范校蜜，嚴(yán)家芳，竺江峰

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000）

對(duì)GPS水下定位儀定位的精確性再探究

范校蜜，嚴(yán)家芳，竺江峰＊

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000）

在教材中GPS水下超聲定位實(shí)驗(yàn)中，可以用等價(jià)法計(jì)算出精確地?值。結(jié)果表明：運(yùn)用該方法可以在很大程度上減少實(shí)驗(yàn)誤差，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)的精確度。

GPS；超聲波；定位；等價(jià)法

超聲波已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究［1］、工程技術(shù)［2］、交通管理［3］和醫(yī)療診斷［4］等各方面。對(duì)于GPS水下超聲定位的實(shí)驗(yàn)，教材［5］中詳細(xì)地介紹了實(shí)驗(yàn)方法，但我們?cè)谧鲈搶?shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于測(cè)量棒都有一定的厚度，只要當(dāng)測(cè)量棒圓周軌跡不是在最中心（即θ≠0），φ值都會(huì)有一個(gè)較大的范圍（4°～8°左右），對(duì)于時(shí)間的誤差（最多只有1 μs）可以忽略。這樣不易準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大。為了提高精確度，提出了用等價(jià)法算出φ值的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)算出的φ值對(duì)結(jié)果的精確性做了保證，該方法能有效地提高實(shí)驗(yàn)的精確度［6］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

超聲波遇到兩種物質(zhì)大的分界面時(shí)，由于聲速的不同，按照波動(dòng)的規(guī)律就發(fā)生反射和折射?？梢杂贸暡y(cè)距，和定位［7－8］。在教材所給的實(shí)驗(yàn)原理中，在檢測(cè)時(shí)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)水介的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間，渡越時(shí)間與水中的聲速［9］v相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。由于在該儀器中，利用單片機(jī)編程已把傳輸時(shí)間除過2，因此數(shù)碼顯示器的時(shí)間就是探測(cè)器到被測(cè)物的時(shí)間t，其探測(cè)到的距離［10］如下式所示：L＝vt。

對(duì)于角度φ的值是在換能器旋轉(zhuǎn)角度指示器上直接讀出來的。φ值都會(huì)有一個(gè)較大的范圍（4°～8°左右）。而在用等價(jià)法時(shí)，角度φ的值是通過計(jì)算得來的而不是直接讀出來的。為了驗(yàn)證計(jì)算出的φ值比讀出的φ值更準(zhǔn)確，我們把φ1與φ2的值分別輸入到GPS水下超聲定位儀的軟件［11］中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出的誤差來進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

在FB215型GPS水下超聲定位儀［12］的實(shí)驗(yàn)裝置中，用等價(jià)法探究GPS水下定位儀定位實(shí)驗(yàn)的圖解及原理如下：

圖1 GPS水下定位儀定位實(shí)驗(yàn)圖

在圖1中，設(shè)從換能器B到圓心O的距離為P，渡越時(shí)間為tp。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 定標(biāo)

（1）由于有相應(yīng)的軟件，優(yōu)先考慮溫度法，直接測(cè)量水的的溫度T，該溫度下速度v由軟件可得出。

（2）用儀器中所帶的鐵棒掛在圓柱體容器中心下的螺釘上，記錄圓周半徑r，測(cè)量時(shí)間tp，計(jì)算出長度P。

2.2 運(yùn)動(dòng)方式

（1）讓被測(cè)物作圓周運(yùn)動(dòng)：保持被測(cè)物在橫梁上的位置不變，將橫梁轉(zhuǎn)到θ＝0°，讀出tBD的值，并記錄下來，然后均勻地改變?chǔ)戎?，讓被測(cè)物繞容器中心O作圓周運(yùn)動(dòng)，并在換能器旋轉(zhuǎn)角度指示器上直接讀出各個(gè)的值φ1（原方法），和顯示的時(shí)間tBA，分別記錄下來。最后由tp、tBD和tBA分別計(jì)算出相應(yīng)φ2（等價(jià)法）。

（2）被測(cè)物體作直線運(yùn)動(dòng)：固定橫梁，保持θ值不變，并記錄θ值。讓被測(cè)物沿橫梁作直線運(yùn)動(dòng)。從4 cm起，每移動(dòng)1 cm，分別記錄顯示的時(shí)間tBA和φ1（原方法），再把橫梁轉(zhuǎn)到θ＝0°。從4 cm起，每移動(dòng)1 cm，記錄下對(duì)應(yīng)的tBD。最后由tp、tBD和tBA分別計(jì)算出相應(yīng)距離r所對(duì)應(yīng)的φ2（等價(jià)法）。

