郭喬鶴，張 維，張洋波，田鴻興，馮 欣

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略快速發(fā)展，海洋運(yùn)載器在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。由于水下的特殊環(huán)境，部分導(dǎo)航方式如衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等無(wú)法在水下工作，而水下運(yùn)載器又有長(zhǎng)時(shí)間航行的自主導(dǎo)航需求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雖然可以長(zhǎng)時(shí)間工作，但存在誤差積累，只使用慣導(dǎo)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和可靠性不足。聲學(xué)多普勒測(cè)速計(jì)程儀（DVL）是利用多普勒效應(yīng)研制的一種為水面、水下載體提供速度信息并計(jì)量航程的自主導(dǎo)航設(shè)備，可用于水面艦艇、自主式水下航行器（AUV）、水下機(jī)器人（ROV）和拖曳平臺(tái)、無(wú)人水面艇（USV）的導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行航位推算或輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）來減少偏差。

近年來，眾學(xué)者在DVL 標(biāo)定方法[1-3]、提升和評(píng)估DVL 測(cè)速精度[4-5]、解決處理DVL 短時(shí)失效問題[6-7]、多傳感器導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合[8-9]等方面進(jìn)行了大量的研究工作。國(guó)內(nèi)外諸多公司均有性能優(yōu)良、成本價(jià)格低廉的DVL 在產(chǎn)。美國(guó)的Teledyne RDI公司更是其中翹楚，其產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，目前在售的具有不同用途和使用環(huán)境的4 款產(chǎn)品，囊括了可安裝于微型ROV 的小尺寸Wayfinder 型DVL、可在6 km 深海工作的Tasman 型DVL、對(duì)底跟蹤范圍達(dá)到2 200 m 的Pioneer 型DVL 和綜合性能優(yōu)良的Pathfinder 型DVL。國(guó)內(nèi)的相關(guān)科研單位及高校也參與到了多普勒測(cè)速設(shè)備的研制工作中，生產(chǎn)的DVL 性能在測(cè)速精度、測(cè)深范圍等方面接近世界領(lǐng)先水平。

1 國(guó)外多普勒計(jì)程儀發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展進(jìn)程綜述

國(guó)外使用聲學(xué)手段實(shí)現(xiàn)船舶速度的測(cè)量工作可以追溯于20 世紀(jì)40 年代，由哈佛大學(xué)聲學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室研制的基于多普勒背向散射船舶速度計(jì)[10]，該產(chǎn)品被認(rèn)為是最早發(fā)明的DVL。在此基礎(chǔ)上邁阿密大學(xué)KOCZY 和KRONENGOLD[11-12]等人針對(duì)多普勒測(cè)流速開展了一系列研究工作，該設(shè)備后來由Airpax 電子公司制造。

20 世紀(jì)70 年代初，WISEMAN 等人開發(fā)了第1 個(gè)測(cè)量三維速度的多普勒流量計(jì)[13]，用于研究河口的湍流。具有里程碑意義的首臺(tái)商業(yè)化多普勒測(cè)速設(shè)備是AMETEK Straza 公司的ROWE 和YOUNG 在20 世紀(jì)70 年代末開發(fā)的一款300 kHz的多普勒流速剖面儀（ADCP），型號(hào)為DCP-4400[14]。此外，該公司出售的基于JANUS 配置的DVL，可針對(duì)當(dāng)前流速進(jìn)行調(diào)整，探測(cè)深度超過100 m。AMETEK Straza 公司與斯克里普斯海洋研究所的PINKEL 和REGIER[15-17]合作，評(píng)估了未來幾年ADCP 作為研制重點(diǎn)的可行性。

