基于航跡-航深信息的聲學測速基陣校準技術研究

袁書明，曹忠義

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基于航跡-航深信息的聲學測速基陣校準技術研究

袁書明1，曹忠義2,3

(1. 海軍裝備研究院，北京 100073；2. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

針對聲學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(Global Positioning System, GPS)、姿態裝置推算航跡建立航偏角觀測方程，實現航偏角校準。在此基礎上，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，并通過外場試驗數據驗證了校準算法的有效性。結果均表明該方法能夠實現基陣三維安裝偏角的精確校準，有效提高了導航精度，具有較好的工程應用價值。

聲學多普勒測速儀；安裝誤差校準；最小二乘估計；聯合校準

0 引言

聲學多普勒測速儀是利用多普勒效應，通過估計弱散射回波信號的多普勒頻移信息實現對底絕對/對水相對速度的信息解算。與傳統電磁式、水壓式計程儀相比，具有測速精度高、抗污染能力強、使用穩定可靠等特點，是現代聲學導航[1-4]、水文觀測[5-7]等的重要組成部分。聲學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矩陣轉換，以滿足不同的導航功能需求：載體坐標系與大地坐標系之間可利用航姿信息，通過坐標旋轉變換操作實現兩個坐標系速度的相互轉換；儀器坐標系與載體坐標系之間的旋轉變換操作，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航系統的性能。

傳統水下聲吶定標、平均速度等校準方法受環境條件的影響嚴重，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果，無法滿足大機動平臺高精度水聲導航系統的使用需求。為此，本文以實際工程應用為背景，綜合文獻[12]和[13]校準方法，提出采用基于航跡-航深相結合的校準方法，借助于高精度GPS和姿態裝置，實現三維安裝偏角的精確校準，仿真和湖上試驗結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

利用三角形幾何關系式可知[13]：

2 仿真結果與分析

由上述分析可知，校準精度與觀測設備測量精度密切相關，直接對式(8)～(11)進行誤差分析無法得到解析結果，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 試驗場景及設備安裝

圖5 系統安裝示意圖

3.2 試驗結果與分析

依據上述校準方法獲得的三維安裝偏角校準結果如表1所示。為驗證安裝誤差校準的實際效果，規劃了矩形和圓形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，未經校準補償的航跡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據質量，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航坐標結果，其中矩形測線校準前、后導航精度為分別為5.30%、0.13%，圓形測線校準前、后導航精度為分別為16.50%、0.19%，可以明顯看出，安裝偏角誤差經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于圓形測線，作者認為可能是GPS天線與聲學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 結論

精確的安裝偏角校準工作是提高多普勒速度儀應用性能的一個重要環節。本文綜合利用速度儀的航跡-航深信息獲取聲學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航程的矩形準閉環測線和0.75 km航程的圓形準閉環測線實驗結果表明：校準后的速度儀航跡推算精度均控制在了0.2%以內，驗證了該方法的有效性。該方法適用于各種聲學多普勒速度儀與載體之間的安裝角度估計，具有一定的工程應用價值。

[1] Navigator ADCP/DVL User’s Guide [EB/OL]. RD Inc. http://support. rdinstruments. com/documentation/cc_documents. aspx.

[2] Snyder J. Doppler Velocity Log (DVL) navigation for observation-class ROVs[C]//OCEANS, IEEE, 2010: 1-9.

[3] DOISY Y. Theoretical accuracy of Doppler navigation sonars and acoustic Doppler current profilers[J]. IEEE, 2004, 29(2): 430-441.

[4] CAO Zhongyi, ZHANG Dianlun. A method for testing phased array acoustic Doppler velocity log on land[J]. Applied Acoustics. 2016, 103: 102-109.

[5] Rennie C D, Rainville F. A case study of precision of GPS differential correction strategies: influence on ADCP velocity and discharge estimates[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 132(3): 225-34.

[6] Wagner C R, Mueller D S. Comparison of bottom-track to global positioning system referenced discharges measured using an acoustic Doppler current profiler[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 401: 250–8.

[7] Mueller D S, Wagner C R. Measuring discharge with acoustic Doppler current profilers from a moving vessel[J]. US Geol Surv Tech Methods, 2009, 3A: 22:72.

[8] Pollard R, Read J. A method for calibration shipmounted acoustic Doppler profiler and the limitation of gyro compasses[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1989, 6(6): 859-865.

[9] ZHAO Jianhu, CHEN Zhigao, ZHANG Hongmei. A robust method for determining the heading misalignment angle of GPS compass in ADCP measurement[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2014, 35(3): 1-10.

[10] Terrence M. On in situ calibration of shipboard ADCPs[J]. Atmospheric and Oceanic Technology, 1989, 29(2): 169-172.

[11] James LH, Johanna HR. Analysis of bottom-track and compass error in a self-contained acoustic Doppler diver navigation console. Journal of Atmosphere Oceanic Technology[J]. 2010, 27(7): 1229- 1238.

[12] 曹忠義, 鄭翠娥, 張殿倫. 聲學多普勒速度儀安裝誤差校準方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2013, 34(4): 434-439. CAO Zhongyi, ZHENG Cuie, ZHANG Dianlun. A study on the calibration of installation error in acoustic transducer[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(4): 434-439.

[13] Clifford L. Trump. Calculation of ADCP alignment offsets using single-beam velocity and depth data[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1997(14): 1252-1255.

[14] GRAHAM A. Kronecker products and matrix calculus with applications[M]. New York: Wiley, 1981: 21-36.

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, 研究方向為船舶導航論證和技術。

曹忠義, E-mail: caozhongyi@hrbeu.edu.cn