基于航跡-航深信息的聲學(xué)測(cè)速基陣校準(zhǔn)技術(shù)研究

袁書明，曹忠義

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基于航跡-航深信息的聲學(xué)測(cè)速基陣校準(zhǔn)技術(shù)研究

袁書明1，曹忠義2,3

(1. 海軍裝備研究院，北京 100073；2. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

針對(duì)聲學(xué)多普勒測(cè)速儀安裝過程中存在的基陣坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系之間的不重合問題，以實(shí)際工程應(yīng)用為背景，提出了綜合采用測(cè)速儀的速度推算航跡及其波束域斜距信息的三維安裝偏角精確校準(zhǔn)方法。利用航偏角校準(zhǔn)精度受縱、橫搖偏角影響小的特點(diǎn)，采用載體上的高精度全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、姿態(tài)裝置推算航跡建立航偏角觀測(cè)方程，實(shí)現(xiàn)航偏角校準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，利用波束域斜距與縱、橫搖偏角之間的幾何方程，精確解算縱、橫搖偏角。仿真分析了校準(zhǔn)算法性能，并通過外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了校準(zhǔn)算法的有效性。結(jié)果均表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)基陣三維安裝偏角的精確校準(zhǔn)，有效提高了導(dǎo)航精度，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

聲學(xué)多普勒測(cè)速儀；安裝誤差校準(zhǔn)；最小二乘估計(jì)；聯(lián)合校準(zhǔn)

0 引言

聲學(xué)多普勒測(cè)速儀是利用多普勒效應(yīng)，通過估計(jì)弱散射回波信號(hào)的多普勒頻移信息實(shí)現(xiàn)對(duì)底絕對(duì)/對(duì)水相對(duì)速度的信息解算。與傳統(tǒng)電磁式、水壓式計(jì)程儀相比，具有測(cè)速精度高、抗污染能力強(qiáng)、使用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，是現(xiàn)代聲學(xué)導(dǎo)航[1-4]、水文觀測(cè)[5-7]等的重要組成部分。聲學(xué)多普勒測(cè)速儀輸出的速度按照參考坐標(biāo)系的不同，分為儀器坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系三種，分別是基于基陣軸線、載體艏艉線和東-北-天為參考坐標(biāo)系，各坐標(biāo)系下的速度信息可通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換，以滿足不同的導(dǎo)航功能需求：載體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間可利用航姿信息，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換操作實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系速度的相互轉(zhuǎn)換；儀器坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換操作，依賴于基陣與載體之間的安裝偏角，它是一組確定常量，需要通過精確校準(zhǔn)獲取，其校準(zhǔn)精度直接影響水下導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

傳統(tǒng)水下聲吶定標(biāo)、平均速度等校準(zhǔn)方法受環(huán)境條件的影響嚴(yán)重，對(duì)載體的航速、航向和航程等均有嚴(yán)格限定，且主要解決的是一維航偏角校準(zhǔn)問題，其校準(zhǔn)精度和校準(zhǔn)效率仍不理想[8-11]。為此，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于最小二乘的改進(jìn)校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了任意航跡、航速下的安裝誤差校準(zhǔn)，但受GPS的高程信息起伏較大、水面校準(zhǔn)時(shí)的測(cè)速儀垂向速度較小的因素影響，該方法主要用于一維航偏角的精確校準(zhǔn)，在縱橫搖偏角小于3°時(shí)仍能獲得優(yōu)于0.05°的校準(zhǔn)精度。文獻(xiàn)[13]提出采用航速-航深校準(zhǔn)方法，在航偏角估值基礎(chǔ)上，利用線性方程獲取縱橫搖偏角，但該方法的航偏角校準(zhǔn)精度較低，會(huì)直接影響縱橫搖偏的校準(zhǔn)結(jié)果，無法滿足大機(jī)動(dòng)平臺(tái)高精度水聲導(dǎo)航系統(tǒng)的使用需求。為此，本文以實(shí)際工程應(yīng)用為背景，綜合文獻(xiàn)[12]和[13]校準(zhǔn)方法，提出采用基于航跡-航深相結(jié)合的校準(zhǔn)方法，借助于高精度GPS和姿態(tài)裝置，實(shí)現(xiàn)三維安裝偏角的精確校準(zhǔn)，仿真和湖上試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 校準(zhǔn)方法

1.1 航偏角校準(zhǔn)

通常測(cè)速儀輸出的是自身儀器坐標(biāo)系下的速度，它與大地坐標(biāo)系速度矢量之間滿足：

1.2 縱橫搖偏角校準(zhǔn)

利用三角形幾何關(guān)系式可知[13]：

2 仿真結(jié)果與分析

由上述分析可知，校準(zhǔn)精度與觀測(cè)設(shè)備測(cè)量精度密切相關(guān)，直接對(duì)式(8)～(11)進(jìn)行誤差分析無法得到解析結(jié)果，在此采用蒙特卡洛方法仿真分析校準(zhǔn)方法的性能，仿真條件如下：

(1) 設(shè)載體保持直線勻速航行，水平方向速度為5 m/s，垂直方向速度以周期為20 s、振幅為0.05 m/s的正弦規(guī)律起伏，水深為50 m；

(4) 測(cè)速儀的斜距測(cè)量精度為0.2 m。

(a)

(b)

(c)

圖3 姿態(tài)精度對(duì)校準(zhǔn)性能的影響

(a)

(b)

