MS-100型多傳感器計(jì)程儀設(shè)計(jì)研究

范　鄒1，殷宗亮2

（1.海軍駐九江地區(qū)軍事代表室，江西九江 332007；2.七○七所九江分部，江西九江 332007）

MS-100型多傳感器計(jì)程儀設(shè)計(jì)研究

范鄒1，殷宗亮2

（1.海軍駐九江地區(qū)軍事代表室，江西九江 332007；2.七○七所九江分部，江西九江 332007）

本文針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)程儀存在的不足，提出了一種新型多傳感器計(jì)程儀設(shè)計(jì)方法，具有自主精確組合測(cè)速的特點(diǎn)。

多傳感器計(jì)程儀

0　引言

計(jì)程儀作為普航設(shè)備，用于測(cè)量航速并累計(jì)航程。傳統(tǒng)的計(jì)程儀主要為電磁式、壓差式或多普勒式的單一傳感器計(jì)程儀。單一傳感器方式的計(jì)程儀存在測(cè)速精度低、工作穩(wěn)定性差等局限性。MS-100型多傳感器計(jì)程儀作為新研制的設(shè)備，遵循以下指導(dǎo)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新：

1）分析各種測(cè)速傳感器的工作局限性，通過(guò)互補(bǔ)測(cè)速方式實(shí)現(xiàn)全天候穩(wěn)定持續(xù)不斷的組合測(cè)速；

2）發(fā)展基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的精確測(cè)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主測(cè)速。

1　主要技術(shù)指標(biāo)

1.1主要功能

1）具有對(duì)地測(cè)速功能；

2）具有對(duì)水測(cè)速能力；

3）具有測(cè)流功能；

4）具有對(duì)外發(fā)送航速、航程、狀態(tài)信息功能。

1.2主要性能

1）測(cè)速范圍：-40 kn ～40 kn；2）測(cè)速誤差：不大于0.2 kn或1%（取大值）；3）測(cè)流誤差：不大于0.25 kn或1.5%（取大值）。

2　工作原理

2.1方案組成

MS-100型多傳感器計(jì)程儀組成見(jiàn)下圖。

圖1　多傳感器計(jì)程儀組成

MS-100型多傳感器計(jì)程儀配置了北斗、GPS、聲多普勒換能器共三個(gè)測(cè)速通道。信號(hào)處理器通過(guò)處理這三個(gè)通道的信息獲得最終的速度信息，并通過(guò)對(duì)外接口將相關(guān)信息發(fā)送給不同的用戶。設(shè)備的信息流程說(shuō)明如下：

1）根據(jù)天線的公用技術(shù)，北斗天線、GPS天線可采用天線共用技術(shù)，在必要的情況下，可考慮加入格拉納斯天線。系統(tǒng)配置GPS測(cè)速通道的原因是目前我國(guó)北斗系統(tǒng)暫時(shí)還未做到全球覆蓋，在這些區(qū)域可使用GPS信號(hào)測(cè)速［2］。衛(wèi)星信號(hào)接入相應(yīng)的接收卡進(jìn)行處理；

2）多普勒測(cè)速通道［1］包括換能器基陣和信號(hào)處理器兩部分，多普勒計(jì)程儀主要用來(lái)測(cè)量?jī)删S對(duì)地、水航速，對(duì)地時(shí)工作水深（基陣面起算）小于200 m，對(duì)外接口為直流供電和RS422接口；

3）主儀器是MS-100型多傳感器計(jì)程儀的核心，采用ALLINONE嵌入式計(jì)算機(jī)、觸摸屏技術(shù)，完成計(jì)程儀的操作、顯示、解算、對(duì)外信息發(fā)送等功能；

4）衛(wèi)星信號(hào)處理器采用OEM模組方式，獲得衛(wèi)星信號(hào)后，主要完成其多普勒頻率解算獲得速度信息，對(duì)外接口為直流供電和RS422接口。

2.2使用方式和工作流程

MS-100型多傳感器計(jì)程儀主要有如下三種使用方式：

1）在北斗、GPS、多普勒三者之間，按順序優(yōu)先選擇絕度速度輸出，確保輸出最高質(zhì)量、持續(xù)不間斷的對(duì)地航速；

2）多普勒測(cè)速通道持續(xù)輸出對(duì)水速度，當(dāng)最惡劣情況發(fā)生的時(shí)候，沒(méi)有絕對(duì)速度源，則使用多普勒對(duì)水速度替代絕對(duì)速度對(duì)外輸出；

