浮標式黑匣子信標定位系統(tǒng)的研制報告

材料費預(yù)算明細表項目名稱：分布式黑匣子水下搜尋定位技術(shù)研究及樣機研制項目負責人：梁國龍金額單位：萬元序號材料名稱單位單價預(yù)計數(shù)量金額與研究任務(wù)的關(guān)系和必要性（一）搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)1模型庫與數(shù)據(jù)庫處理機臺2.812.8用于運行模型庫與數(shù)據(jù)庫，是搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)的載體。（二）信息處理控制子系統(tǒng)1系統(tǒng)綜合顯控處理機臺2.625.2用于顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)及控制搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)。2處理機主機臺2.6525.3聯(lián)合信號處理板對各子系統(tǒng)信息進行處理。3信號處理板塊3.627.2對控制搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)采集的水聲信號進行處理。4主控板塊3.527控制信息處理控制子系統(tǒng)各模塊工作狀態(tài)。（三）通信子系統(tǒng)1通信基站電臺個4.829.6實時接收搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。2通信基站無線電功放個3.727.4對通信基站電臺發(fā)射的無線電信號進行放大，提高作用距離。3通信基站電臺天線只3.2426.48接收及發(fā)射無線電信號，實現(xiàn)通信功能。4北斗指揮機個4.9529.9通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)對搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)的遙控。5北斗指揮機天線只3.627.2接收及發(fā)射北斗衛(wèi)星信號。6基站顯控處理機臺4.829.6對系統(tǒng)內(nèi)各浮標的回傳數(shù)據(jù)進行分類匯總，傳送給信息處理控制子系統(tǒng)。7浮標無線數(shù)傳電臺個0.46209.2安裝于浮標上，用于回傳浮標接收到的聲學(xué)信號。8浮標無線電功放個0.49209.8放大無線電信號，提升作用距離。9浮標無線電天線、饋線只0.4208發(fā)射及接收無線電信號。10浮標通信控制板塊0.42208.4將浮標水聽器陣接收到的聲信號打包發(fā)給無線數(shù)傳電臺。11北斗接收機個0.48209.6接收北斗指揮機發(fā)出的控制指令。（四）搜尋探測子系統(tǒng)1搜尋探測浮標水聽器陣壓電陶瓷片套0.8129.6用于制作搜尋探測浮標水聽器陣。2搜尋探測浮標水聽器陣鍍銀電極片套0.4124.8用于水聽器陣的陶瓷片裝配。3水聽器灌封聚氨酯及粘接劑套0.2122.4用于搜尋探測浮標水聽器陣的粘接與灌封。4搜尋探測浮標水聽器陣水密接插件個0.8129.6用于水聽器陣與承重電纜電連接。5水聽器陣支架個0.7128.4用于固定浮標水聽器陣。6水聽器轉(zhuǎn)接法蘭及緊固件套0.3123.6將水聽器陣支架與承重電纜接插件連接。7信號處理板塊0.75129對水聽器陣接收到的信號進行處理，檢測信標信號的有無。8水聲接收及采集板塊0.8129.6對水聽器陣接收到的信號進行放大濾波處理，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。9數(shù)據(jù)存儲板塊0.75129存儲水聽器陣接收到的信號及浮標運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便事后處理。10電源管理板塊0.8129.6為浮標電子艙內(nèi)各單元提供電源管理功能。11電子艙母板塊0.7128.4連接浮標電子艙內(nèi)各電路板，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。12預(yù)處理及接口處理板塊0.8129.6用于將GPS、深度傳感器和方位姿態(tài)儀數(shù)據(jù)打包傳送給浮標通信控制板。13深度傳感器個0.81129.72用于測量水聽器陣深度。14方位姿態(tài)儀個0.8129.6用于測量水聽器陣的朝向及姿態(tài)。15承重電纜條0.82129.84將水聽器陣與浮標電子艙連接，將電信號傳輸至電子艙中。16承重電纜水密接插件個0.8129.6用于承重電纜與水聽器陣水密接插件的連接。17電池組個0.78129.36為電子艙內(nèi)各單元供電。18電子艙個0.4124.8用于固定搜尋探測浮標內(nèi)部的電路板。19浮體個0.4124.8為浮標提供浮力。20浮標殼體個0.81129.72內(nèi)部安裝電子艙，提供水密保護。21浮標法蘭管個0.6127.2浮標整體支撐機械結(jié)構(gòu)，并固定浮體。22浮標天線架個0.5126與法蘭管連接，用于安裝GPS/BD天線和數(shù)傳電臺天線。23GPS/BD接收機個0.8129.6接收GPS/BD導(dǎo)航數(shù)據(jù)，提供浮標自身經(jīng)緯度信息。24GPS/BD接收機天線只0.55126.6接收GPS/BD衛(wèi)星信號。25航標燈個0.1121.2方便夜間回收浮標作業(yè)。26鉛魚個0.2122.4安裝于水聽器陣底部，與浮體一起保證浮標姿態(tài)。27浮球個0.1242.4為浮標提供額外浮力，供浮標浮力測試之用。28布放浮標絞車臺4.714.7用于布放及回收浮標。29絞盤個0.12121.44安裝于絞車上，用于布放及回收浮標。（五）精確定位子系統(tǒng)1精確定位水聽器陣壓電陶瓷片套1.289.6用于制作精確定位浮標水聽器陣。2精確定位水聽器陣鍍銀電極片套0.483.2用于水聽器陣的陶瓷片裝配。3水聽器灌封聚氨酯及粘接劑套0.281.6用于精確定位浮標水聽器陣的粘接與灌封。4搜尋探測浮標水聽器陣水密接插件個0.886.4用于水聽器陣與承重電纜電連接。5精確定位水聽器陣支架個0.684.8用于固定浮標水聽器陣并與承重電纜連接。6水聽器轉(zhuǎn)接法蘭及緊固件套0.382.4將水聽器陣支架與承重電纜接插件連接。7多通道信號處理板塊1.289.6對水聽器陣接收到的信號進行處理，檢測信標信號的有無。8信號接收及采集板塊1.2389.84對水聽器陣接收到的信號進行放大濾波處理，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。9數(shù)據(jù)存儲板塊1.2489.92存儲水聽器陣接收到的信號及浮標運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便事后處理。10電源管理板塊0.987.2為浮標電子艙內(nèi)各單元提供電源管理功能。11電子艙母板塊1.188.8連接浮標電子艙內(nèi)各電路板，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。12預(yù)處理及接口處理板塊1.1589.2用于將GPS、深度傳感器和方位姿態(tài)儀數(shù)據(jù)打包傳送給浮標通信控制板。13深度傳感器個0.8186.48用于測量水聽器陣深度。14三維姿態(tài)儀個1.289.6用于測量水聽器陣的朝向及姿態(tài)。