20 世紀(jì)80 年代初，多普勒計(jì)程儀形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。1981 年，ROWE 和DEINES 組建了RD 儀器公司，主要是對(duì)聲學(xué)多普勒計(jì)程儀以及多普勒流速剖面儀 2 種儀器的研發(fā)。 RD 儀器公司和AMETEK Straza 公司研制了大量窄帶ADCP 產(chǎn)品，從遠(yuǎn)程75 kHz 設(shè)備到高分辨率1 200 kHz 設(shè)備[18]，在國(guó)際上占領(lǐng)了絕大部分市場(chǎng)份額。到80 年代中后期，窄帶多普勒測(cè)速技術(shù)已經(jīng)被各國(guó)不同公司廣泛應(yīng)用，當(dāng)時(shí)著名的有挪威Aanderaa 公司、法國(guó)Thomson 公司、日本Furuno 公司等。但是，窄帶ADCP 明顯的局限性在于分辨率、作用距離、測(cè)速精度之間的相互制約。降低工作頻率可以減少海水介質(zhì)吸收損失，提升作用距離。但是，在降低工作頻率后，若要達(dá)到與高頻信號(hào)相同的平均統(tǒng)計(jì)效果就需要增加脈寬，長(zhǎng)脈沖會(huì)導(dǎo)致空間分辨率降低。

從20 世紀(jì)90 年代開始，科研人員將研制重心轉(zhuǎn)移至寬帶多普勒測(cè)速技術(shù)及設(shè)備性能提升上。BRUMLEY 等人在1991 年發(fā)明了寬帶ADCP[19]，該設(shè)備利用重復(fù)的雙相編碼和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制方式形成發(fā)射波形，降低了自相關(guān)旁瓣，與窄帶系統(tǒng)相比顯著增加了時(shí)間–帶寬積，在脈沖寬度一定的條件下，多個(gè)獨(dú)立樣本提升測(cè)速精度。寬帶多普勒測(cè)速技術(shù)的研究工作解決了分辨率、作用距離、測(cè)速精度之間的相互制約的問題。由于DVL 只計(jì)算船與海底回波中心區(qū)域的相對(duì)速度，因此DVL 沒有分辨率的概念，衡量其性能優(yōu)劣的主要因素包括尺寸大小、功率、對(duì)底測(cè)速深度、測(cè)速精度。小尺寸的DVL 和ADCP 成為下一個(gè)研制熱點(diǎn)。首個(gè)基于相控陣的ADCP 于1995 年完成研制工作并形成測(cè)試報(bào)告，其型號(hào)為VM0038HP，發(fā)射頻率為38 kHz，平面相控陣由988 個(gè)單獨(dú)的壓電元件組成，半波長(zhǎng)布陣成圓形配置[20]。與相同頻率的活塞式換能器相比，使用單個(gè)平面相控陣形成4 個(gè)波束，替代了4 個(gè)獨(dú)立的傾斜活塞換能器，尺寸縮小到一半以下。這意味著，在固定尺寸的情況下，使用相控陣可以在更低的頻率下工作，從而增加對(duì)底測(cè)速深度。此外，相控陣從根本上解決了聲速補(bǔ)償?shù)膯栴}，減小了測(cè)量誤差。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，多普勒計(jì)程儀步入向多功能多用途發(fā)展的新階段。多普勒測(cè)速設(shè)備也被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如氣候?qū)W、海洋學(xué)、水文學(xué)、水下航行器系統(tǒng)、環(huán)境資源勘探、石油鉆井平臺(tái)等。多普勒測(cè)速系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的船載式擴(kuò)展為坐底式、手持式、懸浮式、拖曳式等。針對(duì)多普勒計(jì)程儀小型化、大深度、高精度的研制工作也一直在持續(xù)推進(jìn)。截至目前，全球ADCP 和DVL 的主要供應(yīng)商包括：Teledyne RDI、Nortek、Sontek、Rowetech 和Waterlinked 等。其中美國(guó)的Teledyne RDI 公司研制的多普勒測(cè)速設(shè)備性能更優(yōu)，占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