3）在絕對(duì)速度和相對(duì)速度同時(shí)有效的情況下，對(duì)兩者同步求取矢量差，獲得實(shí)時(shí)洋流速度，并對(duì)外輸出。

2.3設(shè)備布局

MS-100型多傳感器計(jì)程儀由信號(hào)處理器、天線、換能器基陣等主要的3個(gè)部分組成，其中的換能器基陣布置時(shí)，要求距船艏1/3船長(zhǎng)處，是全船流場(chǎng)最為穩(wěn)定的地方，因此測(cè)速傳感器主要集中布置在此，實(shí)際確定具體位置時(shí)，應(yīng)避開(kāi)排、取水口，并且其周圍船底上沒(méi)有任何凹凸物。

信號(hào)處理器則布置在任意導(dǎo)航艙室或部位即可，其距換能器基陣的距離沒(méi)有明顯的限制，但距離天線的位置有一定要求，必要時(shí)可以考慮中繼器之類的技術(shù)措施。

3　關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

MS-100型多傳感器聲計(jì)程儀多普勒部件，直接選用市面上已有的聲多普勒計(jì)程儀，技術(shù)成熟，僅需直接繼承使用，沒(méi)有技術(shù)難度。需重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)與措施在于衛(wèi)星測(cè)速技術(shù)的選取和利用。

常見(jiàn)的衛(wèi)星測(cè)速技術(shù)主要包括卡爾曼濾波，位置求導(dǎo)和直接觀測(cè)多普勒數(shù)值等三種方法。其中卡爾曼濾波方法的測(cè)速精度較高，但理論上較為復(fù)雜。位置求導(dǎo)法的數(shù)學(xué)概念明晰，但精度的提高嚴(yán)重依賴于定位精度，尤其是動(dòng)態(tài)定位時(shí)的多余觀測(cè)值較少，難以保證高精度測(cè)速。多普勒技術(shù)的測(cè)速精度對(duì)位置精度依賴性不強(qiáng)，利用接收機(jī)觀測(cè)到的相位變化率，采用雙差技術(shù)確定速度，易于實(shí)現(xiàn)高精度，避開(kāi)了整周期測(cè)速模糊度問(wèn)題。

MS-100型多傳感器計(jì)程儀的衛(wèi)星測(cè)速部件中，采用衛(wèi)星信號(hào)的直接觀測(cè)多普勒數(shù)值技術(shù)測(cè)速，但同時(shí)也對(duì)其余兩種方法測(cè)速結(jié)果予以解算，確保信息冗余。

眾所周知，利用的衛(wèi)星越多，測(cè)量的結(jié)果越精確。因此，組合GPS和北斗雙星座，是提高系統(tǒng)測(cè)速精度、提高測(cè)速可用性的關(guān)鍵技術(shù)。要解決雙星座利用問(wèn)題，解決兩個(gè)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換、時(shí)鐘轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘誤差問(wèn)題是突破雙星座利用技術(shù)的關(guān)鍵途徑［3］。

4　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)程儀的不足，分析了MS-100型多傳感器計(jì)程儀的方案組成、工作原理、使用方式和工作流程等。介紹了利用新興技術(shù)，發(fā)展基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的自主精確組合測(cè)速技術(shù)的新型計(jì)程儀，探討了未來(lái)計(jì)程儀技術(shù)發(fā)展方向與趨勢(shì)。

［1］ 陳傳欣.船用多普勒計(jì)程儀測(cè)速精度分析.航海技術(shù)，2004，（2）.

［2］ 高音，陳鐸. GPS與船用計(jì)程儀及陀螺羅經(jīng)的關(guān)系.大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，（4）.

［3］ 李峻年，孟士超. 船用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備對(duì)復(fù)合式計(jì)程儀校正的探討. 現(xiàn)代導(dǎo)航，2011，（3）.

Research on Design of MS-100 Multi-sensor Vialog

Fan Zou1，Yin Zongliang2
（1.Naval Representatives Office in Jiujiang，Jiujiang 332007，Jiangxi，China；2.Jiujiang branch of 707th institute，Jiujiang 332007，Jiangxi，China）

Aimed at shortcoming of conditional vialog ,the paper presents a new designing method for a multi-sensor vialog with accurate and independent features.

multi-sensor; vialog

U666

A

1003-4862（2015）09-0060-02

2015-07-09

范鄒（1979-）；男，工程師。研究方向：航海儀器。