15承重電纜條1.188.8將水聽器陣與浮標電子艙連接，將電信號傳輸至電子艙中。16承重電纜水密接插件個0.886.4用于承重電纜與水聽器陣水密接插件的連接。17電子艙個0.483.2用于固定精確定位浮標內(nèi)部的電路板。18電池組個1.289.6為電子艙內(nèi)各單元供電。19浮體個0.584為浮標提供浮力。20浮標殼體個0.987.2內(nèi)部安裝電子艙，提供水密保護。21浮標法蘭管個0.684.8浮標整體支撐機械結(jié)構(gòu)，并固定浮體。22浮標天線架個0.584與法蘭管連接，用于安裝GPS/BD天線和數(shù)傳電臺天線。23高精度GPS/BD接收機個1.289.6接收GPS/BD導(dǎo)航數(shù)據(jù)，提供浮標自身經(jīng)緯度信息。24高精度GPS/BD接收機天線只0.886.4接收GPS/BD衛(wèi)星信號。25航標燈個0.180.8方便夜間回收浮標作業(yè)。26鉛魚個0.281.6安裝于水聽器陣底部，與浮體一起保證浮標姿態(tài)。27浮球個0.1161.6為浮標提供額外浮力，供浮標浮力測試之用。（六）海洋水文測量子系統(tǒng)1溫鹽深測量儀個919用于測量溫度和鹽度等水文數(shù)據(jù)，為精確定位系統(tǒng)提供支撐。2聲速剖面儀測量絞車臺414用于吊放溫鹽深測量儀，方便水文測量。（七）配套設(shè)備1電池充電器臺0.351.5給浮標電池充電及保養(yǎng)維護。2浮標功能檢測儀機箱個122內(nèi)部安裝多通道任意波形發(fā)生卡用于快速檢測浮標功能。3多通道任意波形發(fā)生器卡塊4.829.6根據(jù)設(shè)置參數(shù)模擬水聽器陣接收信號，用于快速檢測浮標功能。4浮標功能檢測儀電纜及接插件條144將浮標功能檢測儀與浮標進行連接。5標準聲源發(fā)射換能器個3.5527.1用于模擬發(fā)射信標脈沖信號，8.8kHz和37.5kHz各一個。6發(fā)射換能器承重電纜條3.126.2連接發(fā)射換能器與標準聲源機箱。7標準聲源功放個3.326.6將單通道任意波形發(fā)生器卡產(chǎn)生的信號進行放大，推動換能器發(fā)聲。8單通道任意波形發(fā)生器卡塊2.625.2模擬產(chǎn)生黑匣子信標發(fā)射的脈沖信號，8.8kHz和37.5kHz各一個。9標準聲源機箱個1.8523.7用于安裝單通道任意波形發(fā)生器卡和功放。累計550.8

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h三、報告正文（一）立項依據(jù)1.研制設(shè)備的重要性和必要性2014年3月8日，馬來西亞航空公司MH370航班從吉隆坡機場起飛后，與地面失去聯(lián)系。后證實，MH370航班已失事，墜入海中。截至2016年3月，搜尋過程已持續(xù)2年，超過25個國家參加，但仍未找到失事客機。我國也參與了此次搜救，但未有實質(zhì)性的發(fā)現(xiàn)。這次搜救雖無功而返，卻也暴露了我國對民航失事飛機水下搜尋能力的薄弱，與美國、澳大利亞等國家出動的搜尋設(shè)備相比，我國的搜尋設(shè)備在技術(shù)和手段方面均很落后?，F(xiàn)今，世界上的各種軍用和民用飛機均已安裝駕駛艙話音記錄器(CockpitVoiceRecorder)和飛行數(shù)據(jù)記錄器(FlightDataRecorder)，俗稱為“黑匣子”，尋找失事飛機黑匣子對失事飛機搜救和事故原因分析具有重要意義。駕駛艙話音記錄器主要記錄機組人員和地面的通話，機組人員之間的通話以及駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)的各種聲響等。飛行數(shù)據(jù)記錄儀主要記錄飛機的各種飛行數(shù)據(jù)，包括飛行姿態(tài)、飛行軌跡、飛行速度、加速度、經(jīng)緯度、航向以及作用在飛機上的各種外力，如阻力、升力、推力等共約200多種數(shù)據(jù)，可保留25小時飛行參數(shù)。黑匣子具有極強的抗高溫、抗沖擊、耐壓、耐海水腐蝕能力，即使飛機已完全損壞，黑匣子里德記錄數(shù)據(jù)也能保存完好。為保證飛機失事墜海后仍能找到黑匣子，現(xiàn)在的黑匣子中安裝有水下定位信標(Underwaterlocatorbeacon)，信標在入水后自動激活，發(fā)射周期性脈沖信號，便于在水下實現(xiàn)對黑匣子的定位。圖1所示為Honeywell公司所生產(chǎn)的黑匣子，其中白色箭頭所指就是水下定位信標。圖1Honeywell公司所生產(chǎn)的黑匣子黑匣子所安裝的水下定位信標主要由DukaneSeacom和TeledyneBenthos這兩家公司生產(chǎn)，其外形如圖2(a)和圖2(b)所示。(a)DukaneSeacom公司生產(chǎn)的DK系列水下定位信標(b)TeledyneBenthos公司生產(chǎn)的ELP-362D水下定位信標圖2水下定位信標外形根據(jù)國際自動機工程師學(xué)會（SAEInternational）頒布的AS8045標準和美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒布的TSO-C121a標準規(guī)定，水下定位信標入水后自動激活，發(fā)射聲脈沖信號頻率為37.5kHz，脈沖寬度為9ms，聲源級為160.5dB（dBre1Pa@1m），脈沖重復(fù)周期為0.9個/s，持續(xù)工作時間為30天。由于信標發(fā)射信號頻率較高，且聲源級較低，因此信標作用距離有限，水下搜尋與定位黑匣子難度較大。2009年6月1日，法航447航班在巴西圣佩德羅和圣保羅島嶼附近墜毀，機上人員全數(shù)罹難。事發(fā)后第五天，巴西海軍就找到了飛機的大型殘骸及兩具尸體，但未能在30天內(nèi)找到兩個黑匣子。直到2011年5月才在大西洋海底找到黑匣子，此時搜尋過程已花費2年時間和超過5000萬美元。此次空難后，法航公司建議將黑匣子的信標工作時間由30天延長至90天。隨后，國際自動機工程師學(xué)會和美國聯(lián)邦航空管理局頒布新標準AS8045A和TSO-C121b，規(guī)定2015年3月1日此外，為進一步提高對水下定位信標的探測距離，國際自動機工程師學(xué)會還發(fā)布了AS6254標準，規(guī)定需要在飛行器外殼上直接安裝一個低頻信標，發(fā)射聲脈沖信號頻率為8.8kHz，脈沖寬度為10ms，聲源級為160dB（dBre1Pa@1m），脈沖重復(fù)周期為0.1個/s，持續(xù)工作時間為30天。為搜尋水下定位信標，RJE公司和TeledyneBenthos公司分別生產(chǎn)了相應(yīng)的信標定位儀，如圖3所示。(a)RJE公司生產(chǎn)的PRS-275信標定位儀(b)TeledyneBenthos公司生產(chǎn)的DPL-275XS信標定位儀圖3水下信標定位儀信標定位儀由水聽器、安裝桿、水聲接收機和耳機等部件組成，使用電池供電。在定位時，使用安裝桿將水聽器放于水下，操作員頭戴耳機，將水聲接收機的信號頻率調(diào)整至37.5kHz，手動轉(zhuǎn)動水聽器，通過接收信號的大小來實現(xiàn)對信標的搜尋，搜尋效率較低。此次我國所派出的搜救船只主要裝配了此種定位儀，如圖4所示。圖4我國搜救隊使用信標定位儀搜尋黑匣子除使用標配的信標定位儀外，澳大利亞搜救隊還使用了美國海軍提供的TPL-25拖曳聲波定位儀，如圖5所示。圖5TPL-25拖曳聲波定位儀TPL-25拖曳聲波定位儀安裝有三維電子羅盤、溫度和壓力傳感器、水聽器和帶通濾波器，探測距離約為3km。