1.2 TRDI 公司最新研制成果

美國(guó)的Teledyne RDI 公司在全球范圍內(nèi)交付了4 萬(wàn)余套多普勒相關(guān)設(shè)備，是行業(yè)領(lǐng)先的ADCP和DVL 制造商，在民用領(lǐng)域和軍用AUV 領(lǐng)域占有率最高。針對(duì)寬帶多普勒信號(hào)處理、相控陣設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、系統(tǒng)自檢等技術(shù)均為行業(yè)領(lǐng)先。其產(chǎn)品功能完善，技術(shù)革新迅速，目前在產(chǎn)4 型號(hào)產(chǎn)品，其產(chǎn)品發(fā)展路線圖如圖1 所示。

1.2.1 Pathfinder DVL

Teledyne RDI 公司在2017 年上市的Pathfinder多普勒計(jì)程儀，體積小性能優(yōu)，適裝于小型ROV及大直徑AUV 上。Pathfinder 多普勒計(jì)程儀使用了寬帶信號(hào)處理技術(shù)、相控陣技術(shù)、擴(kuò)展范圍跟蹤技術(shù)等，可將底跟蹤范圍擴(kuò)展60%以上，實(shí)現(xiàn)對(duì)底、對(duì)流跟蹤自動(dòng)切換。導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性系統(tǒng)高精度耦合，進(jìn)一步提高了DVL 輔助的INS 定位精度。該設(shè)備設(shè)置聲學(xué)多普勒流速剖面儀選項(xiàng)，可根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，并提供原始設(shè)備制造商（OEM）配置，根據(jù)占用空間和功能等特殊需求進(jìn)行定制。典型的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Pathfinder DVL 典型技術(shù)參數(shù)表Table 1 Typical technical parameters of Pathfinder DVL

針對(duì)Pathfinder DVL 性能提升的研制工作也一直在進(jìn)行，如圖2 是2022 年5 月發(fā)布的新研制的300 kHz 基于OEM 配置的Pathfinder DVL，其直徑為14.4 cm，高度3.38 cm，質(zhì)量2.9 kg（空氣中），配備了雙軸數(shù)字傾角儀和加速度計(jì)。在有擴(kuò)展范圍跟蹤（XRT）的條件下，底跟蹤范圍能達(dá)到500 m。工作深度達(dá)到1 000 m。由于其外形尺寸更小，可作為當(dāng)前OEM Pioneer 的替代產(chǎn)品使用。

圖2 300 kHz 基于OEM 配置的Pathfinder DVLFig. 2 300 kHz Pathfinder DVL based on OEM configuration

1.2.2 Tasman DVL

Tasman DVL 是2019 年研制生產(chǎn)的用于替代傳統(tǒng)Workhorse DVL 的高精度、低功耗、小型化產(chǎn)品，與其他型號(hào)產(chǎn)品相比，顯著優(yōu)勢(shì)在于其在6 000 m 水深條件下仍可正常工作。Tasman DVL采用相控陣設(shè)計(jì)，可在更小尺寸下提高位置精度，減小航行器阻力。為滿足大深度工作需求，其上安裝了換能器狀態(tài)監(jiān)視器、泄露傳感器以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)。此外，聲學(xué)多普勒流速剖面儀、航姿參考系統(tǒng)（AHRS）等也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置。創(chuàng)新的可即時(shí)更換換能器組件的設(shè)計(jì)方式，使得Tasman DVL 在傳感器發(fā)生故障時(shí)，可隨時(shí)更換換能器，不需要再將DVL 送回維修，換能器和電子艙相互獨(dú)立，可即時(shí)更換換能器的Tasman DVL和典型的技術(shù)參數(shù)表如圖3 和表2 所示。

表2 Tasman DVL 典型技術(shù)參數(shù)Table 2 Typical technical parameters of Tasman DVL

圖3 可即時(shí)更換換能器的新款Tasman DVLFig. 3 New Tasman DVL with field-replaceable transducers

