一、应用背景

      矢量水听器在小型水下无人探测平台上应用时，由于海浪、海流、潮汐等因素影响，其姿态会不断变化，进而影响对声矢量信号的探测。为了克服平台运动的影响，可在平台上安装航姿参考系统（Attitude and Heading Reference System, AHRS）来获取平台姿态信息，进而修正矢量水听传感器的姿态变化。但由于柔性悬挂装置的存在，矢量水听器的姿态与平台姿态并不完全一致；此外，当在同一平台上以阵列形式使用多个矢量水听传感器时，每个矢量水听器的姿态也并不完全相同。为了更准确地获取矢量水听传感器的姿态信息，可在矢量水听传感器内部集成微型AHRS，并开展了目标方位测量海上试验。

二、成果展示

该款航姿参考系统AHRS如图1所示，其尺寸仅为20 mm×20 mm×5 mm，重量仅为1.8 g，能够很容易地集成在小型矢量水听器内部。

图1  航姿参考系统AHRS硬件实物

将该微型AHRS第三方测试结果与另外两种AHRS代表性产品进行比较，其主要指标如表1所示。对比可见，本文的微型AHRS具有良好的航向精度、合理的横滚/俯仰角精度、较小的尺寸和重量以及低功耗。

表1  三种航姿参考系统AHRS的主要指标

图2展示了微型AHRS在外径为85 mm的矢量水听器内部集成应用的安装方式。在南海某海域进行了集成AHRS的单矢量水听器目标方位测量海上实验。水听器安装在水下滑翔机上，目标为一艘航速为8kn的小型渔船。

图2  内置微型AHRS系统的矢量水听器结构剖面

实验结果如图3、4所示，未经姿态测量修正的DOA方位角误差均方根值为37.0°，经过姿态测量修正后的DOA方位角误差均方根值为3.8°。矢量水听器对目标船的zui大探测距离约为6 km。

图3   微型航姿参考系统AHRS未修正的目标测向结果

图4   微型航姿参考系统AHRS修正后的目标测向结果

三、总结展望

      本文采用微机电系统（MEMS）陀螺仪测定角速度，用四元数等效旋转矢量算法求解姿态角，采用扩展卡尔曼滤波器对姿态角估计值进行修正，研制了一种基于九轴MEMS传感器的微型AHRS，可以很容易地集成到小型矢量水听器内部，几乎不影响矢量水听器的质心位置。经第三方测试，其航向角测量精度达到0.34°（RMS），横滚、俯仰角测量精度达到0.04°（RMS）。该系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、精度高等优点，不仅适用于矢量水听器，也适用于其他各类矢量型传感器的姿态校正。

四、作者简介

      王文龙，博士研究生学历，海军潜艇学院某研究所助理研究员，入选青年人才托举工程。主要从事水下无人探测技术方面的研究。主持国家和省部级项目5项，发表学术论文30余篇，授权发明专利8项。

      真是青年才俊，前途不可限量！希望王博士往后在水下无人探测技术方面不断地给我们带来惊喜！