聲學(xué)多普勒計程儀測速誤差分析與補償

傅菊英，吳炳昭

(1.中船重工第七一五研究所,浙江 杭州 310012;2.海司駐天津地區(qū)航保軍事代表室,天津 300042)

聲學(xué)多普勒計程儀測速誤差分析與補償

傅菊英1，吳炳昭2

(1.中船重工第七一五研究所,浙江 杭州 310012;2.海司駐天津地區(qū)航保軍事代表室,天津 300042)

主要分析了聲學(xué)多普勒計程儀測速誤差的主要來源，并針對載體的姿態(tài)誤差提出有效的補償方法，對多普勒計程儀的安裝偏差、波束方向誤差和電路設(shè)計誤差等固定誤差，通過標定試驗給出多普勒計程儀的補償系數(shù)，并驗證其有效性。

多普勒；計程儀；測速誤差；補償系數(shù)

聲學(xué)多普勒計程儀是利用聲學(xué)多普勒原理來測量海底相對于載體的速度和深度，其基本原理是利用水聲換能器向海底或海水介質(zhì)發(fā)射特定頻率的定向聲脈沖信號（4個不同方向），并接收從海底或海水中聲波散射體上反射的回波信號，通過分析4個波束回波信號的多普勒信息，從而得到海底或海水參考層相對運載器的速度和方向，以及運載器離海底或海水參考層的高度。多普勒計程儀的測速精度直接影響到導(dǎo)航定位精度，因此分析多普勒計程儀測速誤差的來源并加以補償修正是提高測速精度的關(guān)鍵。

聲學(xué)多普勒計程儀的測速誤差來源包括聲速誤差、安裝偏角誤差、載體姿態(tài)誤差、電路設(shè)計誤差、波束方向誤差等等，其中安裝偏角誤差、電路設(shè)計誤差和波束方向誤差基本為固定誤差，可以通過標定試驗來確定。本文研究的聲學(xué)多普勒計程儀的換能器陣為相控換能器陣，采用JANUS結(jié)構(gòu)配置，聲速誤差的影響降低為二階小量，通常認為這些誤差可以忽略不計，因此本文主要討論固定誤差的標定和載體姿態(tài)誤差的補償。

1 多普勒計程儀姿態(tài)誤差分析和補償

聲學(xué)多普勒計程儀是利用聲學(xué)多普勒原理來測量海底相對于載體速度的，假定水聲換能器向海底發(fā)射4個不同方向的定向聲脈沖信號（JANUS結(jié)構(gòu)），利用聲學(xué)多普勒原理分析每個波束回波信號的多普勒信息，并計算4個波束分別測量得到的載體速度（v1，v2，v3，v4），對載體速度的計算本文不作贅述，本文主要針對多普勒計程儀的測速誤差進行分析與補償。

由于載體姿態(tài)的變化（縱搖、橫搖）將導(dǎo)致多普勒計程儀測量的偏差，特別是在載體高速航行時不允許有測量偏差。因為載體姿態(tài)的變化相對于聲脈沖信號的回波時間是個慢變化，可以認為在同一發(fā)射周期內(nèi)載體姿態(tài)保持一致，并通過姿態(tài)補償方法減少多普勒計程儀由姿態(tài)變化引起的誤差。

假定載體艏向的速度為vx，橫向速度為vy，垂向速度為vz，發(fā)射波束與垂線的夾角為20°，如圖1所示建立坐標系。設(shè)1、3波束的連線方向為X方向，2、4波束的連線方向為Y方向。而且X方向為縱搖，補償角為θ；Y方向為橫搖，補償角為α；縱搖時埋首為負，抬頭為正；橫搖時向左為負，向右為正。

圖1 計程儀測速坐標示意圖

由圖1可推得：

其中，v1、v2、v3、v4為 4 個波束分別測量得到的速度值，聯(lián)立方程求解得：

在實際應(yīng)用中，多普勒計程儀內(nèi)部安裝縱橫搖傳感器，實時采集縱橫搖信息，進行姿態(tài)誤差補償，對提高測速精度是非常有效的。

2 多普勒計程儀固定誤差的修正

由于多普勒計程儀的安裝偏差、波束方向誤差和電路設(shè)計誤差等為固定誤差，可以通過標定試驗來確定并修正。

首先JANUS結(jié)構(gòu)的4個波束之間的夾角理論上為固定值且相等，實際上不可能絕對相等，這個角度偏差會帶來一定的系統(tǒng)誤差；另外電路設(shè)計誤差也是不可忽視的，如正交解調(diào)信號的相位不一致性，采集信號的零偏等均可能引起系統(tǒng)誤差。由實驗情況分析可知該系統(tǒng)誤差可以與速度成近似比例關(guān)系，標定系數(shù)為速度的一次方。綜合分析標定系數(shù)由下式確定：

