本發(fā)明涉及一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法，屬于水聲測速技術領域。

背景技術：

高精度聲學多普勒計程儀(Acoustic Doppler Log,ADL)可應用于水面艦船和水下運載器的導航定位，為導航系統(tǒng)提供精確的速度信息，以修正導航系統(tǒng)由于長時間的速度誤差累積，滿足遠程、長時間航行的導航要求，因此提高多普勒計程儀的測速精度非常重要。

計程儀主要有拖曳計程儀、轉輪計程儀、水壓計程儀、電磁計程儀、多普勒計程儀、聲相關計程儀等類型。其中，多普勒計程儀準確性好，靈敏度高，可測縱向和橫向速度，主要用于巨型船舶在狹水道航行、進出港、靠離碼頭時提供船舶縱向和橫向運動的精確數(shù)據(jù)。多普勒計程儀受作用深度限制，超過數(shù)百米時，只能利用水層中的水團質點作反射層，變成對水計程儀。

多普勒計程儀的測速精度分為對地測速精度和對水測速精度兩部分。其中，衡量多普勒計程儀對地測速精度的常用方法主要為高精度GPS測速比對法，利用高精度的星站差分GPS的測速精度可到10^-2m/s量級，滿足對多普勒計程儀的對地測速精度評定需求。但現(xiàn)有的衡量多普勒計程儀對水測速精度的方法容易受風速、風向、各水流層流速流向等因素的影響，難以給出精確地評定多普勒計程儀對水測速精度。

目前，評定多普勒計程儀對不同水流層測速精度的常用方法為：水槽拖車試驗、同步比測試驗、自身航行試驗。

水槽拖車試驗適用于工作頻率大于300KHz的計程儀精度檢驗，難以模擬真實的多普勒計程儀復雜的使用環(huán)境，不適用于高精度ADL測流精度考核。

同步比測試驗是最為簡單理想的精度檢驗方法，但一方面，需要工作頻率與被檢驗多普勒計程儀工作頻率不在同一頻段的更高精度的計程儀作為檢測標準儀器，而國外的高精度大深度多普勒計程儀對我國是全面限制的，這就使得同步比測法無法用于新研制的高精度計程儀；另一方面，實艇條件下，一般不具備同時安裝被測和同步比測的計程儀的條件，這進一步限制了同步比測方法的使用。

對于工作頻率不大于300kHz的計程儀，且試驗船上不具備同時安裝被測和同步比測的計程儀時，目前只有通過自身航行試驗來考核計程儀的分層對水相對速度測量精度。目前，聲學多普勒計程儀檢測標準給出的自身航行試驗法都是以高精度GPS作為檢測標準儀器，檢測原理主要有以下幾種：

(1)流速比對法(GB/T 24558-2009)

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上，進行兩個航次試驗，第一個航次中同時記錄ADL底跟蹤速度值(對地速度)與GPS速度值，第二個航次中記錄ADL測流速度值(對水速度)，計算ADL底跟蹤速度與ADL測流速度的差值(即ADL測得的水流速度)，通過與GPS測得的水流速度相比較的方法統(tǒng)計ADL對水測速偏差。

流速比對法的核心思想在于：ADL測得的水流速度等于GPS測得的水流速度。該方法有一個明顯的缺點：GPS測得的流速基準值與ADL的測流精度相關，即考核基準為非獨立項。嚴格意義上，該方法不能用于考核ADL測流精度。

(2)矢量差法(HY/T 102-2007)

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上作往返勻速直線航行，在滿足要求的試驗區(qū)內，同時記錄被檢ADL在同一地點往返航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)、GPS測得的對地速度值，然后計算GPS同一地點的往返速度VGPS矢量差(矢量差用N、E分量分別相減后再合成計算)序列的平均值和被檢ADL相應地點的往返速度矢量差序列VADL的平均值，最后通過計算相關系數(shù)r、回歸系數(shù)a和b來評判ADL的測速精度。

矢量差法的核心思想在于：被檢ADL在同一地點往返航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)的矢量差等于載體往返航行的對地速度值(GPS測量值)的矢量差。該思想成立的前提條件是表層洋流速度與被測層洋流速度相同，且不考慮風、浪涌等外界作用力的影響，否則該方法不成立。矢量差法的運用條件，決定了該方法計算精度不高，較適用于平穩(wěn)流場，如湖泊、江、河或試驗場海域)進行試驗，不適合在復雜多變的海洋環(huán)境中進行試驗，故而也無法驗證ADL在真實海洋環(huán)境中的流速測量精度。