(c)

3 外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)景及設(shè)備安裝

圖5 系統(tǒng)安裝示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)上述校準(zhǔn)方法獲得的三維安裝偏角校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。為驗(yàn)證安裝誤差校準(zhǔn)的實(shí)際效果，規(guī)劃了矩形和圓形2種測(cè)線，比對(duì)校準(zhǔn)前后測(cè)速儀推算航跡與GPS航跡間的重合度，驗(yàn)證安裝誤差校準(zhǔn)的實(shí)際效果。矩形測(cè)線期間，試驗(yàn)船在每個(gè)矩形邊上以固定航向角航行，進(jìn)行了2組閉合試驗(yàn)，航程約9.1 km；圓形測(cè)線時(shí)試驗(yàn)船以最大舵角旋轉(zhuǎn)航行，航程約0.75 km。

圖6(a)和圖6(b)為2種測(cè)線下的三維航跡對(duì)比曲線，其中粉色線為校準(zhǔn)前速度儀航跡線，紅色線為校準(zhǔn)后速度儀航跡線，黑色線為GPS實(shí)際航線。

表1 三維安裝偏角校準(zhǔn)結(jié)果

(a) 矩形測(cè)線

(b) 圓形測(cè)線

圖6 三維航跡線

Fig.6 Three-dimensional tracks

圖7和圖8分別為校準(zhǔn)前、后水平和垂直方向航跡對(duì)比曲線。從圖中可以看出：安裝誤差的影響隨時(shí)間累積增大，未經(jīng)校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)暮桔E線漸漸偏離實(shí)際航線；安裝誤差校準(zhǔn)是有必要的，校準(zhǔn)后能夠明顯改善測(cè)速儀的輸出數(shù)據(jù)質(zhì)量，驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法的有效性。

表2給出了2種測(cè)線終點(diǎn)位置處的導(dǎo)航坐標(biāo)結(jié)果，其中矩形測(cè)線校準(zhǔn)前、后導(dǎo)航精度為分別為5.30%、0.13%，圓形測(cè)線校準(zhǔn)前、后導(dǎo)航精度為分別為16.50%、0.19%，可以明顯看出，安裝偏角誤差經(jīng)過校準(zhǔn)補(bǔ)償帶來的性能改善，進(jìn)一步證明了該校準(zhǔn)算法的有效性。

表2 兩種測(cè)線校準(zhǔn)結(jié)果

注：E/m，N/m，U/m分別表示東向、北向和天向坐標(biāo)值，單位為m。

對(duì)比2種測(cè)線也可以看出在航行過程期間，校準(zhǔn)后的矩形測(cè)線與實(shí)際測(cè)線間的實(shí)時(shí)測(cè)線誤差比率要優(yōu)于圓形測(cè)線，作者認(rèn)為可能是GPS天線與聲學(xué)基陣之間的位置測(cè)量誤差造成的，若將位置偏差也作為估計(jì)參量可能會(huì)改善校準(zhǔn)精度，但會(huì)增加校準(zhǔn)難度，這有待做進(jìn)一步分析。

(a) 矩形測(cè)線

(b) 圓形測(cè)線

圖7 水平方向航跡線

Fig.7 Horizontal tracks

(a) 矩形測(cè)線

(b) 圓形測(cè)線

圖8 垂直方向航跡線

Fig. 8 Vertical tracks

4 結(jié)論

精確的安裝偏角校準(zhǔn)工作是提高多普勒速度儀應(yīng)用性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文綜合利用速度儀的航跡-航深信息獲取聲學(xué)基陣的三維安裝偏角，可操作性和校準(zhǔn)精度易于保證。湖上9.1 km航程的矩形準(zhǔn)閉環(huán)測(cè)線和0.75 km航程的圓形準(zhǔn)閉環(huán)測(cè)線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：校準(zhǔn)后的速度儀航跡推算精度均控制在了0.2%以內(nèi)，驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法適用于各種聲學(xué)多普勒速度儀與載體之間的安裝角度估計(jì)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Study on the calibration of acoustic Doppler velocity transducer based on the dead reckoning and depth

YUAN Shu-ming1, CAO Zhong-yi2,3

(1. Navy Academy of Armament, Beijing 100073, China;2. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China;3. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China)

How to accurately estimate the installation angles between the carrier and the acoustic array is one of the main factors that affect the data quality of acoustic Doppler velocity meter in the application. A joint calibration method based on the trajectory between GPS and velocity meter, the depth of velocity meter is applied to estimate the three-dimensional installation angles. Firstly, based on the characteristic that misalignment pitchand rollshow little impact on misalignment heading, observation equation ofis set up with the use of high-precision GPS and attitude device on carrier, and dead reckoning. And thenis calibrated. Secondly, taking use of the geometric equation between the distance in beam space andor, the exact solution can be obtained. In order to evaluate the performance of the method, the effect caused by the observation equipment is simulated. And field experiment is made to verify its effectiveness. It shows that the method effectively solves the problem of the array installation angles, which can be applied in engineering.

acoustic Doppler velocity meter; calibration of installation error; Least Squares Method; joint calibration method

TB556

A

1000-3630(2017)-05-0431-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.05.006

2016-12-16；

2017-03-11

袁書明(1965－), 男, 安徽碭山人, 博士, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)榇皩?dǎo)航論證和技術(shù)。

曹忠義, E-mail: caozhongyi@hrbeu.edu.cn