在標定試驗中，通過不同的測量速度對（9）式進行系數(shù)標定，標定主要采用與差分GPS的速度比對、航跡擬合的方法，試驗中認為由差分GPS所得到的速度為真值。

試驗時選取一開闊水域，載體分別以不同的航速進行分段勻速直線航行。在同一航速測量時，載體主機轉(zhuǎn)速應(yīng)保持不變，在航程線上保持規(guī)定的航向，誤差不超過±1°，至少要進行3個有效航程的測速試驗。在滿足測速精度的前提下立方程組解算標定系數(shù)，并把所得標定系數(shù)裝訂至多普勒計程儀的內(nèi)部軟件中，作為系統(tǒng)誤差的修正。

其次，換能器與船艏向的夾角理論上應(yīng)為零，而實際安裝不可能絕對精確，總有一微小偏角，此微小偏角也能產(chǎn)生測速誤差，因此針對每一次安裝必須對多普勒計程儀進行角度偏差修正。

在航行試驗中，載體在測速線上勻速直航，保持主機轉(zhuǎn)速恒定。通過實時數(shù)據(jù)采集軟件記錄多普勒計程儀的速度、差分GPS方位信息、羅經(jīng)航向信息。由差分GPS的方位信息計算出整個航段的航跡圖，并將此軌跡圖作為標準航跡圖。多普勒計程儀和羅經(jīng)航向信號解算得到測量航跡圖，根據(jù)兩個航跡圖的比較，可以標定出多普勒計程儀的安裝偏角。

假設(shè)載體航跡向和航向的夾角為α，則

式中：α為載體航跡向與航向的夾角；θ為差分GPS定位計算求得的航跡向角；β為羅經(jīng)測量的航向角。

因此分解航跡向速度v得到載體的縱向速度vx和橫向速度vy的標準值為：

對采集的數(shù)據(jù)進行整理和處理，用3σ原則剔除含粗大誤差的數(shù)據(jù)后，分別計算每個航程上由差分GPS和多普勒計程儀測得的載體縱向速度和橫向速度的平均值。

式中：vxci、vyci為每個航程上由差分GPS測得的縱向速度分量和橫向速度分量的平均值；vxli、vyli為每個航程上由多普勒計程儀測得的縱向速度分量和橫向速度分量的平均值。

然后計算由差分GPS和多普勒計程儀測得的N個航程載體縱向速度和橫向速度的平均值。

式中：vxc、vyc分別是由差分GPS測得的N個航程載體的縱向速度和橫向速度的平均值；vxl、vyl分別是由多普勒計程儀測得的N個航程載體的縱向速度和橫向速度的平均值。

最后計算多普勒計程儀的安裝偏角Pi為：

N個航程所得安裝偏角的平均值即為安裝偏角的修正值。

3 實驗數(shù)據(jù)分析比對

在某次的標定試驗中，同時有幾套多普勒計程儀進行系數(shù)標定和角度修正。下面是其中一套多普勒計程儀誤差補償前后的對比（如圖2～圖3）。

通過對1#計程儀的測速數(shù)據(jù)分析，得到標定系數(shù)：A=1.043 7,B=0，修正角度α=1.48°。然后代入同一批數(shù)據(jù)得到以下比對結(jié)果，測速精度有了明顯提高。

把所得標定系數(shù)裝訂至多普勒計程儀的內(nèi)部軟件中，作為系統(tǒng)誤差的修正，然后進行驗證試驗。以下是驗證航行試驗時與GPS的航跡比對圖（如圖4）。

圖2 1#計程儀與GPS的航行軌跡比對示意圖（標定前）

圖3 1#計程儀與GPS的航行軌跡比對示意圖（標定后）

圖4 1#計程儀與GPS的航行軌跡比對示意圖（標定后）

4 結(jié)束語

在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的支持下，研制成功了用于水下運載器的大深度高精度多普勒計程儀工程樣機。高精度多普勒計程儀可應(yīng)用于水下運載器的導(dǎo)航定位，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的速度信息，以修正導(dǎo)航系統(tǒng)由于長時間的速度誤差累積，滿足遠程、長時間航行的導(dǎo)航要求，因此提高多普勒計程儀的測速精度顯得尤為重要。本課題研制的高精度多普勒計程儀通過湖上試驗和海上試驗數(shù)據(jù)的分析和驗證，對多普勒計程儀的固定誤差和姿態(tài)誤差的修正和補償是非常有效的，大大提高了多普勒計程儀的測速精度。

[1]沈斌堅,唐義政.聲學(xué)多普勒海流剖面儀的原理和設(shè)計[J].聲學(xué)與電子工程，2005（1）：1-3.

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[4]Brumley，et al.System and Method for Measuring Wave Directional Spectrum and Wave Height:USA,6052334[P].2001.

Error Analysis and Compensation of Acoustic Doppler Velocity Log

FU Ju-ying1,WU Bing-zhao2
（1.715 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Hangzhou Zhejiang 310012,China;2.Military Representative Office of Navy Headquarters Navigation Guarantee Department in Tianjin,Tianjin 300042,China)

The main sources of error for the acoustic Doppler Velocity Log(DVL)were analyzed.The effective compensation method was proposed to solve the attitude error of vector.The DVL misalignment,beam direction error and circuit design error etc.were compensated through the calibration tests,which verified the effectiveness.

Doppler;velocity log;speed error;compensation coefficient

TB566

A

1003-2029（2011）02-0091-03

2010-10-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2006AA09Z225）