兩種DVL參數(shù)快速標(biāo)定算法實(shí)驗(yàn)研究

高德洋 韓禮波

（杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

DVL主要用于船速測(cè)量或水下導(dǎo)航。其工作原理是通過水聲換能器向海底發(fā)射特定頻率的信號(hào)，同時(shí)接收海底反射的回波信號(hào)，并提取回波信號(hào)的多普勒頻移，得到設(shè)備相對(duì)于海底的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于采用四波束的 DVL來說，在獲取速度大小的同時(shí)還能得到運(yùn)動(dòng)速度的方向信息[1-3]。DVL設(shè)備在設(shè)計(jì)和安裝過程中，往往存在兩個(gè)問題[4-6]：首先是安裝偏角，DVL安裝之后換能器艏向與安裝載體艏向存在一定的夾角，這個(gè)夾角可以轉(zhuǎn)化為 DVL艏向與高精度羅經(jīng)的偏角，解決安裝偏角最可行的方法是通過標(biāo)定算法準(zhǔn)確計(jì)算出偏角大小，并在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)用這個(gè)偏角修正測(cè)量速度。DVL受換能器及結(jié)構(gòu)制造精度、聲速誤差及接收回波信噪比等因素的影響，導(dǎo)致 DVL運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量值與真值存在誤差，可以將上述差異歸結(jié)為一個(gè)系統(tǒng)修正誤差K系數(shù)，用以補(bǔ)償兩者之間的差異。

本文主要研究一種利用縱橫向速度信息的DVL快速標(biāo)定算法，在DVL測(cè)量底跟蹤速度的同時(shí)，借助于高精度電子羅盤和差分GPS分別獲得航向信息和GPS位置信息，三者結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)DVL設(shè)備安裝偏角和系統(tǒng)誤差修正K系數(shù)的快速標(biāo)定。

1 DVL標(biāo)定算法

DVL能夠測(cè)量設(shè)備相對(duì)于海底的速度，想要實(shí)現(xiàn)對(duì) DVL的標(biāo)定，還需要高精度羅經(jīng)的航向信息和差分GPS的位置信息的配合[7-8]。DVL聲學(xué)換能器安裝完成之后，各方向示意圖見圖 1。聲學(xué)換能器艏向與羅經(jīng)的夾角為α，羅經(jīng)輸出的航向角為φ，DVL測(cè)量的底跟蹤縱向速度為VDY，橫向速度為VDX，也可以將DVL測(cè)量的底跟蹤速度分解到東向VDE和北向VDN，差分GPS測(cè)量的速度也可以分解到東北向VGE、VGN和縱橫向VGY、VGX。

圖1 DVL角度示意圖

1.1 基于東北向速度的標(biāo)定

利用 DVL測(cè)量的東北向速度，分別計(jì)算設(shè)備的東北向距離，將所得計(jì)算值同GPS測(cè)量值對(duì)比作差，差值最小則為標(biāo)定最優(yōu)。具體流程如下：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。按照 3σ原則，同步剔除DVL和GPS測(cè)量東北向速度的異常值；

（2）GPS東北向軌跡。將差分GPS的定位信息轉(zhuǎn)換到東北向直角坐標(biāo)系下，并計(jì)算東北向軌跡LGE和LGN：

（3）DVL東北向軌跡。設(shè)置待標(biāo)定參數(shù)安裝偏角α和系統(tǒng)誤差修正K系數(shù)，將DVL速度信息轉(zhuǎn)換到東北向直角坐標(biāo)系下，并計(jì)算東北向軌跡LDE和LDN：

（4）計(jì)算定位誤差。將 DVL定位值和 GPS定位值相減，得到總的定位誤差：

（5）遍歷待標(biāo)定值。調(diào)整待標(biāo)定參數(shù)α和K的值，分別計(jì)算不同參數(shù)下的總的定位誤差。

（6）代價(jià)函數(shù)最小。定義總的定位誤差ΔL為標(biāo)定算法的代價(jià)函數(shù)，使代價(jià)函數(shù)取得最小的待標(biāo)定參數(shù)值即為要求解的值。

1.2 基于縱橫向速度的標(biāo)定

從1.1節(jié)可以看出，基于東北向速度的標(biāo)定方法需要對(duì)待標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行遍歷計(jì)算，極大浪費(fèi)了計(jì)算時(shí)間和資源。為了簡(jiǎn)化標(biāo)定流程，提高標(biāo)定算法的計(jì)算速度，也可以采用縱橫向速度分量的標(biāo)定方法來獲取標(biāo)定參數(shù)。具體流程如下：