接收信號頻段為1kHz-50kHz，帶通濾波器的頻率可調(diào)，通過電纜將接收信號傳輸至船上，使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對接收信號進行記錄。搜尋信標時，使用安裝有絞車的船只拖曳這種聲波定位儀，以5節(jié)以下的速度航行，通過控制船只機動，實現(xiàn)對待搜索海域的覆蓋。這種聲波定位儀通過絞車代替了人工操作，大大提高了搜尋效率。此外，澳大利亞還使用了空投聲吶浮標來搜尋信標，通過P-3巡邏機攜帶多枚聲吶浮標，空投至待搜索海域。浮標入水后自動展開，使用水聽器陣對信標信號進行監(jiān)測，將接收到的信號使用無線電回傳到巡邏機上的處理中心。通過多枚聲吶浮標實現(xiàn)對搜索區(qū)域的覆蓋。聲吶浮標如圖6所示。圖6P-3巡邏機裝備的聲吶浮標及其展開結(jié)構(gòu)不論是拖曳聲波定位儀還是聲吶浮標，我國都沒有專用的黑匣子信標搜尋產(chǎn)品。從這次MH370航班搜救過程可以看出，我國在水下黑匣子搜尋與定位領(lǐng)域還存在較為明顯的短板。亡羊補牢，未為晚也。開展水下黑匣子信標搜尋定位技術(shù)與設(shè)備研究非常必要。2．研制內(nèi)容與方案國外已裝備的水下黑匣子搜尋定位設(shè)備大致分為兩類：一類是拖曳式聲波定位儀，另一類是聲吶浮標。使用拖曳式聲波定位儀需要在船只上安裝絞車和相應(yīng)的控制設(shè)備，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；同時，如果聲波定位儀距離船只較近，容易受到行船噪聲的干擾，使得探測信標的能力減弱，作用距離減?。涣硗?，拖曳聲波定位儀進行航行時，航行速度不高，搜索某一海域時，需要進行多次走航，實現(xiàn)對海域的覆蓋，工作時間較長?？胀妒铰晠雀诵枰鰟訉Ｓ玫目胀讹w機，此外，回收浮標時，需要派出船只進行協(xié)同工作。浮標回收后，還需要再次使用飛機進行投放，工作流程較為復(fù)雜。而且，上述儀表均不具備對目標的精確定位能力、這對搜索效能極為不利。因此，我們改變浮標的工作模式，直接采用船只進行布放與回收機制，簡化了工作流程，降低了實施難度，同時增加的精確定位工作模式。2.1系統(tǒng)構(gòu)成分布式黑匣子信標水下搜尋定位系統(tǒng)主要由以下7個部分組成：(1)搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)(2)信息處理控制子系統(tǒng)(3)通信子系統(tǒng)(4)搜尋探測子系統(tǒng)(5)精確定位子系統(tǒng)(6)海洋水文測量子系統(tǒng)(7)配套設(shè)備其中，信息處理控制子系統(tǒng)2套，搜尋探測子系統(tǒng)標準配備為12個浮標/套，可回收使用。精確定位子系統(tǒng)標準配備為6個浮標/套，可回收使用。其余子系統(tǒng)等均為1套。整個系統(tǒng)共計35臺/套設(shè)備，16個軟件功能模塊。各子系統(tǒng)信息關(guān)系圖如圖7所示。圖7子系統(tǒng)信息關(guān)系圖飛機失事后，先使用搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)，根據(jù)歷史航跡、風速、洋流等海洋環(huán)境參數(shù)，經(jīng)模型推算出失事墜毀大致海域，并計算出需布放的搜尋探測浮標數(shù)目和位置。第一階段，使用船只布放多個搜尋探測浮標，搜尋到黑匣子的大致區(qū)域后，將搜尋結(jié)果通過通信子系統(tǒng)上傳至船載信息處理控制子系統(tǒng)。同時使用搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)，計算出需布放精確定位浮標數(shù)目、位置，制定布放方案。第二階段，布放精確定位浮標，測量數(shù)據(jù)并上傳至船載信息處理控制子系統(tǒng)，結(jié)合海域?qū)崟r水文數(shù)據(jù)測量結(jié)果，實現(xiàn)對黑匣子的精確定位。在浮標工作時，通信子系統(tǒng)實現(xiàn)對各個浮標信號的接收和系統(tǒng)工作參數(shù)的監(jiān)測。系統(tǒng)工作流程如圖8所示：圖8系統(tǒng)工作流程圖2.2主要技術(shù)指標探測信標信號頻率：8.8kHz/37.5kHz雙頻可選。系統(tǒng)啟動時間：≤2分鐘（從最后一個浮標布放完成后至系統(tǒng)開始定位搜索為系統(tǒng)啟動時間）。搜索范圍：15km寬度的海域，在2節(jié)流的條件下，每小時搜索范圍54km2。搜索斜距：對37.5kHz信標3000m；對8.8kHz信標5搜索精度：以黑匣子信標為中心直徑1km的圓形區(qū)域。定位精度：斜距的3%。數(shù)傳電臺傳輸距離：≥7km。數(shù)傳電臺工作頻段：2.4GHzISM頻段。浮標連續(xù)工作時間：≥24小時。布放海況要求：不超過4級海況（浪高2.5m以下）。任務(wù)海域風力要求：8級風以下。工作溫度：0~50℃貯存溫度：-20~65℃2.3子系統(tǒng)工作原理2.3搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)，通過飛機歷史航跡數(shù)據(jù)及風速和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用海洋環(huán)境等模型，分析飛機失事海域大致范圍，并根據(jù)計算結(jié)果確定布放搜尋探測浮標個數(shù)和布放坐標。此外，在回收浮標時，使用保障子系統(tǒng)對海上回收船只進行引導(dǎo)，方便回收工作。圖9搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)框圖子系統(tǒng)如圖9所示，主要由以下模塊組成：(1)布放控制支撐模塊：根據(jù)飛機歷史航跡數(shù)據(jù)和風速、海流等參數(shù)，對失事飛機可能所在區(qū)域提供先驗知識。同時，計算得到待搜索海域需要布放搜尋探測浮標的個數(shù)，以及各個浮標的坐標與覆蓋范圍。(2)回收引導(dǎo)模塊：在完成搜索海域后，需要對浮標進行回收。這一模塊可以通過通信子系統(tǒng)獲得各個浮標的位置，為回收浮標提供技術(shù)保障。(3)模型庫模塊：具有海洋環(huán)境分析模型、布放分析計算模型，水聲傳播模型等。海洋環(huán)境分析模型主要是分析海洋水文氣象要素對浮標布放的綜合影響，降低浮標布放誤差，提高浮標搜尋準確率；布放分析計算模型主要是計算搜尋的范圍和布放數(shù)量；水聲傳播模型主要對聲傳播途徑進行模擬，分析單個浮標聽測作用距離，并結(jié)合測量的水文數(shù)據(jù)提高定位精度。(4)綜合信息融合顯示模塊：將各模塊計算的數(shù)據(jù)和信息進行融合綜合顯示，并提供以往相關(guān)案例庫的信息支撐。(5)數(shù)據(jù)庫模塊：存儲多個相關(guān)海域海洋氣象要素和海底地形地貌等相關(guān)數(shù)據(jù)，提供其它模塊工作時的數(shù)據(jù)支持。搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)是一套軟件，可以安裝于數(shù)據(jù)服務(wù)器中。2.3信息處理控制子系統(tǒng)安放于測量母船上，負責分析處理搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)所回傳的數(shù)據(jù)，通過融合各個浮標的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對黑匣子信標的搜尋和定位功能。