1.2.3 Pioneer DVL

Pioneer DVL 是TRDI 公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)距離相控陣DVL，其作用距離最大可達(dá)到2 500 m。由于其探測(cè)深度相對(duì)其他DVL 遠(yuǎn)，該設(shè)備用于輔助小型、中型和大型平臺(tái)上的導(dǎo)航系統(tǒng)，使之有能力從公海深水區(qū)過渡到沿岸淺水區(qū)，38 kHz 的DVL 適裝于工作在全海深的水下無(wú)人航行器上。150 kHz 和38 kHz 這2 種型號(hào)產(chǎn)品如圖4 所示，其典型技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 Pioneer DVL 典型技術(shù)參數(shù)Table 3 Typical technical parameters of Pioneer DVL

圖4 150 kHz 和38 kHz 的Pioneer DVLFig. 4 150 kHz / 38 kHz Pioneer DVLs

1.2.4 Wayfinder DVL

Wayfinder DVL 用于實(shí)時(shí)輸出三維速度信息和安裝平臺(tái)對(duì)底高速信息， 其尺寸僅10 cm×10 cm×7 cm，因此非常適裝于微型ROV 上。該設(shè)備可靠性高、易于集成、價(jià)格低廉，渾濁和深水中也能正常工作，適用于橋梁/大壩檢查、渠道/渡槽檢查、船體檢查、生物學(xué)研究、打撈作業(yè)、潛水員導(dǎo)航等應(yīng)用場(chǎng)景。Wayfinder DVL 結(jié)構(gòu)及安裝于微型ROV 上的示意圖如圖5 所示，其典型技術(shù)指標(biāo)如表4 所示。

表4 Wayfinder DVL 的典型技術(shù)指標(biāo)Table 4 Typical technical parameters of Wayfinder DVL

圖5 Wayfinder DVL 安裝于微型ROVFig. 5 Wayfinder DVL suited for micro ROVs

圖6 STH-150 型相控陣多普勒計(jì)程儀Fig. 6 STH-150 phased array DVL

圖7 水面艇用小型多普勒計(jì)程儀Fig. 7 DVL for surface craft

2 國(guó)內(nèi)多普勒計(jì)程儀發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)70 年代以來，我國(guó)的多普勒測(cè)速技術(shù)逐步發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位及高校均加入到了多普勒測(cè)速技術(shù)的研究中，包括杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲學(xué)所、上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所、中船航?？萍加邢挢?zé)任公司及中船潤(rùn)聲科技有限公司等等諸多家單位均針對(duì)多普勒測(cè)速技術(shù)進(jìn)行研究，研制并生產(chǎn)了包括多普勒計(jì)程儀、多普勒流速剖面儀等設(shè)備。

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所旗下的杭州瑞利海洋裝備有限公司產(chǎn)品包括SLC 型走航式相控陣聲學(xué)多普勒測(cè)流儀、SLS 型自容式相控陣聲學(xué)多普勒測(cè)流儀、STH-150 型相控陣多普勒計(jì)程儀等。STH-150型DVL 工作頻率150 kHz，測(cè)深范圍5～350 m，長(zhǎng)期精度±1%±0.1 cm/s，空氣中重量小于20 kg，尺寸Φ230 mm×220 mm（不含水密接插件高度）。

中科院聲學(xué)所研制的SC 系列多普勒流速剖面儀、水面艇用小型多普勒計(jì)程儀等設(shè)備在無(wú)人船測(cè)速導(dǎo)航、水文流量測(cè)量中發(fā)揮重要作用，還用于“蛟龍?zhí)枴焙汀吧詈Ｓ率刻?hào)”載人潛水器以及DTA-6000聲學(xué)深拖等水下作業(yè)平臺(tái)。其最大探底高度200 m，測(cè)速范圍±10 m/s，對(duì)底測(cè)速精度達(dá)到±0.4%×船速±5 mm/s。

