沉底爆源大地坐标测量方法

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Research on Geodetic Coordinates M easuring M ethod ofGround Explosion SourceLI Bing，CAO Qing-gang，FANG Yi(The Unit of 91439 PLA，Dalian 1 16041，China)Abstract：The geodetic coordinates positioning of ground explosion source is an important issue in shipshock test.The paper first compares several methods of the measuring system，and then studies the positio-ning precision of shipped short baseline positioning system using numeric simulation.The validation trialshows its convenience and celerity and the measuring method can acquire high positioning precision by se-lecting rational measuring location and repeated measurements。

Key words：ground explosion source；geodetic coordinates；short baseline positioning实船抗冲击试验中，试验爆距控制是保证试验效果、确保试验安全的关键因素，同时，试验爆距的准确测量也是试验数据处理与结果评估的关键判据。因此，被试舰艇与爆源的位置关系测量是舰船实船抗 冲击试验中必须着重解决的问题”。 。在 目前所进行的水面舰艇实船抗冲击试验中，爆源多选用沉底爆源。爆源静态沉底的特性决定了对被试舰艇与爆源的定位测量可采取分步实施的方法，从而降低试验测量复杂程度，简化试验程序，而分步实施的基础是沉底爆源大地坐标的高精度测量，所以，本文重点对沉底爆源大地坐标的测量方法、测量精度等进行分析研究。

l 系统方案设计1.1 总体方案分析从试验需求分析可知，定位测量的目标包括爆源与被试舰，爆源为沉底布放，被试舰为运动状态。在 目前的技术条件下，对被试舰可采用 DGPSl4-5]进行测量，实时测量得到被试舰艇的大地坐标和航向信息。在爆源布放时，通过选择合适的海底底质、合理设计布放设施、适当增加爆源配重等方法，可确保爆源布放后 ，沉于海底不动 ，则对爆源可在测量数据稳定、数据量足够后停止测量，而且，可采用水声与 DGPS联测的方法解算得到沉底爆源的绝对大地坐标。这样，对爆源和被试舰的定位测量就可采取分步实施的方法，先测量解算得到爆源的大地坐标，然后 ，在被试舰航行时，实时测量被试舰位置、航向数据，通过对爆源与被试舰绝对位置的实时处理，解算出爆源与被试舰的相对位置关系。

1.2 沉底爆源定位方案选择目前在水下进行定位和导航最常用的方法是声学方法。

按接收基阵或应答器基阵基线长度的不同，可分为长基线、短基线和超短基线三种声学定位 系统 〖虑系统测量精度问题，重点对长基线、短基线定位方案进行分析。

1)长基线定位方案。对水下 目标的定位问题，长基线收稿日期：2013-03-08作者简介：李兵(1969-)，女 ，高级工程师，主要从事试验测量及数据处理研究。

李 兵，等：沉底爆源大地坐标测量方法 71定位方案可通过在爆源上安装水声应答机，在海底布设多个测量阵元或测量浮标阵 ，通过球面交汇方法测量得到 目标大地坐标。但这种方法需要进行多个基阵阵元的布放、校准、回收，实施复杂。针对沉底 目标定位特点 ，可采用分时长基线的测量方法降低实施复杂度。

如图 1所示 ，在测量船上安装 DGPS、水声换能器、测距仪等设备 ，目标(装有应答器)布放完毕后，测量船围绕应答器绕行 1周，绕行过程中选认适 的测量点，在每个测量点利用测距仪测量测距仪到应答器的传播时延，测距仪的大地坐标 由 DGPS进行 测量，根据球 面交 汇的原理进 行定位解算。

.，Y。，：.)测量点图1 分时长基线定位原理示意2)短基线定位方案。-般短基线定位基阵由 3个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，换能器之间的位置关系精确测定。如图 2所示 ，假设基阵由 3个阵元组成 ，各基元坐标为( ，Y ， )(i1，2，3)，目标位置坐标为( ，y，z)，则可得到定位方程如下 ：(X- ) (Y-Y ) (Z- ) (c ) R ，i：1，2，3 (1)式(1)中，t 为声脉冲从 目标到各基元的传输时间，C为声速。

图2 短基线定位原理示意在实际使用中，为简化系统实现，通成在 目标上安装兼具测深功能的水声应答机，深度信息可通过水声通信方式传送至测量船上的水声测距仪。这样，在工程实现时，即可将船载水声基阵由三阵元减至二阵元，降低实施复杂性。同时，通过在测量船上安装 GPS测量分机及姿态(方位、纵尧横摇)测量装置，可解算得出基阵阵元的大地坐标，通过求解定位方程组，即可得到水下 目标的绝对大地坐标。

3)方案比较。测量方案的确定需结合试验需求、背景条件等方面进行综合分析。由于舰船抗冲击试验具有动用兵力多、实施程序复杂、试验时间相对较长等特点，因此对爆源的定位测量必须达到实施方便、快捷和较高的精度，而且由于爆源为沉底状态，测量范围方圆数百米即可。从前文分析可以看出，分时长基线测量方案需要测量船在多个测量点处停车，等待测量系统完成测量工作 ，实施较为复杂、繁琐。

而船载式短基线测量方案在选定合适测量位置后，即可实现多次重复测量，安装使用方便，成本较低。综合考虑测量范围、实施方便性等因素，采用船载式水声短基线主动工作方式更为适宜。此时，尚需研究的-个重点问题是船载短基线的定位精度问题。

2 短基线定位方案仿真精度分析根据系统定位原理，对短基线水声定位系统的定位精度、有效作用范围等因素进行数值仿真 ]，从而为设备研制方案的确定以及试验测量方案的制定提供参考。仿真 中主要考虑水声测距误差、测深误差、基阵与目标交会态势等因素对系统测量精度的影响，水声测时误差、声速误差统-考虑在水声测距误差中。仿真测量基阵的长度设为10 ITI，测量范围取200 m×200 m，仿真深度取50 m，深度误差从 -l m- 1 ITI、间隔 0.2 in，测距误差以相对误差计，从 -8‰D～8%oD、按间隔 2‰D计算 (D为测量传感器与目标之间距离)。

2.1 测深误差引起的定位误差如图 3所示 ，测深误差对定位误差的影响和目标与测量基阵的垂直距离相关。同样的测深误差情况下，距离基阵越近，定位误差越大，尤其在与测量基阵较近处，即使测距误差为0，较小的测深误差也会引起很大的定位误差；例如测深误差为 -1 m时，在距测量基阵 5 m处的定位误差达 6.14 m；测深误差1 m，在距测量基阵5 in处目标解算甚至无解。因此 ，在测量实施时，应尽量使定位测量基阵与被定位 目标保持-定距离 ，该距离应不小于 20 m。

2.2 测距误差引起的定位误差仿真计算结果表明，当测距误差偏小时，会造成靠近测量基阵中心处定位解算无解；当测距误差偏大时，会造成测量基阵两端延长线处定位解算无解 ，故在结果图像表现上有- 定差异。实际上 ，测深误差为 0时，测距 引起的定位误差形式是基本相同的。通过图4、图5可以看出，在目标位于测量基阵中心的垂线上时，系统定位精度最高。