范校蜜，嚴(yán)家芳，竺江峰

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000）

對GPS水下定位儀定位的精確性再探究

范校蜜，嚴(yán)家芳，竺江峰＊

（浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316000）

在教材中GPS水下超聲定位實驗中，可以用等價法計算出精確地?值。結(jié)果表明：運用該方法可以在很大程度上減少實驗誤差，從而大大提高了實驗的精確度。

GPS；超聲波；定位；等價法

超聲波已經(jīng)被廣泛運用于科學(xué)研究［1］、工程技術(shù)［2］、交通管理［3］和醫(yī)療診斷［4］等各方面。對于GPS水下超聲定位的實驗，教材［5］中詳細(xì)地介紹了實驗方法，但我們在做該實驗時發(fā)現(xiàn)，由于測量棒都有一定的厚度，只要當(dāng)測量棒圓周軌跡不是在最中心（即θ≠0），φ值都會有一個較大的范圍（4°～8°左右），對于時間的誤差（最多只有1 μs）可以忽略。這樣不易準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致實驗誤差較大。為了提高精確度，提出了用等價法算出φ值的實驗方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)算出的φ值對結(jié)果的精確性做了保證，該方法能有效地提高實驗的精確度［6］。

1 實驗原理

超聲波遇到兩種物質(zhì)大的分界面時，由于聲速的不同，按照波動的規(guī)律就發(fā)生反射和折射?？梢杂贸暡y距，和定位［7－8］。在教材所給的實驗原理中，在檢測時從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)水介的傳播到接收器的時間，即渡越時間，渡越時間與水中的聲速［9］v相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。由于在該儀器中，利用單片機編程已把傳輸時間除過2，因此數(shù)碼顯示器的時間就是探測器到被測物的時間t，其探測到的距離［10］如下式所示：L＝vt。

對于角度φ的值是在換能器旋轉(zhuǎn)角度指示器上直接讀出來的。φ值都會有一個較大的范圍（4°～8°左右）。而在用等價法時，角度φ的值是通過計算得來的而不是直接讀出來的。為了驗證計算出的φ值比讀出的φ值更準(zhǔn)確，我們把φ1與φ2的值分別輸入到GPS水下超聲定位儀的軟件［11］中進行計算，根據(jù)計算出的誤差來進行比較和驗證。

在FB215型GPS水下超聲定位儀［12］的實驗裝置中，用等價法探究GPS水下定位儀定位實驗的圖解及原理如下：

圖1 GPS水下定位儀定位實驗圖

在圖1中，設(shè)從換能器B到圓心O的距離為P，渡越時間為tp。

2 實驗步驟

2.1 定標(biāo)

（1）由于有相應(yīng)的軟件，優(yōu)先考慮溫度法，直接測量水的的溫度T，該溫度下速度v由軟件可得出。

（2）用儀器中所帶的鐵棒掛在圓柱體容器中心下的螺釘上，記錄圓周半徑r，測量時間tp，計算出長度P。

2.2 運動方式

（1）讓被測物作圓周運動：保持被測物在橫梁上的位置不變，將橫梁轉(zhuǎn)到θ＝0°，讀出tBD的值，并記錄下來，然后均勻地改變θ值，讓被測物繞容器中心O作圓周運動，并在換能器旋轉(zhuǎn)角度指示器上直接讀出各個的值φ1（原方法），和顯示的時間tBA，分別記錄下來。最后由tp、tBD和tBA分別計算出相應(yīng)φ2（等價法）。

（2）被測物體作直線運動：固定橫梁，保持θ值不變，并記錄θ值。讓被測物沿橫梁作直線運動。從4 cm起，每移動1 cm，分別記錄顯示的時間tBA和φ1（原方法），再把橫梁轉(zhuǎn)到θ＝0°。從4 cm起，每移動1 cm，記錄下對應(yīng)的tBD。最后由tp、tBD和tBA分別計算出相應(yīng)距離r所對應(yīng)的φ2（等價法）。

2.3 結(jié)果

（3）將所得的實驗數(shù)據(jù)分別輸入到計算機的軟件中，該軟件即可自動用列表與繪圖的方式給出含實驗結(jié)果（r′，θ′）、理論值（r，θ）、誤差百分比的表格、及運動軌跡圖。

