿真分析测量性能及精度，提出实用、高效、可行的深水域测量方案，解决当前面临的飞行器海上入水声学定位问题，并对类似项目提供参考。

2 测量模型

利用目标的海上溅落声对其进行定位属于水下无源定位问题，传统的定位方法是利用多个基站进行交会测量，通常采用纯方位（bearings-only，BO）交会定位或时延差（time difference of arrival，TDOA）定位。

2.1 纯方位定位（BO）

2.2 时差交会定位（TDOA）

2.3 模型假设

根据以上模型，按照一般测量设备性能，采用最精简的组成方案，进行模型假设。

1）方位定位采用两艘船拖带拖曳线列阵声呐在飞行器入水前分别保持与入水方向平行和垂直方向机动，与中心线距离分别为30km和40km。

2）时差交会定位采用三个水听器阵潜标布设在落点测量点为中心的等边三角形上，边长8km；每个潜标锚定于海底，水听器阵悬浮于水下1500m深度，通过凯夫拉绳与海底沉块相连接。

测量设备布设模型示意图如图1所示。

图1 各测量系统布设及潜标设计图

3 测量性能仿真分析

3.1 声呐覆盖能力分析

声呐阵的覆盖能力主要取决于三个因素：一是在海区的声信道传输性能（水声环境）；二是声呐接收换能器的性能（信噪比）；三是声呐基阵的空间分布（布阵设计）。

1992年的《城市防洪工程设计规范》提出在保护区人口数小于20万的条件下，山洪沟设计洪水重现期5年一遇～10年一遇；2010年舟曲特大山洪泥石流灾害发生后，同年9月水利部组织召开了《城市防洪工程设计规范》有关山洪沟、泥石流沟设防标准研讨会，确定保护区人口小于20万，山洪沟治理设计标准为大于等于10年一遇，小于20年一遇，并将上述成果纳入新版《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012）。 因此，建议重点山洪沟治理设防标准一般按10年一遇，对于遭受洪灾损失大、影响严重的山洪沟和位于关键防护部位的抗冲设施可适当提高治理标准，做到漫而不决，冲而不垮。

若采用拖曳线列阵声呐进行测量，由于作用距离超过50km，可实现对测量区域的全覆盖。

若考虑用加装于浮标平台的单个矢量水听器检测（无增益），在上述会聚区声信道条件下，优质因数FOM为90dB，传感器深度小于50m，则单个阵元的有效接收范围为R=3km的圆形区域。图2给出了几种不同基线长度条件下的测量阵覆盖范围分布图，图中由深色到浅色依次代表4个、3个、2个和1个水声浮标可检测飞行器入水声信号的区域。以下分析中记基线长度为L，单个阵元有效接收范围为R。若L ≥ 2R（图2（a）），则不同阵元无交会，不能获取测量参数；若L＜2R（图2（b～d）），L值越小，交会范围越大，但同时对工作区的覆盖率逐渐降低。

图2 正四边形阵测量范围覆盖示意图

表1给出了不同测量阵条件下工作区覆盖率比较。

表1 不同测量阵条件下工作区覆盖率比较

若采用水听器阵潜标进行测量，水听器阵可延伸至水下1500m，则单个阵元的有效检测范围可达到10km，需要获取3组以上时延差信息利用距离差体制解算落点位置。图3给出了正三角形阵的测量范围覆盖示意图。可见，水听器阵潜标测量系统的覆盖能力明显好于机动式声呐浮标测量系统，选取L≤0.85R的布阵即可对5km工作区形成90%以上的覆盖率，具体设计还应结合精度分析结果考虑。

图3 正四边形阵测量范围覆盖示意图

3.2 精度分析

3.2.1 拖曳线列阵

对于拖曳线列阵声呐测量，根据方位交会解算原理，主要误差源变量设置为线列阵声呐测向误差δθ，服从的正态分布，σθ为测向误差标准差，取2°～5°；船只定位误差δp，服从的正态分布，σp为浮标定位误差标准差，取2m。图4给出了几个典型区域的测量效果比较。