主要由以下功能模塊組成，如圖10所示：(1)浮標信息融合處理模塊：將多個浮標回傳信息進行融合，對搜尋探測子系統(tǒng)回傳的搜索結(jié)果進行判斷和評估，確定信標所處大致范圍；對精確定位子系統(tǒng)回傳的測量結(jié)果進行融合，實現(xiàn)對信標位置的定位解算。(2)浮標狀態(tài)監(jiān)測控制模塊：用于監(jiān)測各個浮標是否工作正常，能否進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，必要時可以對浮標工作狀態(tài)進行干預(yù)。(3)事后處理分析比對模塊：實時存儲數(shù)據(jù)進行事后案例分析，用于校正模型庫的模型分析精度，為提高搜尋和定位精度提供數(shù)據(jù)支撐。(4)綜合顯控模塊：實現(xiàn)人機接口交互功能，實現(xiàn)對信息處理控制系統(tǒng)的綜合顯示。(5)顯示臺：用于顯示對黑匣子信標的搜尋和定位結(jié)果。(6)通信模塊：實現(xiàn)與通信分系統(tǒng)的信息交互，對各個浮標進行工作狀態(tài)及參數(shù)控制。圖10信息處理控制子系統(tǒng)框圖2.3通信子系統(tǒng)實現(xiàn)搜尋探測子系統(tǒng)、精確定位子系統(tǒng)與信息處理控制子系統(tǒng)之間的通信與信息交互。設(shè)備由浮標上配備的無線數(shù)傳電臺、北斗系統(tǒng)和指揮所配備的通信網(wǎng)絡(luò)控制臺組成。通信子系統(tǒng)框圖如圖11所示，主要由以下功能模塊組成：(1)無線數(shù)傳天線和北斗天線：實現(xiàn)對無線電信號和北斗衛(wèi)星信號的發(fā)射與接收。(2)無線數(shù)傳電臺：用于指揮所與浮標間的無線數(shù)據(jù)交互。(3)北斗指揮機和北斗接收機：用于北斗通信范圍內(nèi)指揮所與浮標間的衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互。(4)通信網(wǎng)絡(luò)控制臺：實現(xiàn)對多個浮標數(shù)傳電臺的信道劃分與網(wǎng)絡(luò)管理功能。圖11通信子系統(tǒng)框圖2.3搜尋探測子系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對黑匣子信標可能海域進行搜索。搜尋探測子系統(tǒng)主要由數(shù)個搜尋探測浮標組成，通過船只布放多個浮標實現(xiàn)對搜索海域的覆蓋。在進行布放前，利用風向、風力、流速，使用海洋環(huán)境模型實現(xiàn)對待搜索海域的模擬，分析計算得到黑匣子的可能范圍，制定浮標布放方案。如圖12所示，假設(shè)待搜索海域的流速為2節(jié)，方向為正北。布放12個搜尋探測浮標，實現(xiàn)對寬度為15km待搜索海域的搜索，每小時搜索能力為54平方公里。當海流使浮標的間距發(fā)生變化，陣型不理想時，可以使用搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)進行計算，回收部分浮標再次布放來進一步完善陣型，提高搜索覆蓋范圍。圖12搜尋探測浮標覆蓋示意圖當檢測到信標發(fā)射的聲信號后，搜尋探測浮標利用空間波束掃描和跟蹤，實現(xiàn)對黑匣子信標位置的粗略定位，以確定精確定位范圍，位置搜尋精度為1km。搜尋探測浮標使用水聽器陣檢測黑匣子上的信標所發(fā)射的聲信號。浮標安裝有GPS/北斗定位模塊和方位姿態(tài)儀，定時將浮標位置和測量結(jié)果使用無線數(shù)傳和北斗數(shù)據(jù)機回傳至通信子系統(tǒng)。典型搜尋探測浮標的結(jié)構(gòu)如圖13所示，主要由GPS/北斗天線、數(shù)傳電臺天線、浮體、電子艙、承重電纜和水聽器陣組成。其中電子艙、承重電纜和水聽器陣是水下部分，浮體用于提高浮標浮力和保持浮標平衡。圖13搜尋探測浮標主要結(jié)構(gòu)及水聽器陣元分布示意圖水聽器陣擬采用17元十字陣，陣元分布如圖13所示。搜尋8.8kHz信標時，使用、、、和所構(gòu)成的5元陣；搜尋37.5kHz信標時，使用、、、、、、、、、、、和所構(gòu)成的13元陣。電子艙是搜尋探測浮標的核心功能部分，它負責對水下聲信號的檢測與處理，記錄GPS/北斗定位系統(tǒng)和方位姿態(tài)儀給出的浮標參數(shù)數(shù)據(jù)以及檢測到的信號參數(shù)，通過無線數(shù)傳電臺和北斗數(shù)據(jù)機與通信子系統(tǒng)進行實時通信，接收并回復(fù)信息處理控制子系統(tǒng)所發(fā)出的指令。電子艙中主要包含聲學(xué)處理單元，通信單元，主控單元，方位姿態(tài)儀（羅經(jīng)），供電單元五個主要部分。聲學(xué)處理單元接收水聽器陣所采集的水下聲信號，使用信號檢測算法及波束掃描方法實現(xiàn)對信標信號有無的判斷，并對目標進行測向。通信單元把信號檢測結(jié)果和GPS/北斗定位數(shù)據(jù)通過數(shù)傳電臺和北斗數(shù)據(jù)機回傳至通信子系統(tǒng)，同時對信息處理控制子系統(tǒng)所發(fā)出的指令進行解析和處理。主控單元負責浮標內(nèi)各功能單元的管理，以及工作狀態(tài)監(jiān)測，并執(zhí)行信息處理控制子系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令。供電單元對電子艙內(nèi)的各單元進行供電，保障系統(tǒng)工作時間。在設(shè)計與研制搜尋探測浮標時，需要考慮以下設(shè)計因素：(1)便于進行布放：使用船只進行浮標布放作業(yè)時，可以使用人力或船載吊車進行布放作業(yè)。因此浮標的體積及重量應(yīng)盡量小。同時為了保障浮標布放后能夠可靠工作，應(yīng)采用密度較小且具有較高強度，又便于加工的材料制作。(2)抗風浪設(shè)計：浮標受風浪的影響會產(chǎn)生搖擺，會直接影響到無線電通信的穩(wěn)定性。通過對浮標浮心和重心的合理設(shè)計，使浮標具有抗風浪、抗傾斜能力，這樣有助于天線保持良好的向上姿態(tài)，提高通信質(zhì)量。(3)防腐蝕和水密設(shè)計：浮標工作在海面上，會受到海洋大氣及海水的侵蝕。因此，浮標殼體和各部分結(jié)構(gòu)件必須做好防腐蝕和密封處理。(4)方位姿態(tài)修正：浮標水聽器陣工作時，受海流影響，其軸線方向?qū)崟r變化，而方位測量結(jié)果受到軸線方向的影響。因此需要使用方位姿態(tài)儀的輸出數(shù)據(jù)對測量結(jié)果進行方位姿態(tài)修正，將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為真實大地坐標下的方位，實現(xiàn)對信標的粗定位。2.3使用搜尋探測子系統(tǒng)對信標粗定位后，可以在初測信標位置附近布放精確定位浮標。精確定位浮標在接收到黑匣子信標所發(fā)射的聲信號后，將信號參數(shù)及浮標姿態(tài)參數(shù)回傳至信息處理控制系統(tǒng)，結(jié)合實測水文數(shù)據(jù)進行定位解算，實現(xiàn)對信標的精確定位。經(jīng)過搜尋探測子系統(tǒng)定位后，黑匣子的范圍應(yīng)縮減至直徑為1km左右的一個圓形區(qū)域內(nèi)。此時可以布放6個精確定位浮標，在直徑為1.5km的圓周上均勻分布，如圖14所示。正常情況下，即可實現(xiàn)對信標的精確定位。