3 舉例說明

實驗室的溫度：T＝10.0℃

超聲波聲速：v＝1 341.28 m／s（由軟件得出）

渡越時間：tp＝89μs

容器半徑：P＝vtp＝11.94 cm（由軟件得出）

表1 圓周運動測量結(jié)果

表2 用φ1得出的結(jié)果（由軟件得出）

表2 表3 用φ2得出的結(jié)果（由軟件得出）

圖1 φ1得出曲線

圖2 φ2得出曲線

4 結(jié) 論

（1）由以上結(jié)果可以清楚發(fā)現(xiàn)，因為被測物體為圓柱體，其反射面為半圓形，超聲波發(fā)射的位置可能在半圓形的任何點上，就可能造成半徑的不相同。這樣不易準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致實驗誤差較大。在圓周運動中，半徑是確定的，所以實驗者較多的注意了角度的精確性，而忽略了此時的半徑并不是真正的半徑，會有較大誤差。而用等價法算出的φ值有較高的精確性，如果增加探測的次數(shù)，再取其平均值那么測得的結(jié)果將更接近于實際值。使結(jié)果精密度大大提高。

（2）在實驗中人為調(diào)整換能器角度容易產(chǎn)生較大誤差，如果能夠配置儀器自身的微調(diào)設(shè)備，如螺旋調(diào)微器，可以讀取更精確的數(shù)據(jù)。

（3）另一方面如果被測物能換成超聲波感應(yīng)裝置［13］，就能很大程度上避免因為被測物半徑帶來的誤差，而實驗的靈敏度就更高了。

［1］ 王國宏.鈦及鈦合金相變的超聲波研究［J］.稀有金屬快報，2002（10）.

［2］ 許發(fā)文，劉志潛.超聲波自動水位測報儀應(yīng)用于焦作控導(dǎo)工程［J］.治黃科技信息，2002（4）：17-20.

［3］ 張秀再，朱節(jié)中，陳鐘榮.8254在高速公路超聲波測速中的應(yīng)用［J］.微計算機信息，2008（29）：111-115.

［4］ 韓霜.新技術(shù)＋新聯(lián)盟：NS發(fā)力超聲波醫(yī)療領(lǐng)域［J］.世界電子元器件，2010（10）.

［5］ 竺江峰，蘆立娟，魯曉東.大學(xué)物理實驗［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［6］ 馬世紅.設(shè)計性、研究性物理實驗的實踐情況［J］.物理實驗，2004（11）：24-26.

［7］ 孫存英，俞嘉隆，喬衛(wèi)平.超聲波探測技術(shù)原理實驗［J］.大學(xué)物理實驗，2010（1）：31-35.

［8］ 牛原，趙中齡，騰永平.成正維 超聲波專題實驗的設(shè)計與教學(xué)［J］大學(xué)物理實驗，2007（3）：31-33.

［9］ 岑敏銳.超聲波在液體中的傳播速度與溫度的關(guān)系［J］.物理實驗，2008（5）：42-44.

［10］張琛，耿標(biāo).超聲波測距的原理及設(shè)計［J］.科技傳播，2010（13）：16-19.

［11］浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院光電研究所研制GPS水下超聲定位儀1.0版，2003.

［12］杭州精科儀器有限公司.GPS聲納定位（FB215型超聲GPS定位演示儀實驗講義）.

［13］最先進的IC：超聲波裝置收發(fā)器［J］.電子與電腦，2010（7）：16-19.

The Explore of Positioning Accuracy in the Underwater Positioning System of GPS

FAN Xiao-mi，YAN Jia-fang，ZHU Jiang-feng

（Zhejiang Ocean University，Zhejiang Zhoushan 316000）

In the teaching material in the GPS submarine supersonic localization experiment，we may use the equivalent method to calculate preciselyθValue.The result indicated that it can reduce the experimental error to a great extent using this method，thus enhanced experiment＇s precision greatly.

GPS；ultrasonic；positioning；equivalent method

O 422

A

1007-2934（2011）05-0007-03

2011-06-02

＊通訊聯(lián)系人