（1）GPS速度轉(zhuǎn)換。結(jié)合羅經(jīng)航向信息將GPS定位信息轉(zhuǎn)換為船坐標(biāo)系下的縱向速度VGY和橫向速度VGX。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。按照 3σ原則，同步剔除DVL和GPS測(cè)量縱橫向速度的異常值。

（3）計(jì)算速度均值。分別計(jì)算 DVL和 GPS的縱橫向速度均值。

（4）計(jì)算標(biāo)定系數(shù)。按照公式（9）分別計(jì)算該航次的安裝偏角和系統(tǒng)修正誤差K系數(shù)。

若標(biāo)定試驗(yàn)共進(jìn)行了N個(gè)航次，則最終的標(biāo)定系數(shù)為N個(gè)航次的平均值：

2 試驗(yàn)介紹

為了驗(yàn)證縱橫向速度標(biāo)定方法的有效性，2022年7月在千島湖水域進(jìn)行了一次300 kHz DVL標(biāo)定試驗(yàn)。采用兩種標(biāo)定方法計(jì)算前后DVL和GPS合速度對(duì)比如圖2所示，標(biāo)定完成后航跡對(duì)比如圖3所示。采用兩種標(biāo)定算法對(duì) DVL進(jìn)行標(biāo)定，獲得300 kHz DVL兩個(gè)航次的安裝偏角α和系統(tǒng)誤差K系數(shù)，如表1所示。試驗(yàn)過程中，基于東北向速度標(biāo)定選取的參數(shù)范圍分為兩組：

表1 兩種標(biāo)定方法標(biāo)定兩個(gè)航次的結(jié)果

圖 2 兩種標(biāo)定方法計(jì)算后DVL和GPS合速度對(duì)比

圖 3 兩種標(biāo)定方法計(jì)算后DVL和GPS軌跡對(duì)比

（1）步長(zhǎng)較大的粗略估計(jì)α～[-20∶0.1∶20]和K～[0.95∶0.01∶1.05]；

（2）步長(zhǎng)較小的精確搜索α～[-1.5∶0.01∶1.5]和K～[0.98∶0.001∶1]。

從圖2～3和表1可知，基于縱橫向速度標(biāo)定的結(jié)果和基于東北向速度標(biāo)定的結(jié)果基本一致，都能滿足標(biāo)定要求，但是前者的運(yùn)算速度相較于后者有大幅度的提高，說明前者在實(shí)際應(yīng)用中能夠提高運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定。此外，東北向標(biāo)定方法的時(shí)間消耗主要與數(shù)據(jù)量大小和標(biāo)定參數(shù)搜索點(diǎn)多少有關(guān)。由于航次1和航次2的數(shù)據(jù)量大小不同，導(dǎo)致東北向標(biāo)定方法所需要的計(jì)算時(shí)間也不相同。兩個(gè)航次在不同的標(biāo)定參數(shù)范圍下所消耗的時(shí)間是相似的，小步長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)的搜索點(diǎn)相較于大步長(zhǎng)多，所以小步長(zhǎng)范圍所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。

3 結(jié)論

DVL設(shè)備在設(shè)計(jì)和安裝過程中存在安裝偏角和系統(tǒng)誤差修正K系數(shù)問題，可以通過東北向速度標(biāo)定或縱橫向速度標(biāo)定方法解算兩個(gè)標(biāo)定系數(shù)。本文通過湖上試驗(yàn)比較了兩種方法解算標(biāo)定系數(shù)的結(jié)果，對(duì)于同一批次數(shù)據(jù)，基于東北向速度標(biāo)定方法計(jì)算量較大，運(yùn)算速度較慢，算法精度與標(biāo)定參數(shù)搜索范圍有關(guān)，適用于數(shù)據(jù)后續(xù)精細(xì)化處理；基于縱橫向速度標(biāo)定方法計(jì)算量較小，運(yùn)算速度較快，適用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速處理。在實(shí)際應(yīng)用中，兩種參數(shù)標(biāo)定方法可以作為標(biāo)定結(jié)果的互校準(zhǔn)依據(jù)，能夠輔助試驗(yàn)人員判斷標(biāo)定試驗(yàn)效果，如果兩種方法的標(biāo)定結(jié)果一致，則表明標(biāo)定試驗(yàn)基本成功。