此外，哈爾濱工程大學(xué)研制生產(chǎn)了HEU-150型、 HEU-300 型DVL， 中科院東海站研制的4 000 m 大深度DVL 等等。

盡管在國(guó)外長(zhǎng)期的技術(shù)封鎖下，國(guó)外高精度、小型化的DVL 出口受管制，國(guó)產(chǎn)DVL 與世界先進(jìn)DVL 設(shè)備性能差距仍在逐步縮小。中船潤(rùn)聲科技有限公司研制生產(chǎn)了不同功能的系列化DVL 產(chǎn)品，包括了Dolphin-D500 型、Dolphin-D300 型、Dolphin-D300A 型、Dolphin-D100 型等，小型化、大深度、高精度的DVL 設(shè)備性能正在逐步接近世界水平。Dolphin-D100B 型DVL 和Dolphin-D300A 型DVL 如圖8 和圖9 所示，其性能參數(shù)如表5 所示。

圖8 Dolphin-D100B 型DVL 實(shí)物圖Fig. 8 Dolphin-D100B DVL

圖9 Dolphin-D300A 型DVLFig. 9 Dolphin-D300A DVL

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

3.1 大深度多普勒計(jì)程儀體積受限的問題

隨著近年來人類對(duì)深海資源的開發(fā)和利用，深海事業(yè)在國(guó)際經(jīng)濟(jì)和國(guó)防戰(zhàn)略中占據(jù)重要的地位，各國(guó)紛紛投入巨資開展了如海底地形勘探、科學(xué)考察、深海作戰(zhàn)等相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和裝備發(fā)展工作，為水下導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。深海無(wú)人裝備的緊湊化結(jié)構(gòu)和能源限制，對(duì)搭載DVL 的體積和重量都提出更高的要求。此外，為配合便攜性、輕型UUV 的發(fā)展需求，結(jié)合以觀測(cè)功能、娛樂活動(dòng)為主的微型ROV 的巨大應(yīng)用前景，小型化、大深度、高精度的多普勒計(jì)程儀的研制工作成為研究熱點(diǎn)。為增加DVL 的打底深度，首先考慮到的是增加發(fā)射聲基陣的驅(qū)動(dòng)功率，但是過大的發(fā)射功率會(huì)導(dǎo)致空化現(xiàn)象，導(dǎo)致波束圖退化，聲阻抗降低引起聲基陣和發(fā)射機(jī)不匹配，非線性效應(yīng)引起的發(fā)射脈沖失真，為避免空化現(xiàn)象需要限制發(fā)射功率。另一個(gè)思路是降低工作頻帶范圍，減小傳播損失，提升作用距離。但與此同時(shí)低頻換能器體積和重量增加，和小型化的要求相矛盾。

針對(duì)大深度的小型化DVL 的研制工作成為研究熱點(diǎn)。使用相控陣用單個(gè)平面陣替換原有的4 個(gè)獨(dú)立活塞式換能器可以有效縮小尺寸[21-22]。文獻(xiàn)[23]提出了一種八波束相控陣DVL，采用雙JANUS配置方式，有效減少布陣間距并減小相控陣體積。相關(guān)測(cè)速聲吶的測(cè)速精度低于多普勒測(cè)速儀，但是它不要求窄波束發(fā)射，也不要求指向斜下方的波束，因此可減小聲基陣體積和降低工作頻率。2015年BRUMLEY 和TAUDIEN 發(fā)明了小孔徑聲速傳感器（SAAVS）[24]，該裝置采用傳統(tǒng)相控陣DVL和聲相關(guān)計(jì)程儀（CVL）相結(jié)合的方式，由多個(gè)子陣列組成，每個(gè)子陣列形成4 波束。該方法在相對(duì)較寬的波束下也能獲得良好的性能，通過空時(shí)相關(guān)信號(hào)處理算法解決波束發(fā)散和地形偏差等傳統(tǒng)問題，該裝置可在保證測(cè)速精度的條件下減小換能器體積。