(3)“順-逆”合速度消流法(自身航行試驗)：

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上，通過“順-逆”或“逆-順”兩個航次消流的方式，由ADL對某一深度的水層進行測速，通過與高精度GPS測得的對地速度相比較的方法統(tǒng)計ADL對水測速偏差。

“順-逆”合速度消流法的核心思想在于：被檢ADL在同一航線順流和逆流航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)的合速度之和等于載體順流和逆流航行的對地速度值(GPS測量值)的合速度之和。該思想成立的前提條件是試驗船的航向與洋流、風等外界作用力的方向保持同向。當洋流方向、風向、浪涌流向等外界作用力方向與試驗船的航向有夾角時，該方法的計算精度會受到影響，即“順-逆”合速度消流法的計算精度與洋流流速、風速及洋流流向和風向與試驗船航向夾角大小等因素相關。“順-逆”合速度消流法雖然可以用于在真實的海洋環(huán)境中對ADL的流速測量精度進行考核，但為保障考核精度，對試驗船的機動、海區(qū)海況等試驗條件要求苛刻，這就決定了該方法在實際試驗中也無法獲得很高的考核精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是進一步降低或消除現(xiàn)有“多普勒計程儀對水測速精度考核方法”中存在的“洋流流速流向、風速風向等外界因素影響ADL對水測速考核精度”的技術缺陷，提出了一種多普勒計程儀對水測速考核的方法。

一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法所依托的對水測速精度考核系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集分析設備、檢測標準儀器、慣導設備和多普勒計程儀；

其中，檢測標準儀器為GPS接收機或北斗接收機，GPS接收機，簡稱GPS；全文中以GPS接收機為例進行專利技術說明；

多普勒計程儀還可以是其他類型的計程儀；

各設備的功能如下：

數(shù)據(jù)采集分析設備同時采集檢測標準儀器發(fā)送的試驗船實時位置信息和多普勒計程儀發(fā)送的試驗船實時速度信息；

檢測標準儀器同時向慣導設備和多普勒計程儀發(fā)送時鐘信息；

慣導設備向多普勒計程儀發(fā)送試驗船航向信息和縱橫搖角信息；

多普勒計程儀實時測量試驗船的對水速度信息；

為保障測速精度，需要多普勒計程儀的設備載體在航行過程中保持輪機轉速V_e不變，航向偏差≤±1°；

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

以GPS接收機作為檢測標準儀器，試驗船在同一航線上往返航行三個航次，三個航次中分別記錄ADL測得的試驗船相對于各水層的橫向分速度和縱向分速度；然后，對這三個航次記錄的各水層橫向平均分速度與縱向平均分速度進行消流處理，消流處理的結果值的合速度即為樣機的待考核速度，最后，通過與GPS速度真值比對統(tǒng)計測量偏差；

其中，所述的同一航線上往返航行三個航次為“順-逆-順”，也可以為“逆-順-逆”；

GPS速度真值，約等于輪機轉速，其計算方法為：

在同一航線上往返航行的“順-逆-順”或“逆-順-逆”三個航次中，先將GPS接收機的速度分解到船的橫向和縱向兩個方向上，分別求出這兩個方向上三個航次的橫向分速度平均值、縱向分速度平均值；