2.3 結(jié)果

（3）將所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別輸入到計(jì)算機(jī)的軟件中，該軟件即可自動(dòng)用列表與繪圖的方式給出含實(shí)驗(yàn)結(jié)果（r′，θ′）、理論值（r，θ）、誤差百分比的表格、及運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

3 舉例說明

實(shí)驗(yàn)室的溫度：T＝10.0℃

超聲波聲速：v＝1 341.28 m／s（由軟件得出）

渡越時(shí)間：tp＝89μs

容器半徑：P＝vtp＝11.94 cm（由軟件得出）

表1 圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)量結(jié)果

表2 用φ1得出的結(jié)果（由軟件得出）

表2 表3 用φ2得出的結(jié)果（由軟件得出）

圖1 φ1得出曲線

圖2 φ2得出曲線

4 結(jié) 論

（1）由以上結(jié)果可以清楚發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楸粶y(cè)物體為圓柱體，其反射面為半圓形，超聲波發(fā)射的位置可能在半圓形的任何點(diǎn)上，就可能造成半徑的不相同。這樣不易準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大。在圓周運(yùn)動(dòng)中，半徑是確定的，所以實(shí)驗(yàn)者較多的注意了角度的精確性，而忽略了此時(shí)的半徑并不是真正的半徑，會(huì)有較大誤差。而用等價(jià)法算出的φ值有較高的精確性，如果增加探測(cè)的次數(shù)，再取其平均值那么測(cè)得的結(jié)果將更接近于實(shí)際值。使結(jié)果精密度大大提高。

（2）在實(shí)驗(yàn)中人為調(diào)整換能器角度容易產(chǎn)生較大誤差，如果能夠配置儀器自身的微調(diào)設(shè)備，如螺旋調(diào)微器，可以讀取更精確的數(shù)據(jù)。

（3）另一方面如果被測(cè)物能換成超聲波感應(yīng)裝置［13］，就能很大程度上避免因?yàn)楸粶y(cè)物半徑帶來的誤差，而實(shí)驗(yàn)的靈敏度就更高了。

［1］ 王國宏.鈦及鈦合金相變的超聲波研究［J］.稀有金屬快報(bào)，2002（10）.

［2］ 許發(fā)文，劉志潛.超聲波自動(dòng)水位測(cè)報(bào)儀應(yīng)用于焦作控導(dǎo)工程［J］.治黃科技信息，2002（4）：17-20.

［3］ 張秀再，朱節(jié)中，陳鐘榮.8254在高速公路超聲波測(cè)速中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（29）：111-115.

［4］ 韓霜.新技術(shù)＋新聯(lián)盟：NS發(fā)力超聲波醫(yī)療領(lǐng)域［J］.世界電子元器件，2010（10）.

［5］ 竺江峰，蘆立娟，魯曉東.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［6］ 馬世紅.設(shè)計(jì)性、研究性物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐情況［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2004（11）：24-26.

［7］ 孫存英，俞嘉隆，喬衛(wèi)平.超聲波探測(cè)技術(shù)原理實(shí)驗(yàn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010（1）：31-35.

［8］ 牛原，趙中齡，騰永平.成正維 超聲波專題實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)［J］大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007（3）：31-33.

［9］ 岑敏銳.超聲波在液體中的傳播速度與溫度的關(guān)系［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2008（5）：42-44.

［10］張琛，耿標(biāo).超聲波測(cè)距的原理及設(shè)計(jì)［J］.科技傳播，2010（13）：16-19.

［11］浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院光電研究所研制GPS水下超聲定位儀1.0版，2003.

［12］杭州精科儀器有限公司.GPS聲納定位（FB215型超聲GPS定位演示儀實(shí)驗(yàn)講義）.

［13］最先進(jìn)的IC：超聲波裝置收發(fā)器［J］.電子與電腦，2010（7）：16-19.

The Explore of Positioning Accuracy in the Underwater Positioning System of GPS

FAN Xiao-mi，YAN Jia-fang，ZHU Jiang-feng

（Zhejiang Ocean University，Zhejiang Zhoushan 316000）

In the teaching material in the GPS submarine supersonic localization experiment，we may use the equivalent method to calculate preciselyθValue.The result indicated that it can reduce the experimental error to a great extent using this method，thus enhanced experiment＇s precision greatly.

GPS；ultrasonic；positioning；equivalent method

O 422

A

1007-2934（2011）05-0007-03

2011-06-02

＊通訊聯(lián)系人