声学多普勒计程仪测速误差分析与补偿.pdf

第30卷第2期
海洋技术
11年6月
OCEAN TECHNOLOGY
Jun,2011
声学多普勒计程仪测速误差分析与补偿
傅菊英,吴炳昭
1中船重工第七一五研究所,浙江杭州310012;2.海司驻天津地区航保军事代表室,天津300042)
摘要:主要分析了声学多普粉计程仪测误差的主要来源,并针对戟体的葵态误差提出有效的补偿方法,对多
勒计程仪的安载偏差、波東方向误差和电路设计误差等国定误差,通过标定试验给出多普勃计程仪的朴偿系数,并
發证其有效性。
关键词:多普勒;计程仪;测速误差;补偿系数
中图分类号:"TR566
文献标志码:A
文章编号:1003-2029(2011)02-0091-03
声学多普计程仪是利用声学多普勒原理来测量海窕因为载体姿态的变化相对于声脉冲信号的回波时间是个慢
相对于载体的速度和深度、其基本原理是利用水声换能器向变化,可以认为在同一发射周期内载体姿态保持一致,并通
海底或海水介质发射特定频率的定向声脉冲信号(4个不同过姿态补偿方法减少多普勒计程仪由姿态变化引起的误差。
方向),并接收从海底或海水中声波散射体上反射的回波信
假定载体艏向的速度为,横向速度为垂向速度为
号,通过分析4个波束回波信号的多普勒信息,从而得到海,发射波東与垂线的夹角为20°,如图1所示建立坐标系。
底或海水參考层对运载器的速度和方向,以及运载器离海设1、3波束的连线方向为X方向,2、4波束的连线方向为Y
底或海水参考层的高度。多普勒计程仪的测速精度直接影响方向。而且方向为纵摇,朴偿角为B;Y方向为横摇,补偿
到导航定位精度,因此分析多普勒计程仪测速误差的来源并角为a;纵摇时埋首为鱼,拾头为正;横摇时向左为负,向右
加以补偿修正是提髙测速精度的关键。
为正。
声学多普勒计稈仪的速误差来源包括声速误差、安装
偏角误差、载体姿态误差、电路设计误差、波束方向误差等
等,其中安装偏角误差、电路设计误差和波束方向误差基本
为固定误差,可以通过标定试验来确定。本文研究的声学多
普勒计程仪的换能器阵为相控换能器阵,采用 JANUS结构
配置,声速差的影响降低为二阶小量,通常认为这些误差
20+8
可以忽略不计,因此卒文主要讨论固定误差的标定和载体姿
态误差的补偿
1多普勒计程仪姿态误差分析和补偿
学多谱勒计程仪是利用声学多普動原理来测量海底
相对于载体速度的,假定水声换能器向海底发射4个不同方
向的定向声脉神倍号( JANUS结构),利用声学多普勒原理分
析每个波束回波信号的多普勒信息,并计算4个波東分别测
量得到的載体速度(の1,b2,03,4),对载体速度的计算本文不
作發述,本文主要针对多普勒计程仪的测速误差进行分析与
补偿
图1计程位测速坐标示意图
由于载体态的变化(纵摇、横摇)将导致多普勒计程仪
测量的偏差,特别是在載体高速航行时不允许有测量偏差。
由图1可推得:
Vr SI(20°+6
s(20°+)=い
收稿日期:2010-10-
(20°一)一C(20°一の
甚金项目:网家高技术研究发展计刘(863计)资助项目
w8in(2°+)ールco8(20°+)=り
(2006AAO9225)
bsin2UーのーCosQ2°-の=ッ
海洋技术
第30卷
其中,m1、2、3、D4为4个被柬分别测量得到的速度值,联
tェ=リCOSc
立方程求解得
=:cos20p-)o20°+6)/sn4°
对采集的数进行整理和处理,用3原则剔除含粗大
w=p:cox(20°-a)-wcos(20a]l/sin40°
(?误差的数据后,分别计算每个航程上由差分CPS和多普勒计
w=-sin@ 0-6, sin(200+)]/sin 40
程仪测得的载体纵向速度和横向速度的平均值
或W=-[sin(20°-c)Wsin(20°)/sin40°(8)
在实际应用中,多普勒计程仪内部安装纵横摇传感器,
实时采集纵横摇信息,进行姿态误差朴偿,对提高测速精度
是非常有效的。
(15)
2多普勒计程仪固定误差的修正
(16)
由于多普勒计程仪的安装偏差、波束方向误差和电略没
计误差等为固定误差,可以通过标定试验来确定并修正。
式中:m、v为每个航程上由差分CPS测得的纵向速度
首先 JANUS结构的4个波東之间的夹角理论上为固定分量和横向速度分量的平均值;aw为每个航程上由多普
值且相等,实际上不可能绝对相等,这个角度偏差会带米
勒计程仪测得的纵向速度分量和横向速度分量的平均值。
定的系统误差;另外电路设计误差也是不可忽视的,如正交
然后计算由差分CPS和多普勒计程仪测得的N个航程
解调信号的相位不一致性,采集信号的零偏等均可能引起系載体纵向速度和横向速度的平均值
统误差。由实验情况分析可知该系统误差可以与速度成近似
比例关系,标定系数为速度的一次方。综合分析标定系数由
(17)
下式确定
U标=Ag+B
在标定试验中,通过不同的测量速度对(9)式进行系数
Wye n i=
(1
标定,标定主要采用与差分CPS的速度比对、航迹拟合的方
(19
法,试验中认为由差分CPS所得到的速度为真值。
试验时选取一开岡水域,载体分别以不同的航速进行分
(20)
段匀速直线航行。在同一航速测量时,载体主机转速应保持
不变,在航稞线上保持规定的航向,误差不超过1°,至少要
式中:の=、分别是由差分CPS测得的N个航程载体的
进行3个有效航程的測速试验。在满足测速精度的前提下立纵向速度和横向速度的平均值;D、分别是由多普勒计程
方程组解算标定系数,并把所得标定系数装订至多普勒计程仪测得的N个航程载体的纵向速度和横向速度的平均值。
仪的内部软件中,作为系统误差的修正。
最后计算多普勒计柽仪的安装偏角P2为
其次,换能器与船艏向的夹角理论上应为零,而实际安
P=57 3y xi-vr
装不可能绝对精确,总有一徽小偏角,此微小偏角也能产生
测速误差,因此针对每一次安装必须对多普勒计程仪进行角
N个航程所得安装偏角的平均值即为安装偏角的修正
度偏差正。
值
在航行试验中,载体在测速线上匀速直航,保持主机转
速恒定。通过实时数据采集软件记录多普勒计程仪的速度、3实验数据分析比对
差分CPS方位信息、罗经航向信息。由差分GPS的方位信息
计算出整个航段的航迹图,并将此轨迹图作为标癯航迹图。
在某次的标定试验中,同时有几套多普勒计程仪进行系
多誓勒计程仪利罗经航向信号解算得到测量航迹图,根据两数标定和角度修正。下面是其中一套多普勒计程仪误差补偿
个航迹图的比较,可以标定出多普勒计程仪的安装偏角
前后的对比(如图2~图3)。
假设载体航迹向和航向的夹角为c,娴
通过对1#计程仪的测速数据分析,得到标定系数:A=
a=β
10)1.0437,B=0,修正角度Q=1.48°。然后代人同一批数据得到
式中:a为载体航迹向与航向的夹角:0为差分GS定位以下比对结果,测速精度有了明显提高
计算求得的航迹向角为罗经测量的航向角。
把所得标定系