再分別求出橫向和縱向兩個方向上GPS接收機平均速度的平均值；

然后，求出航跡向合速度，即為考核真值；

一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法，具體步驟如下：

步驟A、記錄第一航次數(shù)據(jù)；

其中，記錄第一航次數(shù)據(jù)的記錄時刻為：

第一航次數(shù)據(jù)包括：

第一航次多普勒計程儀橫向測速結果，記為：

第一航次多普勒計程儀縱向測速結果，記為：

第一航次GPS橫向測速結果，記為：

第一航次GPS縱向測速結果，記為：

其中，以及分別對應時刻測得的相應各項結果；

步驟B、記錄第二航次數(shù)據(jù)；

其中，記錄第二航次數(shù)據(jù)的記錄時刻為：

第二航次數(shù)據(jù)包括：

第二航次多普勒計程儀橫向測速結果，記為：

第二航次多普勒計程儀縱向測速結果，記為：

第二航次GPS橫向測速結果，記為：

第二航次GPS縱向測速結果，記為：

其中，以及分別對應時刻測得的相應各項結果；

步驟C、記錄第三航次數(shù)據(jù)；

其中，記錄第三航次數(shù)據(jù)的記錄時刻為：

第三航次數(shù)據(jù)包括：

第三航次多普勒計程儀橫向測速結果，記為：

第三航次多普勒計程儀縱向測速結果，記為：

第三航次GPS橫向測速結果，記為：

第三航次GPS縱向測速結果，記為：

其中，以及分別對應時刻測得的相應各項結果；

步驟D、統(tǒng)計上述三個航次的平均值，具體為：

D.1對步驟A的第一航次數(shù)據(jù)做如下統(tǒng)計：

通過(D11)計算多普勒計程儀橫向速度平均值：

通過(D12)計算多普勒計程儀縱向速度平均值：

通過(D13)計算GPS橫向速度平均值：

通過(D14)計算GPS縱向速度平均值：

D.2對步驟B的第二航次數(shù)據(jù)做如下統(tǒng)計：

通過(D21)計算多普勒計程儀橫向速度平均值：

通過(D22)計算多普勒計程儀縱向速度平均值：

通過(D23)計算GPS橫向速度平均值：

通過(D24)計算GPS縱向速度平均值：

D.3對步驟C的第三航次數(shù)據(jù)做如下統(tǒng)計：

通過(D31)計算多普勒計程儀橫向速度平均值：

通過(D32)計算多普勒計程儀縱向速度平均值：

通過(D33)計算GPS橫向速度平均值：

通過(D34)計算GPS縱向速度平均值：

步驟E、對步驟D的三個航次統(tǒng)計的多普勒計程儀和GPS的橫向、縱向速度測量值的平均值進行消流處理，具體為：

E.1通過公式(E1)計算多普勒計程儀消流后的橫向速度平均值：

E.2通過公式(E2)計算多普勒計程儀消流后的縱向速度平均值：

E.3通過公式(E3)計算GPS消流后的橫向速度平均值：

E.4通過公式(E4)計算GPS消流后的縱向速度平均值：

步驟F、由值的大小可以判定往返航行三航次期間的洋流穩(wěn)定性以及試驗船航向穩(wěn)定性，進而判定該次考核樣本是否有效，ADL對水測速精度值可分為合速度考核與分速度考核兩種，具體為：

F.1當以合速度進行考核時，通過(F11)計算GPS速度真值：

多普勒計程儀待考核速度值通過(F12)計算：

由此可得多普勒計程儀對水測速的精度通過(F13)計算：

F.2當以分速度進行考核時，GPS橫向速度與縱向速度真值分別通過(E3)和(E4)計算，多普勒計程儀待考核橫向速度與縱向速度值分通過(E1)和(E2)計算，多普勒計程儀對水橫向與縱向測速精度通過(F21)計算：

至此，從步驟A到步驟F，完成了一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法。

有益效果

本發(fā)明一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法，與其他對水測速精度考核方法相比，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明所提出的方法可以減小洋流流速流向、風速風向對多普勒計程儀測流速度考核精度的影響；

2.本發(fā)明所提出的方法通過分析抗洋流流速流向、風速風向等外界因素干擾的特性原理，理論分析了本發(fā)明所提方法相對于消流法的精度優(yōu)勢，極大地提高了對多普勒測速測流儀儀器設備測速精度評判，促進了高精度多普勒測速測流儀制造行業(yè)的發(fā)展；

3.本方法不僅對考核多普勒計程儀對水測速精度有效，對考核其它計程儀或計程儀的測流精度同樣有效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法所依托的對水測速精度考核系統(tǒng)原理圖；

圖2是本發(fā)明一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法在風和水流因素時，多普勒計程儀對水測速考核試驗船航行的方案示意圖；

圖3是本發(fā)明一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法考慮風和水流因素時，計程儀設備載體試驗航行的解算示意圖；

其中，1為數(shù)據(jù)采集分析設備，2為GPS接收機，3為慣導設備，4為多普勒計程儀，5為試驗船。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例1