如果由于海流的作用，使得陣型分布不理想，可以通過搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)進行計算，回收部分精確定位浮標再次布放來進一步完善陣型，提高定位精度。圖14精確定位浮標典型分布圖經(jīng)理論分析和仿真驗證，對黑匣子精確定位并不需要陣型規(guī)整，只需實時采集浮標當前位置信息，且目標位于對個浮標所覆蓋的區(qū)域即可。由于每個浮標上都裝有GPS/北斗接收機，這個要求不難滿足。因而，通常情況下是不需要重布浮標調(diào)整陣型的。精確定位子系統(tǒng)由數(shù)個精確定位浮標構(gòu)成。單個精確定位浮標主要由高精度水聽器陣、電子艙、浮體、無線電天線和GPS/北斗天線構(gòu)成。電子艙內(nèi)主要包括聲學(xué)定位處理單元、主控單元、通信單元、三維姿態(tài)儀、電臺/北斗數(shù)據(jù)機和供電單元六個部分。聲學(xué)定位處理單元對高精度水聽器陣接收得到的水下聲信號進行采集，并對信標信號進行檢測，測量水聽器陣中各陣元接收到信號的時延差，進行信標位置解算。通信單元負責將聲學(xué)存儲與處理單元得到的測量結(jié)果，結(jié)合浮標自身經(jīng)緯度和三維姿態(tài)儀數(shù)據(jù)，上傳至通信子系統(tǒng)，并對信息處理控制子系統(tǒng)所發(fā)出的指令進行進行解析和處理。主控單元負責浮標內(nèi)各功能單元的管理，以及工作狀態(tài)監(jiān)測，并執(zhí)行信息處理控制子系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令。供電單元對電子艙內(nèi)的各單元進行供電，保障系統(tǒng)工作時間。2.3海洋中的聲傳播受到溫度、深度壓力和鹽度等因素的影響，由于不同深度的聲速不同，產(chǎn)生了聲速梯度，造成聲傳播路徑的彎曲。因此，在對黑匣子信標進行精確定位時，必須要有海洋水文測量系統(tǒng)實時測量水文數(shù)據(jù)。海洋水文測量子系統(tǒng)由溫鹽深測量儀和測量輔助設(shè)備組成，通過船只定點測量得到失事海域不同深度的水文數(shù)據(jù)。為系統(tǒng)使用提供海洋水文數(shù)據(jù)支撐。2.3配套設(shè)備用于對搜尋定位系統(tǒng)的保養(yǎng)及功能測試，主要有以下3類設(shè)備。(1)電池充電器：對搜尋探測浮標和精確定位浮標中電池進行充電，保障系統(tǒng)工作時間。標準配置5臺電池充電器。(2)浮標功能檢測儀：實現(xiàn)對浮標設(shè)備功能的快速檢測，方便日常管理工作。按照功能分為兩種，分別對應(yīng)于搜尋探測浮標和精確定位浮標，每種1臺，共2臺。(3)檢測及校準用標準聲源：用于模擬黑匣子信標的發(fā)射信號，頻率為8.8kHz和37.5KHz，聲源級160.5dB，脈沖寬度為10ms，周期可設(shè)置為1s或1.11s。主要用于測試搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)功能，8.8kHz和37.5kHz各一臺。2.4質(zhì)量保證哈爾濱工程大學(xué)船大工程技術(shù)設(shè)計研究院于2000年通過了ISO9000國際質(zhì)量體系認證和GJB9001A-2000質(zhì)量體系認證，并于2004年雙雙通過2000版換版認證，是國內(nèi)首家通過“雙認證”的大學(xué)，標志著我?？蒲挟a(chǎn)品的質(zhì)量管理已經(jīng)與世界接軌。針對項目的設(shè)計開發(fā)、軟硬件調(diào)試、檢驗與試驗、安裝等過程，將嚴格按照質(zhì)量體系的要求對整個研制過程進行監(jiān)督管理，成立以主管領(lǐng)導(dǎo)掛帥，以主要技術(shù)人員為核心，可靠性、環(huán)境試驗、標準化人員參加的研制任務(wù)組，編制質(zhì)量保證大綱和可靠性保證大綱，規(guī)定產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、試驗全過程的質(zhì)量控制要求，嚴格進行技術(shù)設(shè)計評審，規(guī)范設(shè)計開發(fā)生產(chǎn)活動，以確保產(chǎn)品達到質(zhì)量目標。外購部件采用易購置、系列化、通用化、模塊化標準器件，在保證產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標的前提下，最大限度地采用現(xiàn)行的國家標準和行業(yè)標準。同時，為保證本系統(tǒng)的研制質(zhì)量和提高可靠性，還將采取以下一些措施：(1)采用高性能的電子元器件及水密接插件，以保障設(shè)備的研制質(zhì)量。(2)系統(tǒng)具備完善的自檢功能。具體的自檢措施和手段包括：①信息處理控制子系統(tǒng)通過通信子系統(tǒng)遙控自動檢測各子系統(tǒng)性能，并記錄子系統(tǒng)性能參數(shù)；②信息處理控制子系統(tǒng)可實時在線分析設(shè)備故障，準確定位故障部位；③有故障報警提示；④浮標具有低電壓報警和漏水報警功能。(3)水下結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量簡潔、適用，并具有防碰撞保護措施。設(shè)計上充分考慮了海上作業(yè)人員和設(shè)備的安全，能在4級海況進行浮標安全布放回收。(4)設(shè)備上涉及人身安全的部位，有醒目的安全標志。(5)浮標上配備航標燈，便于夜間監(jiān)控和回收。浮標具有良好的垂直穩(wěn)定性，以保證通信子系統(tǒng)的通信的質(zhì)量和作用距離。(6)軟件編制符合軟件設(shè)計系列標準，顯控程序運行可靠。(7)配套測試設(shè)備、儀表、工具齊全，技術(shù)資料及其它附件完整。(8)產(chǎn)品設(shè)計最大限度地采用現(xiàn)行的國家標準和行業(yè)標準。(9)為保障系統(tǒng)的使用壽命和可靠性，系統(tǒng)各部件及各固緊接插件、接口均采用防銹、防腐蝕材料。(10)系統(tǒng)級輔助設(shè)備包裝箱，采用鋁制包裝箱，堅固耐用，運輸安全、輕便。2.5技術(shù)風險分析本系統(tǒng)采用分布式浮標作為測量主體。浮標陣所采用的主要電子器件平臺在本單位均已是較成熟技術(shù)，已在多次海試中得到驗證。通信子系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸功能也已在海上試驗中得到驗證，技術(shù)風險不大。本單位已成功研制多套基于浮標的水聲定位系統(tǒng)，積累了寶貴而豐富的工程經(jīng)驗，主要關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過了較充分的驗證，大大提升了關(guān)鍵技術(shù)的成熟度，為本系統(tǒng)的研制打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，大大降低了本項目的研制風險。3．擬解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題（特點、難點及創(chuàng)新）分布式黑匣子信標水下搜尋定位系統(tǒng)研制的主要技術(shù)難點有以下4個：(1)搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)中海洋環(huán)境模型的研發(fā)海洋環(huán)境模型以風速，洋流等數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，根據(jù)失事飛機歷史航跡推算搜索海域范圍和相應(yīng)的搜尋浮標布放方案。