袁書明，曹忠義

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基于航跡-航深信息的聲學(xué)測速基陣校準技術(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)重點實驗室，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)

針對聲學(xué)多普勒測速儀安裝過程中存在的基陣坐標系與載體坐標系之間的不重合問題，以實際工程應(yīng)用為背景，提出了綜合采用測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方法。利用航偏角校準精度受縱、橫搖偏角影響小的特點，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方程，實現(xiàn)航偏角校準。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。仿真分析了校準算法性能，并通過外場試驗數(shù)據(jù)驗證了校準算法的有效性。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，有效提高了導(dǎo)航精度，具有較好的工程應(yīng)用價值。

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

0 引言

聲學(xué)多普勒測速儀是利用多普勒效應(yīng)，通過估計弱散射回波信號的多普勒頻移信息實現(xiàn)對底絕對/對水相對速度的信息解算。與傳統(tǒng)電磁式、水壓式計程儀相比，具有測速精度高、抗污染能力強、使用穩(wěn)定可靠等特點，是現(xiàn)代聲學(xué)導(dǎo)航[1-4]、水文觀測[5-7]等的重要組成部分。聲學(xué)多普勒測速儀輸出的速度按照參考坐標系的不同，分為儀器坐標系、載體坐標系和大地坐標系三種，分別是基于基陣軸線、載體艏艉線和東-北-天為參考坐標系，各坐標系下的速度信息可通過坐標旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換，以滿足不同的導(dǎo)航功能需求：載體坐標系與大地坐標系之間可利用航姿信息，通過坐標旋轉(zhuǎn)變換操作實現(xiàn)兩個坐標系速度的相互轉(zhuǎn)換；儀器坐標系與載體坐標系之間的旋轉(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，需要通過精確校準獲取，其校準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、平均速度等校準方法受環(huán)境條件的影響嚴重，對載體的航速、航向和航程等均有嚴格限定，且主要解決的是一維航偏角校準問題，其校準精度和校準效率仍不理想[8-11]。為此，文獻[12]提出了一種基于最小二乘的改進校準方法，實現(xiàn)了任意航跡、航速下的安裝誤差校準，但受GPS的高程信息起伏較大、水面校準時的測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，在縱橫搖偏角小于3°時仍能獲得優(yōu)于0.05°的校準精度。文獻[13]提出采用航速-航深校準方法，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精度較低，會直接影響縱橫搖偏的校準結(jié)果，無法滿足大機動平臺高精度水聲導(dǎo)航系統(tǒng)的使用需求。為此，本文以實際工程應(yīng)用為背景，綜合文獻[12]和[13]校準方法，提出采用基于航跡-航深相結(jié)合的校準方法，借助于高精度GPS和姿態(tài)裝置，實現(xiàn)三維安裝偏角的精確校準，仿真和湖上試驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。

1 校準方法

1.1 航偏角校準

通常測速儀輸出的是自身儀器坐標系下的速度，它與大地坐標系速度矢量之間滿足：

1.2 縱橫搖偏角校準

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，校準精度與觀測設(shè)備測量精度密切相關(guān)，直接對式(8)～(11)進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) 測速儀的斜距測量精度為0.2 m。

(a)

(b)

(c)

圖3 姿態(tài)精度對校準性能的影響

(a)

(b)

(c)

3 外場試驗驗證

3.1 試驗場景及設(shè)備安裝

圖5 系統(tǒng)安裝示意圖

3.2 試驗結(jié)果與分析

依據(jù)上述校準方法獲得的三維安裝偏角校準結(jié)果如表1所示。為驗證安裝誤差校準的實際效果，規(guī)劃了矩形和圓形2種測線，比對校準前后測速儀推算航跡與GPS航跡間的重合度，驗證安裝誤差校準的實際效果。矩形測線期間，試驗船在每個矩形邊上以固定航向角航行，進行了2組閉合試驗，航程約9.1 km；圓形測線時試驗船以最大舵角旋轉(zhuǎn)航行，航程約0.75 km。

圖6(a)和圖6(b)為2種測線下的三維航跡對比曲線，其中粉色線為校準前速度儀航跡線，紅色線為校準后速度儀航跡線，黑色線為GPS實際航線。

表1 三維安裝偏角校準結(jié)果

(a) 矩形測線

(b) 圓形測線

圖6 三維航跡線

Fig.6 Three-dimensional tracks

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

表2給出了2種測線終點位置處的導(dǎo)航坐標結(jié)果，其中矩形測線校準前、后導(dǎo)航精度為分別為5.30%、0.13%，圓形測線校準前、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)過校準補償帶來的性能改善，進一步證明了該校準算法的有效性。

表2 兩種測線校準結(jié)果

注：E/m，N/m，U/m分別表示東向、北向和天向坐標值，單位為m。

對比2種測線也可以看出在航行過程期間，校準后的矩形測線與實際測線間的實時測線誤差比率要優(yōu)于圓形測線，作者認為可能是GPS天線與聲學(xué)基陣之間的位置測量誤差造成的，若將位置偏差也作為估計參量可能會改善校準精度，但會增加校準難度，這有待做進一步分析。

(a) 矩形測線

(b) 圓形測線

圖7 水平方向航跡線

Fig.7 Horizontal tracks

(a) 矩形測線

(b) 圓形測線

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工作是提高多普勒速度儀應(yīng)用性能的一個重要環(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，可操作性和校準精度易于保證。湖上9.1 km航程的矩形準閉環(huán)測線和0.75 km航程的圓形準閉環(huán)測線實驗結(jié)果表明：校準后的速度儀航跡推算精度均控制在了0.2%以內(nèi)，驗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，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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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, 高級工程師, 研究方向為船舶導(dǎo)航論證和技術(shù)。

曹忠義, E-mail: caozhongyi@hrbeu.edu.cn