本實施例闡述了本發(fā)明所采用的矢量平均法的抗干擾原理，具體為：

影響“順-逆”合速度標量消流法對ADL測流考核精度的主要因素為各水流層的流速流向和風速風向，下面將從原理上分別分析考慮這些因素影響下，試驗船在同一航線上往返勻速直線航行時，GPS接收機測得的試驗船速度值V_GPS與ADL測得的試驗船相對于各洋流層速度值的關系。在以下的分析中，假定：

a.往返勻速直航期間，各洋流層的流速、流向和風速、風向均保持穩(wěn)定，表層洋流的速度值為記ADL測得的試驗船相對于第k層洋流速度值為

b.往返勻速直航的航跡線重合或近距離平行(航跡線下的洋流狀態(tài)一致)；

c.往返勻速直航期間，試驗船的主機轉速V_主保持不變。

(1)不考慮風和洋流的影響(平靜的海洋面，無洋流)

a)順流，航向角為β時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

b)逆流，航向角為β+180°時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

則，“順-逆”兩個航程與V_GPS的橫向與縱向分速度平均值分別為：

ADL橫向速度平均值：

ADL縱向速度平均值：

GPS接收機的橫向速度平均值：

GPS接收機的縱向速度平均值：

即有

(2)僅考慮表層洋流的影響(無風，各層洋流的流速流向與表層洋流一致)，表層洋流流向與航向的夾角為

a)順流，航向角為β時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

上式中，分別表示表層洋流的橫向、縱向速度。

b)逆流，航向角為β+180°時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

上式中，分別表示表層洋流的橫向、縱向速度。

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

同理，可得

(3)僅考慮洋流的影響(無風，各層洋流的流速流向均不相同)，第k層洋流流速為流向與航向的夾角為

a)順流，航向角為β時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

b)逆流，航向角為β+180°時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

同理，可得

(4)僅考慮風和表層洋流的影響(有風，各層洋流的流速流向與表層洋流一致)，風速為V^風，風向與航向的夾角為θ^風，第k層洋流流速為流向與航向的夾角為

a)順流，航向角為β時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

b)逆流，航向角為β+180°時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

同理，可得

(5)考慮風和洋流的影響地方(有風，各層洋流的流速流向均不相同)，風速為V^風，風向與航向的夾角為θ^風，第k層洋流流速為流向與航向的夾角為

a)順流，航向角為β時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

b)逆流，航向角為β+180°時

ADL測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

GPS接收機測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

橫向速度：

縱向速度：

同理，可得

綜上，可得如下結論：

“順-逆”或“逆-順”兩個航程的ADL速度矢量平均值與GPS速度矢量平均值相等，均為(0，V_主)，不受風速、風向和流速、流向的影響，當以GPS速度矢量平均值作為考核基準時，即可對ADL測流精度進行精確考核。

由此得到一種高精度的ADL測流精度考核方法，命名為“矢量平均法”。該方法不受風速、風向、流速、流向等復雜海洋環(huán)境的影響，抗干擾能力強，對各層洋流流速的考核精度具有一致性。影響考核精度的主要因素為航向穩(wěn)定性。

實施例2

本實施例闡述了本發(fā)明所提出方法的檢測原理以及具體監(jiān)測步驟。

一種多普勒計程儀對水測速精度考核的方法所依托的對水測速精度考核系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出：對水測速精度考核系統(tǒng)中各設備作用如下：1(數(shù)據(jù)采集分析設備)同時采集2(GPS接收機)發(fā)送的試驗船實時位置信息和4(多普勒計程儀)發(fā)送的試驗船實時速度信息；2(GPS接收機)同時向3(慣導設備)和4(多普勒計程儀)發(fā)送時鐘信息，3(慣導設備)向4(多普勒計程儀)發(fā)送試驗船航向信息和縱橫搖角信息，4(多普勒計程儀)實時測量試驗船的對水速度信息。

圖2給出了對水測速航行方案示意圖，以GPS作為檢測標準儀器，試驗船在同一航線上往返航行三個航次(如“順-逆-順”或“逆-順-逆”)，三個航次中分別記錄ADL測得的試驗船相對于各水層的橫向分速度和縱向分速度，然后對這三個航次記錄的各水層橫向平均分速度與縱向平均分速度進行消流處理，其結果值的合速度即為樣機的待考核速度，通過與GPS速度真值(約等于輪機轉速)比對統(tǒng)計測量偏差。其中，GPS速度真值的計算方法為：在“順-逆-順”或“逆-順-逆”三個航次中，先將GPS速度分解到船的橫向和縱向兩個方向上，分別求出這兩個方向上三個航次的平均速度，再分別求出橫向和縱向兩個方向上GPS平均速度的平均值，然后求出航跡向合速度，即為考核真值。在以上測量過程中，為保障測速精度，需要多普勒計程儀設備載體在航行過程中保持輪機轉速V_e不變，航向偏差≤±1°，具體實現(xiàn)步驟如下：

