MS-100型多傳感器計程儀設計研究

范　鄒1，殷宗亮2

（1.海軍駐九江地區軍事代表室，江西九江 332007；2.七○七所九江分部，江西九江 332007）

MS-100型多傳感器計程儀設計研究

范鄒1，殷宗亮2

（1.海軍駐九江地區軍事代表室，江西九江 332007；2.七○七所九江分部，江西九江 332007）

本文針對傳統計程儀存在的不足，提出了一種新型多傳感器計程儀設計方法，具有自主精確組合測速的特點。

多傳感器計程儀

0　引言

計程儀作為普航設備，用于測量航速并累計航程。傳統的計程儀主要為電磁式、壓差式或多普勒式的單一傳感器計程儀。單一傳感器方式的計程儀存在測速精度低、工作穩定性差等局限性。MS-100型多傳感器計程儀作為新研制的設備，遵循以下指導思想進行設計創新：

1）分析各種測速傳感器的工作局限性，通過互補測速方式實現全天候穩定持續不斷的組合測速；

2）發展基于北斗導航衛星信號的精確測速技術，實現自主測速。

1　主要技術指標

1.1主要功能

1）具有對地測速功能；

2）具有對水測速能力；

3）具有測流功能；

4）具有對外發送航速、航程、狀態信息功能。

1.2主要性能

1）測速范圍：-40 kn ～40 kn；2）測速誤差：不大于0.2 kn或1%（取大值）；3）測流誤差：不大于0.25 kn或1.5%（取大值）。

2　工作原理

2.1方案組成

MS-100型多傳感器計程儀組成見下圖。

圖1　多傳感器計程儀組成

MS-100型多傳感器計程儀配置了北斗、GPS、聲多普勒換能器共三個測速通道。信號處理器通過處理這三個通道的信息獲得最終的速度信息，并通過對外接口將相關信息發送給不同的用戶。設備的信息流程說明如下：

1）根據天線的公用技術，北斗天線、GPS天線可采用天線共用技術，在必要的情況下，可考慮加入格拉納斯天線。系統配置GPS測速通道的原因是目前我國北斗系統暫時還未做到全球覆蓋，在這些區域可使用GPS信號測速［2］。衛星信號接入相應的接收卡進行處理；

2）多普勒測速通道［1］包括換能器基陣和信號處理器兩部分，多普勒計程儀主要用來測量兩維對地、水航速，對地時工作水深（基陣面起算）小于200 m，對外接口為直流供電和RS422接口；

3）主儀器是MS-100型多傳感器計程儀的核心，采用ALLINONE嵌入式計算機、觸摸屏技術，完成計程儀的操作、顯示、解算、對外信息發送等功能；

4）衛星信號處理器采用OEM模組方式，獲得衛星信號后，主要完成其多普勒頻率解算獲得速度信息，對外接口為直流供電和RS422接口。

2.2使用方式和工作流程

MS-100型多傳感器計程儀主要有如下三種使用方式：

1）在北斗、GPS、多普勒三者之間，按順序優先選擇絕度速度輸出，確保輸出最高質量、持續不間斷的對地航速；

2）多普勒測速通道持續輸出對水速度，當最惡劣情況發生的時候，沒有絕對速度源，則使用多普勒對水速度替代絕對速度對外輸出；

3）在絕對速度和相對速度同時有效的情況下，對兩者同步求取矢量差，獲得實時洋流速度，并對外輸出。

2.3設備布局

MS-100型多傳感器計程儀由信號處理器、天線、換能器基陣等主要的3個部分組成，其中的換能器基陣布置時，要求距船艏1/3船長處，是全船流場最為穩定的地方，因此測速傳感器主要集中布置在此，實際確定具體位置時，應避開排、取水口，并且其周圍船底上沒有任何凹凸物。

信號處理器則布置在任意導航艙室或部位即可，其距換能器基陣的距離沒有明顯的限制，但距離天線的位置有一定要求，必要時可以考慮中繼器之類的技術措施。

3　關鍵技術及解決措施

MS-100型多傳感器聲計程儀多普勒部件，直接選用市面上已有的聲多普勒計程儀，技術成熟，僅需直接繼承使用，沒有技術難度。需重點解決的關鍵技術與措施在于衛星測速技術的選取和利用。

常見的衛星測速技術主要包括卡爾曼濾波，位置求導和直接觀測多普勒數值等三種方法。其中卡爾曼濾波方法的測速精度較高，但理論上較為復雜。位置求導法的數學概念明晰，但精度的提高嚴重依賴于定位精度，尤其是動態定位時的多余觀測值較少，難以保證高精度測速。多普勒技術的測速精度對位置精度依賴性不強，利用接收機觀測到的相位變化率，采用雙差技術確定速度，易于實現高精度，避開了整周期測速模糊度問題。

MS-100型多傳感器計程儀的衛星測速部件中，采用衛星信號的直接觀測多普勒數值技術測速，但同時也對其余兩種方法測速結果予以解算，確保信息冗余。

眾所周知，利用的衛星越多，測量的結果越精確。因此，組合GPS和北斗雙星座，是提高系統測速精度、提高測速可用性的關鍵技術。要解決雙星座利用問題，解決兩個系統的坐標變換、時鐘轉換及時鐘誤差問題是突破雙星座利用技術的關鍵途徑［3］。

4　結語

本文針對傳統計程儀的不足，分析了MS-100型多傳感器計程儀的方案組成、工作原理、使用方式和工作流程等。介紹了利用新興技術，發展基于北斗導航衛星信號的自主精確組合測速技術的新型計程儀，探討了未來計程儀技術發展方向與趨勢。

［1］ 陳傳欣.船用多普勒計程儀測速精度分析.航海技術，2004，（2）.

［2］ 高音，陳鐸. GPS與船用計程儀及陀螺羅經的關系.大連水產學院學報，1998，（4）.

［3］ 李峻年，孟士超. 船用衛星導航設備對復合式計程儀校正的探討. 現代導航，2011，（3）.

Research on Design of MS-100 Multi-sensor Vialog

Fan Zou1，Yin Zongliang2
（1.Naval Representatives Office in Jiujiang，Jiujiang 332007，Jiangxi，China；2.Jiujiang branch of 707th institute，Jiujiang 332007，Jiangxi，China）

Aimed at shortcoming of conditional vialog ,the paper presents a new designing method for a multi-sensor vialog with accurate and independent features.

multi-sensor; vialog

U666

A

1003-4862（2015）09-0060-02

2015-07-09

范鄒（1979-）；男，工程師。研究方向：航海儀器。