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船电故木应用研究
Vol.32No.92012.9
多普勒计程仪测速误差分析
熊凯军
(海军驻九江地区军事代表室,江西九江332007)
摘要:阐述了多普勒计程仪测速原理,分析了多普勒计程仪测逮误差来源,提出了减小和修正测速误差
的方法,有效地提高测速精度。
关键词:多普勒计程仪误差分析测速精度
中图分类号:TH824
文献标识码:A
文章编号:1003-4862(2012)09-0030-04
Error Analysis on Doppler Log Measurement
Xiong Kaijun
(Naval Representatives office in Jiujiang Area, Jiujiang 332007, Jiangxi, China)
Abstract: This paper describes the principle of velocity measurement in Doppler log, analyzes the error
sources of Doppler velocity log measurement, and proposes the method of reducing and correcting error in
which the accuracy of measuring velocity is effectively improved.
Keywords: Doppler log; error analysis, accuracy of measuring velocity
0引言
C士
船舶航速的测定,特别是对地航速的测定越
干V。
来越引起人们的重视。大型船舳在进港和靠码头式中,c为声速,v和v分别为声源和观察者相
时,要求的测速精度较高,甚至达到0.01节。对对于介质的运动速度
于水下航行的潜艇,测速也是导航重要手段之一。
特别是水下导弹发射时,潜艇本身的速度将影响
导弹的出水姿态,因此测速尤显重要。传统的压
图1多普勒效应示意图
差和电磁计程仪或由于存在累计误差,或只能测
式(1)描述了观察者接收到的声波频率与声
量对水的相对速度,已不能满足现代导航的要求,源发射频率、声源运动速度、以及观察者的运动
而利用水声信号测速是目前行之有效的方法。本速度之间的关系。当利用多普勒效应测量船舶运
文从多普勒计程仪测速原理出发,分析引起测速动速度时,船舶首先作为声源,海底为观察者
误差的原因,提出改进措施
当声波被海底介质反射时,海底作为声源,而船
舶自身作为观察者。由此得知,在v<1多普勒测速原理
下,接收信号的频率为
多普勒计程仪是利用声波传播的多普勒效应
c+cosa
测量船舶速度。设声源S发射信号的频率为f,
C-vcosa
当声源与观察者O之间存在相对径向运动时(如
其中6为发射频率,为船舶相对于海底的水平
图1),观察者接收到的声波频率为
航行速度,α为波東倾角。将公式(2)作近似,有:
a=2ーf6
cosa
其中称为多普勒频移。
C
收稿日期:2012-02-06
作者简介:熊凯车(1971-),男,硕士。研究方向:
由公式(3)可以看出,当6、c、a已知时,只
舰船安全技术与工程。
需測得a,即可得到船速ν。同时,在一定船速
乃方数据
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船电故木应用研究
下,发射信号频率ん越高,测得的多普勒颊移越
大
图2单波東多普勒计程仪原理
2误差分析及补偿方法
多普勒计程仪系统中影响测速精度的因素很
图3詹纳斯( Janus)配置
多,本文将较为全面地分析各种因素引起的误差,相应地,艉向波束接收的信号频率为
并提出减小、修正及补偿的方法。
8
由多普勒计程仪的测速原理可知,多普動测
速误差主要来源于以下几个方面:
两波束接收回波频率之差为
2.1公式简化误差
4x
多普勒频移公式(3)是简化后的近似公式,并
n2=f1-チ
不是精确的公式。我们对公式(2)进行泰勒展开,近似后为:
式(3)变为:
=4xf0
(10)
。。ツんs+e=Cosa+…(4)此时,相对误差为:
f-4
由上式可见,式(3)只是式(4)舍去了二次项和其他
a_1-x2
Vcos
4.
高次项之后的近似表达式。考虑二次项的较为精
确的多普勒频移表达式应为:
在上述同样参数下,相对误差降至
+ x
=2-f
6=6
(5)
△=0.0025%。可见詹纳斯( Janus)配置基
C
本消除了公式(3)中舍去二次项造成的误差,因此
其中,x=c0s
利用双波束对称配置可以有效减小公式简化造成
的误差
由于公式近似引入的相对误差为:
2.2船舶运动状态不稳定性引起的误差
2x
当安装有多普勒计程仪的船舶航行时,必然
=-n=1-x=x=yca(?受到海面风浪、浪涌的影响,从而引起船舶的上
C
下起伏和摇摆。由公式(3)可知,多普勒频移与波
例如当a=60,=30km时,由于采用了近似東倾角有密切的关系,船舶摇摆引起波倾角的
公式引入的相对误差为
变化,会产生测速误差,降低测量精度
f=0.5%
事实上,任何声纳载体复杂的摆动均可分为
消除这一误差源的方法是采用詹纳斯( Janus)
三种转动(航偏、横摇、纵倾)以及三种平动
分析表明,在六自由度运动方式中,纵倾、横摇
配置,即采用艏向和艉向两个波束,以相同的倾
和上下起伏对于测速误差起主要作用。
角发射相同频率的信号。
当船舶无摇摆与上下起伏时,艏艉向波束测
采用詹纳斯(anus)配置后,艏向波束接收信得的多普勒频率为
号频率为:
1+
(13)
C
万方数据