第一航次數(shù)據(jù)：

記錄時刻：

多普勒計程儀橫向測速結果：

多普勒計程儀縱向測速結果：

GPS橫向測速結果：

GPS縱向測速結果：

第二航次數(shù)據(jù)：

記錄時刻：

第二航次數(shù)據(jù)包括：

多普勒計程儀橫向測速結果：

多普勒計程儀縱向測速結果：

GPS橫向測速結果：

GPS縱向測速結果：

第三航次數(shù)據(jù)：

記錄時刻：

多普勒計程儀橫向測速結果：

多普勒計程儀縱向測速結果：

GPS橫向測速結果：

GPS縱向測速結果：

統(tǒng)計上述三個航次各種分速度的平均值，分別如下：

第一個航次：

多普勒計程儀橫向速度平均值：

多普勒計程儀縱向速度平均值：

GPS橫向速度平均值：

GPS縱向速度平均值：

第二個航次：

多普勒計程儀橫向速度平均值：

多普勒計程儀縱向速度平均值：

GPS橫向速度平均值：

GPS縱向速度平均值：

第三個航次：

多普勒計程儀橫向速度平均值：

多普勒計程儀縱向速度平均值：

GPS橫向速度平均值：

GPS縱向速度平均值：

對以上三個航次計程儀和GPS的橫向、縱向速度測量值的平均值進行消流處理：

多普勒計程儀消流后的橫向速度平均值：

多普勒計程儀消流后的縱向速度平均值：

GPS消流后的橫向速度平均值：

GPS消流后的縱向速度平均值：

由值的大小可以判定往返航行三航次期間的洋流穩(wěn)定性以及試驗船航向穩(wěn)定性，進而判定該次考核樣本是否有效。

當以合速度進行考核時，有：

GPS速度真值為：

多普勒計程儀待考核速度值為：

由此可得

多普勒計程儀對水測速的精度為：

當以分速度進行考核時，有

GPS橫向速度與縱向速度真值分別如式(7-3)、(7-4)所示，計程儀待考核橫向速度與縱向速度值分別如式(7-1)、(7-2)所示，計程儀對水橫向與縱向測速精度分別為：

實施例3

本實施例闡述了并比較了本發(fā)明所采用的矢量平均法和合速度標量消流法的對水測速精度理論誤差值的大小。

現(xiàn)有的計程儀對水測速精度考核方法中，應用最多精度最高也最貼近實際的是“順-逆”合速度標量相消法，下面將詳細分析實際海洋環(huán)境下“順-逆”合速度標量相消法與矢量平均法的考核精度高低。

在實際的海洋環(huán)境中，洋流流向和風向與試驗船的航向是有一定的夾角的，各層洋流的流向也不相同，唯一能精確控制的是試驗船的主機轉速V_主。采用第2節(jié)的外界干擾分析第5項，假設：船航跡向為α，航向角為β，風速為V^風，風向與航向的夾角為θ^風，第k層洋流流速為流向與航向的夾角為試驗期間航向角偏差為Δβ。以試驗船艏艉向和橫向分別為X、Y軸建立解算坐標系，如圖3所示給出了考慮水流流向和風向因素時，計程儀設備載體試驗航行的解算示意圖。

(A)“順-逆”合速度標量消流法對水測速考核誤差分析

當風速、風向和流速、流向穩(wěn)定，且Δβ＝0時，依據(jù)合速度標量消流法測得的試驗船速度真值為：

其中，依據(jù)前述(5)中考慮風和洋流的影響中一系列公式可以得出：

而計程儀測得的試驗船待考核速度值為：

其中，依據(jù)前述(5)中考慮風和洋流的影響中一系列公式可以得出：

很明顯，當或θ^風≠0時，有即合速度標量消流法的算法誤差理論值經(jīng)分析可知，在0～90°范圍內，ΔV隨和θ^風的增大而增大。

(B)矢量平均法對水測速考核誤差分析

由實施例2中內容分析可知，當風速、風向和流速、流向穩(wěn)定，且Δβ＝0時，矢量平均法的理論算法誤差為0，即

故而，從算法理論誤差分析上可知，本發(fā)明所采用的矢量平均法對水測速考核精度要高于合速度標量消流法。

以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。