國內(nèi)尚沒有成熟產(chǎn)品，需要新研開發(fā)，進行相應(yīng)仿真研究，難度相對較大。(2)多個子系統(tǒng)集成，協(xié)同工作研制分布式黑匣子信標水下定位系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬首次，如何實現(xiàn)系統(tǒng)集成，使得多個子系統(tǒng)協(xié)同工作，互相提供支撐，是系統(tǒng)研制工作的主要難點之一，盡管申請人團隊已有良好的技術(shù)儲備，仍需經(jīng)模擬測試和海上實驗驗證。(3)提高搜尋探測子系統(tǒng)的搜尋范圍黑匣子配備的水下定位信標發(fā)射頻率為37.5kHz，發(fā)射功率為160.5dB，該聲信號在水中傳播時能量衰減較快，遠距離大范圍搜尋，需配備較多的水聽器形成陣列，搜尋探測子系統(tǒng)需具備強大的聲學(xué)信號處理能力，同時借助于分布式浮標陣以顯著提高搜尋定位范圍。(4)精確定位子系統(tǒng)定位精度要精準確定黑匣子位置，需要至少三個以上浮標同時接收處理分析黑匣子信標信號。需要研發(fā)高精度的定位解算模型，輔助以高效的浮標方位及姿態(tài)補償技術(shù)才能有效實現(xiàn)，是研制難點之一。4．方案可行性分析針對分布式黑匣子信標水下搜尋定位系統(tǒng)研制的主要技術(shù)難點，提出以下技術(shù)方案。4.1海洋環(huán)境模型研發(fā)方案海洋環(huán)境模型需要以海深和洋流數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，進行大量數(shù)據(jù)分析，建立基于數(shù)據(jù)集的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其中?shù)據(jù)的獲取決定海洋環(huán)境模型的成敗。為盡可能減小研制周期與成本，我們直接使用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）所發(fā)布的海洋地質(zhì)和洋流數(shù)據(jù)庫作為海洋環(huán)境模型研發(fā)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。美國國家海洋和大氣管理局所發(fā)布的數(shù)據(jù)庫包含過去數(shù)十年使用衛(wèi)星，浮標，流速儀測量得到的全球洋流數(shù)據(jù)。是世界上最大的海洋洋流公開數(shù)據(jù)庫，對分析與模擬洋流運動具有重要意義。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提供免費下載，可最大程度的減小海洋環(huán)境模型的研制周期與成本。通過分析數(shù)年的洋流數(shù)據(jù)庫，可以建立一套完善的失事飛機搜索海域與浮標布放方案，盡可能的提高搜尋定位系統(tǒng)的工作效率。4.2多個子系統(tǒng)集成，協(xié)同工作方案分布式黑匣子信標水下定位系統(tǒng)需要多個子系統(tǒng)協(xié)同工作，互相提供支撐。為了最大化提高協(xié)同工作效率，各子系統(tǒng)借助通信子系統(tǒng)進行實時通信與數(shù)據(jù)交換。通信子系統(tǒng)基于無線數(shù)傳電臺和北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計，保證安全可靠的傳達信息處理控制子系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)交互指令，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的精確控制與定位結(jié)果上傳功能。搜尋探測子系統(tǒng)和精確定位子系統(tǒng)內(nèi)部使用GPS/北斗定位模塊提供的秒脈沖信號作為時統(tǒng)，實現(xiàn)多個浮標之間的測量數(shù)據(jù)同步，便于對信標方位與距離進行解算。4.3提高搜尋探測子系統(tǒng)的搜尋范圍現(xiàn)在所裝配的黑匣子定位信標的工作頻段為37.5kHz，根據(jù)球面波傳播損失表達式： 其中為傳播距離（km），在0.5kHz到100kHz頻率范圍內(nèi)的近似表達式為： 經(jīng)過計算可以得到，3km的傳播損失為93.5dB。根據(jù)淺海噪聲譜級的經(jīng)驗公式： 其中為頻率（kHz），S為海況等級。可以計算得到2級海況下，37.5kHz頻段，噪聲譜級為40.2dB/Hz。根據(jù)噪聲級與噪聲譜級的關(guān)系： 可以得到1kHz帶寬內(nèi)，環(huán)境噪聲級為70.2dB。水聽器前端的信噪比為： 計算得到信噪比為-3.2dB。如果采用AS6254標準規(guī)定的8.8kHz聲信標，在5km的距離下，對應(yīng)的傳播損失為79.2dB，1kHz帶寬內(nèi)環(huán)境噪聲級為80.9dB，此時水聽器前端的信噪比為1.7由此看來，如果要提高搜尋探測浮標的作用距離，需要提升信號檢測算法在低信噪比下的性能。信標發(fā)射信號為單頻正弦脈沖信號，擬采用自適應(yīng)線譜增強器（ALE）對其進行處理。自適應(yīng)線譜增強器的結(jié)構(gòu)如圖15所示：圖15自適應(yīng)線譜增強器的結(jié)構(gòu)示意圖其中為輸入信號，是經(jīng)自適應(yīng)線譜增強后的處理結(jié)果輸出，為殘差。當輸入信號為白噪聲加M個正弦信號時，經(jīng)自適應(yīng)線譜增強器處理后，其輸出的信號功率為： 式中， 其中，為第m個正弦信號的輸入信噪比，n為自適應(yīng)線譜增強器階數(shù)，為第m個正弦信號的幅度。輸出的噪聲功率近似為： 其中，為白噪聲的功率。當濾波器長度時，。相應(yīng)輸出的信號功率為： 而噪聲功率則趨于零，輸出信噪比獲得提升。除了使用自適應(yīng)線譜增強技術(shù)對接收脈沖信號進行多周期累計外，還可使用多個水聽器的接收信號進行陣列信號處理，獲取相應(yīng)的空間增益，最大限度的提升對信標信號的檢測能力，擴展搜尋浮標的作用距離。使用N個水聽器進行陣列信號處理時，可獲得的處理增益為： 其中為使用單個水聽器所獲得的處理增益。對于8.8kHz信標，采用5元陣，可獲得增益7dB；對于37.5kHz信標，采用13元陣，可獲得增益11dB，可進一步擴展作用距離。4.4精確定位子系統(tǒng)定位方案4.4.1非同步長基線——超短基線組合定位技術(shù)黑匣子信標自行周期性地發(fā)射聲脈沖信號，水聽器陣接收信號時并不知道信號發(fā)射時刻，只是已知其發(fā)射周期，這種工作模式即是非同步定位模式。對于非同步信標，擬采用長基線——超短基線組合定位技術(shù)。其中，浮標上的水聽器陣使用超短基線定位原理，實現(xiàn)對信標的方位角度測量，多個浮標之間使用長基線定位原理，根據(jù)多個浮標的時延差和方位角度測量結(jié)果，進行幾何交匯，獲得信標位置。具體原理如下：(1)超短基線解算方位角度若3個水聽器位于兩個互相垂直的基線上（即在和軸上），聲信標發(fā)出的信號到基陣原點的聲線與軸及軸的夾角分別為和，如圖16所示。圖16超短基線系統(tǒng)定位解算圖信標距1號水聽器的斜距（即與原點的距離）與信標的坐標，及深度的關(guān)系為： 而 可以得到： 進一步得到： 從而解得信標在軸的位置分量為： 類似地，可得到軸的分量為 其中，和是通過相位差測量而得到的。