目前國(guó)內(nèi)的DVL 大多選擇相控陣的方式，尺寸已經(jīng)大大縮小，但是大深度DVL 的尺寸和功耗由于電子元器件等因素和國(guó)外的仍有差距，電子元器件的集成化程度對(duì)比國(guó)外還是有很大提升空間，未來DVL 研制重點(diǎn)仍在小型化上。

3.2 水面航船空化造成能量衰減導(dǎo)致作用距離降低問題

由于海洋環(huán)境條件復(fù)雜，在風(fēng)浪和潮涌的共同作用下，艦載平臺(tái)容易產(chǎn)生撓曲變形，影響姿態(tài)角估計(jì)。此外艦船自身慣性大，受水阻力影響，造成姿態(tài)誤差平滑精度不高，為對(duì)準(zhǔn)精度的估計(jì)造成影響[25]，只使用慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行方位導(dǎo)航存在誤差積累、系統(tǒng)可靠性差的問題。全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GNSS）具有明顯的多徑效應(yīng)、在電磁環(huán)境復(fù)雜、電離層活動(dòng)不規(guī)律的情況下，GNSS 信號(hào)捕捉跟蹤困難[26]。此外在高緯度地區(qū)可用衛(wèi)星數(shù)目有限，無(wú)法為主慣導(dǎo)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的輸出速度校正信息。為解決上述問題，需采用多傳感器多源信息融合的方式以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的航位推算。

但是針對(duì)水面艦使用DVL 進(jìn)行輔助導(dǎo)航，在航速較高的情況下，艇底板不平整處會(huì)存在空化現(xiàn)象，螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量空化噪聲。當(dāng)DVL濕端換能器基陣附近存在大量氣泡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相控陣發(fā)射和接收聲波能量衰減，影響DVL 工作深度，工程上使DVL 濕端遠(yuǎn)離螺旋槳安裝可以減少空化影響。針對(duì)這一問題的分析工作還比較欠缺，也尚未形成量化的精度分析結(jié)果。

3.3 航船姿態(tài)搖擺和安裝誤差問題

針對(duì)船有運(yùn)動(dòng)的情況的誤差分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，大多集中于減小搖擺或者測(cè)量搖擺角并進(jìn)行修正上。采用將換能器安裝于穩(wěn)定平臺(tái)上，以穩(wěn)定換能器指向的方式，但是該方法造價(jià)昂貴，成本高，并且針對(duì)水面航船在海況惡劣的情況下，穩(wěn)定平臺(tái)也很難發(fā)揮效用。另外采用JANUS配置方式，使用前后2 波束可以適當(dāng)?shù)窒捎诟┙亲兓臏y(cè)速誤差。使用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）測(cè)量姿態(tài)角并進(jìn)行修正，SINS/DVL 理論上需要固聯(lián)在運(yùn)載體的質(zhì)心位置以避免 “桿臂效應(yīng)”，如果安裝位置不在質(zhì)心上，或者擺動(dòng)不是參照質(zhì)心擺動(dòng)的，波束抵消效果受影響，對(duì)導(dǎo)航精度的影響較大。

實(shí)際安裝過程中存在安裝偏差，不可避免且難以借用其他工具直接測(cè)量，且勻速直航的航行方式，增加了測(cè)速誤差參數(shù)的標(biāo)定難度。將SINS/DVL進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使用SINS 測(cè)得的姿態(tài)角對(duì)DVL測(cè)量值進(jìn)行修正，可以降低由于航船姿態(tài)搖擺造成的測(cè)速誤差。

3.4 非典型海底地形等因素導(dǎo)致解算錯(cuò)誤問題

DVL 主要通過測(cè)試在平臺(tái)和海底被照射區(qū)域存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下，反射信號(hào)的多普勒頻移，來進(jìn)行航速的解算，反射信號(hào)與海底的地形特征有很大關(guān)系。在底跟蹤工作模式下，遇到不平整海底地形如海底溝、海底山脈或者遇到海洋生物阻擋、海底強(qiáng)吸聲地質(zhì)、載體航行姿態(tài)劇烈變化等情況，導(dǎo)致反射回波異常，出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)短暫失效的情況，直接影響其航位推算性能。