图4 拖曳阵声呐测量效果比较

1）考虑飞行器落入预定入水点附近（0，0），取样5000次计算，当σθ取2°时，σX、σZ为0.90km～1.00km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.10km～1.12km；

3）考虑飞行器落入偏离预定入水点1km处且远离声呐方向（1000，1000），取样5000次计算，当σθ取2°时，σX、σZ为0.93～1.00km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.10km～1.15km；

4）考虑飞行器落入偏离预定入水点5km处且靠近声呐方向（-5000，-5000），取样5000次计算，当σθ取2°时，σX、σZ为1.08km～1.10km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.11km～1.12km；

5）考虑飞行器落入偏离预定入水点5km处且远离声呐方向（5000，5000），取样5000次计算，当σθ取2°时，σX、σZ为0.97km～1.05km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.13km～1.16km；

6）考虑飞行器落入靠近声呐方向工作区边缘区域（-8000，0），取样5000次计算，当σθ取2°时，σX、σZ为0.93km～0.94km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.10km～1.12km；

7）考虑飞行器落入远离声呐方向工作区边缘区域（0，8000），取样5000次计算，当σθ取 2°时，σX、σZ为0.99km～1.02km；当σθ取5°时，σX、σZ为1.12km～1.13km。

3.2.2 水听器阵潜标

对于水听器阵潜标测量，根据距离差交会解算原理，主要误差源变量设置为时延差检测误差δτ，服从的正态分布，στ为时延差误差标准差，取50ms；水听器阵站址误差δp，服从的正态分布，σp为水听器阵站址误差标准差，取250m；等效声速误差δc，服从的正态分布，σc为声速误差标准差，取0.1m/s。

表2给出了一组不同基线长度条件下的测量精度仿真结果，假设单个水听器阵的有效检测范围为10km，误差源设置同上。与机动式声呐浮标测量不同的是，水听器阵潜标测量没有冗余测元，必须同时获取3组声信号才能解算入水点位置。若采用6km基线布阵，5km的假设工作区虽能够全面覆盖，但阵外区域所占比较大，精度相对较低，达到300m精度的区域约为30%～35%，500m精度的区域约为60%，1000m精度的区域约97%；若采用10km基线布阵，可明显提升精度水平，但覆盖区域下降，达到300m精度的区域约53%～59%，500m精度的区域约75%，而达到1000m精度的区域的比例也保持这一水平；若采用8km基线布阵，300m精度的区域达到约43%～56%，500m精度的区域达到约80%～85%，达到1000m精度的区域可达97%以上。

表2 典型基阵构型条件下测量精度仿真结果比较

4 结语

在研究飞行器入水声学特性，入水声信号及其传播方式的基础上，按照模型假设，对其测量能力和测量精度进行了分析，主要结论如下。

1）拖曳线列阵声呐进行入水声信号测量检测概率大、便于操作实施，测量特性稳定，测量准实时性较好，汇集两船测量信息可迅速完成解算，在假设模型条件下，定位精度σX、σZ估算为900m～1200m；

2）利用水听器阵潜标测量系统可进行飞行器入水点事后测量，与准实时测量结果相互冗余，提高数据可靠性，在假设模型条件下，300m精度的区域达到约43%～56%，500m精度的区域达到约80%～85%，1000m精度的区域可达97%以上。

综合测量可靠性、易实施性、数据实时性、数据质量等因素，可采用拖曳线列阵声呐和水听器阵潜标测量系统实现深水域入水点定位测量。后续可针对到达声信号进行更有效的估计和减小复杂环境引起的不确定性影响等进一步开展工作，不断跟踪新的水声测量设备发展，优化测量方案，不断提升测量精度，结合各类深远海活动，开展测量活动，获取更多实际数据。