由于基陣尺寸較小，可認為是遠場接收的情況，即入射到所有陣元的聲線平行。當信號頻率為，即波長時，兩個水聽器接收信號的相位差與信號入射角的關(guān)系為： 測出相位差之后，便可求得，因此有： 由式可知，陣元間的相位差與，有關(guān)。當，接近（即信標在水聽器陣的下方）時，兩陣元間的相位差本身很小。因此，僅使用超短基線定位方式難以達到較高精度。(2)長基線幾何交匯如果有3個浮標接收到信標信號，其幾何關(guān)系如圖17所示，圖173個浮標定位信標幾何關(guān)系圖定位方程為： 化簡后得到： 信標深度未知，此時這一方程組有兩個解，一個在3個浮標構(gòu)成的平面之上，而另一個在這個平面之下。如果有4個浮標接收到信標信號，假定要解的信標位置為定位方程為： 令 定位方程簡化為： 寫為矩陣形式，有 其中： 利用最小二乘法可得到最佳解為： 長基線和超短基線定位方案相結(jié)合，可以最大限度的提高精確定位子系統(tǒng)的定位精度。4.4.2.常規(guī)的水聲定位系統(tǒng)都是利用聲信號到達各水聽器基元的時間差或相位差來計算聲源位置。這種定位方法的理論基礎(chǔ)是聲傳播的自由場模型，并不考慮界面反射的影響。但在實際海洋環(huán)境中，海底和海面的界面反射影響聲傳播，并形成了明顯的相干多途信道，這種環(huán)境下常規(guī)定位系統(tǒng)的性能極易受到影響。在多途信道中，通過聲傳播的射線理論模型，可以計算出由發(fā)射聲源經(jīng)水面和水底反射后到達水聽器的一系列聲線，即本征聲線。圖15給出了淺海中經(jīng)海底和海面一次和兩次反射的本征聲線示意圖，聲源用星形表示，水聽器用實心圓圈表示，本征聲線用實線表示，從圖上可以看出，經(jīng)水底或水面反射的傳播路徑，實際相當于到達水聽器關(guān)于界面的虛像（用空心圓圈表示）的直達路徑，這樣一來，就形成了一個由實水聽器和虛水聽器組成的接收陣，如果能夠估計信道到達這個接收陣各個陣元之間的時延差，便可定位聲源的距離和深度。圖18多途信道中的本征聲線示意圖在圖18中建立柱坐標系(r,z)，r軸與水面重合，由水聽器指向聲源方向，z軸與水面垂直，由水面指向水底方向，水聽器和其虛像均位于z軸上，只考慮直達路徑和經(jīng)水面和水底一次反射的路徑，對應(yīng)的水聽器坐標分別為(0,z1),(0,z2)和(0,z3),聲源位于(rS,zS),水深為D,可以得到如下關(guān)系： 直達波由聲源到達水聽器的時間為，水面反射到達時間為為，水底反射到達時間為為，水中的聲速為c，可以得到如下方程： 令，，可以得到： 即可求得： 因此理想情況下，只要測量得到水深D和水聽器深度z1，再估計出時延差和，即可求得聲源深度zS和距離rS.由于聲信標的發(fā)射頻率和脈寬都已知，求解時延差和的過程實際就是對信道進行估計。借助于高分辨的信道估計算法，可以精確得到時延差和。這時可以直接使用單個定位浮標進行測距，再聯(lián)合多個浮標的測距結(jié)果，實現(xiàn)對信標的定位。在某些條件下，實際海洋環(huán)境并不能等效為理想的多途相干信道，海底反射可能并不存在，此時雖然不能直接對信標進行測距。但借助于高分辨的信道估計算法仍可剔除多途信號的干擾，使用多個水聽器上的直達波進行方位解算，再聯(lián)合多個浮標的方位估計結(jié)果進行交匯，提高定位精度。4.4.3.基于有效聲速的聲線修正技術(shù)海洋介質(zhì)的不均勻性和海洋邊界的存在導(dǎo)致聲線彎曲，影響系統(tǒng)定位精度。引入了“有效聲速”的概念，提出了一種本征聲線視在搜索的水聲信道有效聲速估計方法，該方法可確保復(fù)雜多途到達結(jié)構(gòu)時有效聲速的準確獲取，并避免聲場的頻繁計算。湖海試驗結(jié)果驗證了該方法的合理性和可行性。圖19為某次南海試驗聲速分布、試驗工作態(tài)勢及各個浮標的時延測量結(jié)果。(a)聲速分布(b)試驗工作態(tài)勢(c)測量時延值圖19試驗條件及時延測量結(jié)果圖20給出了上述試驗條件下有效聲速的估計值和測量值，顯然二者的一致性很好。(a)仿真估計(b)實測結(jié)果圖20有效聲速隨距離變化測量結(jié)果將有效聲速引入定位解算模型，代替原來的恒定聲速，可以實現(xiàn)聲線彎曲實時修正，克服聲線彎曲對系統(tǒng)定位精度的影響。圖21為千島湖湖試聲線修正前/后定位結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出，定位精度明顯提高。(a)聲線修正前(b)聲線修正后圖21千島湖湖試聲線修正前后定位結(jié)果對比圖（二）研制基礎(chǔ)及條件1．工作基礎(chǔ)項目申請人曾獲首屆全國百篇優(yōu)秀博士論文、第六屆中國青年科技獎、高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師獎、黑龍江省優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新獎、黑龍江省優(yōu)秀中青年專家、黑龍江省勞動模范稱號，被聘為“龍江學(xué)者”特聘教授，享受國務(wù)院政府特殊津貼。梁國龍教授帶領(lǐng)的“水聲定位與目標探測”團隊于2013年入選黑龍江省級領(lǐng)軍人才梯隊，2014年入選哈爾濱工程大學(xué)首批“興?！睂W(xué)術(shù)團隊。所在團隊多年來開展了合作/非合作目標水聲跟蹤定位、機動式水下目標模擬與對抗、基于運動小平臺的矢量陣被動聲探測等方向的研究。為我國海軍靶場研制了從超短基線、短基線到長基線水聲定位系統(tǒng)，功能涵蓋從高精度彈道導(dǎo)彈測量到高幀率大航程全彈道測量，兼顧合作目標及非合作目標的系列化水聲定位導(dǎo)航裝備；研制了從固定靶、實艇靶到機動靶的系列智能靶標裝備。取得了多項代表國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平的科技成果和一批具有重要軍事意義的應(yīng)用性成果，獲得省部級一等獎1項、二等獎7項、三等獎4項。研制的長基線水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)是國內(nèi)唯一一套能夠完成不同工況條件下的潛艇水下航行機動性能測量的水聲設(shè)備，已在兩型潛艇的海上定型試驗中發(fā)揮了重要作用，于2010年獲得國防科技進步二等獎。研制的水下合作目標高精度定位系統(tǒng)（公開名）是國內(nèi)第一套大范圍、高幀率的分布式浮標陣水聲定位跟蹤設(shè)備，已在多套裝備的戰(zhàn)技性能評價及鑒定中發(fā)揮重要作用，于2011年獲得國防科技進步三等獎。此系統(tǒng)主要用于對加裝合作聲信標的水下目標運動軌跡的跟蹤測量。系統(tǒng)由水聲測量浮標陣、基站、中繼站及輔助設(shè)備（充電器、絞車、信號源、模擬器等）組成。部分浮標實物如圖所示。圖22研制的部分浮標實物水聲測量浮標陣由24個浮標、一套母船基站和一套中繼站組成。基站由主控計算機、綜合處理機組成。主控計算機采用雙機并行處理模式，分別采用同步、非同步跟蹤算法進行定位解算及顯示。綜合處理機具有無線通信、DGPS接收站和時統(tǒng)控制等功能。上述裝備在矢量水聽器技術(shù)、矢量信號處理技術(shù)、低噪聲接收機技術(shù)、實時信號檢測和參數(shù)估計技術(shù)、瞬態(tài)信號檢測和參數(shù)估計技術(shù)、無線電遙控浮標的通信系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計、浮標布放回收技術(shù)等方面擁有良好的技術(shù)儲備，為本系統(tǒng)的成功研制奠定了重要基礎(chǔ)。