目前可以從硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法2 層面解決DVL 數(shù)據(jù)失效的問題。在硬件方面，可以設(shè)計(jì)多組輔助聲學(xué)定位系統(tǒng)如超短基線（USBL），或者考慮組合導(dǎo)航如使用慣性導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航（地形、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)等）和DVL 組合使用等方式。如文獻(xiàn)[27]在DVL 底跟蹤模式失效時(shí)，使用流跟蹤方式作為DVL 速度量測(cè)，為INS 提供速度輔助。在軟件方面，有2 種解決失效問題的思路：1）可以采用動(dòng)力學(xué)模型、深度學(xué)習(xí)等方式以速度估計(jì)值替換掉DVL 的失效測(cè)速信息。動(dòng)力學(xué)模型[28-31]包括航行器動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)2 種，利用推進(jìn)器推力、航向角、對(duì)流速度等信息最終推演估計(jì)得到對(duì)地速度。深度學(xué)習(xí)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等方式[32-35]，利用DVL 正常時(shí)的輸出速度對(duì)DVL失效時(shí)的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證DVL 在短時(shí)失效時(shí)的導(dǎo)航精度。 文獻(xiàn)[36]采用偏最小二乘回歸（PLSR）和支持向量回歸（SVR）相結(jié)合的方法構(gòu)建混合預(yù)測(cè)變量，基于SINS 當(dāng)前和過去的計(jì)算速度作為預(yù)測(cè)因子輸入，在出現(xiàn)DVL 數(shù)據(jù)失效時(shí)，PLSR-SVR 預(yù)測(cè)器提供DVL 測(cè)量值的估計(jì)進(jìn)行信息融合。2）針對(duì)DVL 獲取的航位推算數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理如剔除野值、數(shù)據(jù)融合等手段[37-39]，通過使用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）、容積卡爾曼濾波（CKF）、自適應(yīng)卡爾曼濾波（AKF）等濾波算法，將DVL 短時(shí)異常的輸出結(jié)果剔除，使得航位推算結(jié)果更穩(wěn)定。

上述提到的方法從原理上給出了解決DVL 短時(shí)失效的問題，但仍處于理論研究和驗(yàn)證階段。在實(shí)際工程應(yīng)用中需要在系統(tǒng)計(jì)算量和導(dǎo)航精度之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇穩(wěn)定性高的處理方式，避免截?cái)嗾`差或者發(fā)散的情況發(fā)生，也需要結(jié)合平臺(tái)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)信號(hào)處理方式進(jìn)行選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外DVL 發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合美國(guó)的TRDI 公司目前在售的根據(jù)使用環(huán)境和用途進(jìn)行劃分的4 款不同的系列化產(chǎn)品，能夠得出結(jié)論：目前國(guó)內(nèi)外的DVL 還有一定差距，主要集中在電子部件集成化程度低、沒有形成系列化產(chǎn)品上。但是在國(guó)家的大力支持下，我國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)高性能寬帶多普勒設(shè)備的研制，技術(shù)水平趨于成熟。

研制出有競(jìng)爭(zhēng)力的大深度、低功耗、高精度、可靠性強(qiáng)、外觀和軟件界面為用戶認(rèn)可的多普勒計(jì)程儀是當(dāng)前設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)行系列化產(chǎn)品的研制工作，使之能適用于不同的使用環(huán)境，可根據(jù)用戶需求和用途進(jìn)行定制，是未來產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵手段。提升標(biāo)定方法準(zhǔn)確度、設(shè)備魯棒性、解決短時(shí)失效的問題、在緊湊空間限制下擴(kuò)大DVL 底跟蹤范圍等熱點(diǎn)問題的研究，能夠有效提升水下航行器的導(dǎo)航定位精度和可靠性。