2．工作條件哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院是水聲專業(yè)科研、教學(xué)等配套完整的單位，擁有國家級水聲技術(shù)重點實驗室和國家級重點學(xué)科——水聲工程?！笆晃濉逼陂g，學(xué)?；I措約2億元資金用于水聲工程學(xué)科硬件設(shè)施建設(shè)，新建一座水聲綜合樓和水聲實驗樓，建筑面積25000平方米，在原有消聲水池、信道水池、重力式水洞和實驗水池的基礎(chǔ)上，又新建了大規(guī)模、現(xiàn)代化的實驗水池和消聲水池，更新了全部實驗設(shè)施，配齊了儀器設(shè)備和條件，可滿足所有的聲學(xué)室內(nèi)實驗和測量條件。目前，本學(xué)科的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的硬件環(huán)境達到國際一流水平，可提供本項目研究相應(yīng)試驗設(shè)施及良好的科研環(huán)境。3．預(yù)期成果和驗收技術(shù)指標預(yù)期研究成果：(1)分布式黑匣子水下信標定位系統(tǒng)樣機1套。(2)發(fā)表SCI或EI檢索論文10篇。(3)申請發(fā)明專利3項。(4)培養(yǎng)博士生3名，碩士生4名。驗收技術(shù)指標：(1)分布式黑匣子水下信標定位系統(tǒng)各子系統(tǒng)工作可靠。(2)搜尋探測子系統(tǒng)搜尋范圍：對37.5kHz信標3000m；對8.8kHz信標5000m(3)精確定位子系統(tǒng)定位精度優(yōu)于斜距的3%驗收方案：技術(shù)指標驗收在海上進行，使用配套設(shè)備中的標準聲源作為待搜尋目標。第一階段，按照搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)計算出的方案布放搜尋探測浮標，所有浮標布放完畢后，使用信息處理控制子系統(tǒng)與各浮標進行通信，回傳測量數(shù)據(jù)后，可實現(xiàn)對作用距離范圍內(nèi)的標準聲源粗定位，確定標準聲源的分布范圍為直徑1km的圓形區(qū)域。第二階段，在第一階段確定區(qū)域附近，使用海洋水文測量子系統(tǒng)測量水文數(shù)據(jù)，并按方案布放精確定位浮標。布放完成后，使用信息處理控制子系統(tǒng)與各浮標進行通信，回傳測量數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)對標準聲源的精確定位。將定位結(jié)果與標準聲源處的DGPS定位結(jié)果進行對比，驗證是否滿足定位精度要求。第三階段，使用搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)中的回收引導(dǎo)功能回收所有浮標，完成海上驗收實驗。4．年度研制計劃2017.1-2017.12：(1)開展系統(tǒng)總體及各子系統(tǒng)詳細技術(shù)設(shè)計；(2)完善設(shè)計方案；2018.1-2018.12：(1)完成各子系統(tǒng)電子平臺硬件設(shè)計；(2)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。(3)完成搜尋定位支撐保障子系統(tǒng)軟件設(shè)計。2019.1-2019.12：(1)完成信息處理控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、搜尋探測子系統(tǒng)、精確定位子系統(tǒng)、海洋水文測量子系統(tǒng)和配套設(shè)備的研制。(2)完成各子系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)試與功能驗證。2020.1-2020.12：(1)完成各子系統(tǒng)之間的聯(lián)調(diào)，測試系統(tǒng)總體功能。(2)完善各子系統(tǒng)功能，準備海上試驗。2021.1-2021.12：(1)進行海上試驗。(2)撰寫海試報告與結(jié)題報告。中期檢查階段性目標：(1)完成各子系統(tǒng)電子平臺硬件研制(2)子系統(tǒng)間可進行正常信息交換5．承擔科研項目情況(1)非合作目標水聲定位關(guān)鍵技術(shù)研究，51279043，國家自然科學(xué)基金面上項目，78萬元，2013-2016，項目負責人，該項目中對強干擾和低信噪比條件下的目標定位方法進行研究，可作為本項目的理論研究基礎(chǔ)。(2)大航程長基線水下導(dǎo)航系統(tǒng)（公開名），海軍某重大工程專項，958萬元，2014-2015，項目負責人，該項目中關(guān)于長基線定位技術(shù)方面的研究可以作為精確定位子系統(tǒng)的技術(shù)儲備。(3)空投目標入水點及水下航跡測量系統(tǒng)（公開名），海軍某重大工程專項，467萬元，2014-2015，項目負責人，該項目使用分布式浮標陣測量目標軌跡，其浮標研制過程可為本項目電子平臺研制積累經(jīng)驗。(4)水下合作目標高精度定位系統(tǒng)（公開名），海軍某重大工程專項，642.9萬元，2014-2015，項目負責人，該項目中的高精度定位解算技術(shù)可為本項目提供技術(shù)儲備。(5)基于運動小平臺的矢量陣近場強干擾抑制技術(shù)研究，61201411，國家自然科學(xué)基金青年基金，26萬元，2013-2015，負責理論指導(dǎo)，該項目研究使用矢量線列陣抑制近場干擾，對本項目研究具有一定參考價值。。(6)基于矢量水聽器陣的被動探測技術(shù)，國防基礎(chǔ)預(yù)研，300萬元，2012-2015，項目負責人，該項目中對主動聲吶脈沖偵查方面的研究，和實際實驗數(shù)據(jù)，可為本項目中搜尋探測子系統(tǒng)研究提供技術(shù)支撐。（三）項目實施管理和保障措施本項目將嚴格按照質(zhì)量體系的要求對整個項目實施過程進行監(jiān)督管理，成立以主管領(lǐng)導(dǎo)掛帥，以主要技術(shù)人員為核心，可靠性、環(huán)境試驗、標準化人員參加的項目組，確保該項目按期順利完成。采用項目總負責人負責制，各研究方向和子系統(tǒng)均有專人負責，項目總負責人負責制定研究計劃，協(xié)調(diào)各研究方向的研究進度。同時，學(xué)校和學(xué)院科技管理部門均有專人負責項目的組織協(xié)調(diào)與監(jiān)督管理，確保項目正常運行。項目組定期召開例會，對研究過程中出現(xiàn)的問題和難點及時發(fā)現(xiàn)，集中討論處理，集思廣益，將項目研究過程中的風險降低到最小。項目組尊重知識產(chǎn)權(quán)，遵守國家各項知識產(chǎn)權(quán)法律法規(guī)，避免侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)，走自主知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新之路。對研究過程中新思路、新方法和新技術(shù)，及時申請相關(guān)專利，提高自主創(chuàng)新能力和核心競爭力。（四）其他需要說明的問題無四、研究成果近5年來已發(fā)表的與本項目有關(guān)的主要論著目錄、獲得專利及學(xué)術(shù)獎勵情況，按以下格式填寫。（1）期刊論文：[1] 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