魏世樂(lè) 黃 蔚 楊宗元 楊 建 羅 濤 佘亞軍

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

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流速剖面儀測(cè)流精度評(píng)估技術(shù)理論分析研究*

魏世樂(lè) 黃 蔚 楊宗元 楊 建 羅 濤 佘亞軍

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

文章針對(duì)風(fēng)和洋流等外界因素對(duì)現(xiàn)有的流速剖面儀對(duì)水測(cè)速考核精度產(chǎn)生影響的問(wèn)題，提出了一種新的流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度考核方法,分析了該方法抗風(fēng)和洋流干擾的原理。理論研究結(jié)果表明，該方法原理上可消除風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向等外界因素對(duì)流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度考核的影響。

流速剖面儀; 計(jì)程儀; 對(duì)水測(cè)速; 測(cè)流誤差

Class Number TB937

1 引言

高精度聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)可應(yīng)用于水面艦船和水下運(yùn)載器的導(dǎo)航定位，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的速度信息，以修正導(dǎo)航系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間的速度誤差累積，滿足遠(yuǎn)程、長(zhǎng)時(shí)間航行的導(dǎo)航要求，因此提高多普勒流速剖面儀的測(cè)速精度非常重要。

流速剖面儀主要有拖曳流速剖面儀、轉(zhuǎn)輪流速剖面儀、水壓流速剖面儀、電磁流速剖面儀、多普勒流速剖面儀、聲相關(guān)流速剖面儀等類型。其中，ADCP準(zhǔn)確性好，靈敏度高，可測(cè)縱向和橫向速度，主要用于巨型船舶在狹水道航行、進(jìn)出港、靠離碼頭時(shí)提供船舶縱向和橫向運(yùn)動(dòng)的精確數(shù)據(jù)。ADCP受作用深度限制，超過(guò)數(shù)百米時(shí)，只能利用水層中的水團(tuán)質(zhì)點(diǎn)作反射層，變成對(duì)水流速剖面儀。

ADCP的測(cè)速精度分為對(duì)地測(cè)速精度和對(duì)水測(cè)速精度兩部分。其中，衡量ADCP對(duì)地測(cè)速精度的常用方法主要為高精度GPS測(cè)速比對(duì)法；衡量ADCP對(duì)水測(cè)速精度的常用方法主要為順-逆-順自主比對(duì)法(標(biāo)量消流法)。目前，利用高精度的星站DGPS的測(cè)速精度可到10-2m/s量級(jí)，滿足對(duì)ADCP的對(duì)地測(cè)速精度評(píng)定需求。但現(xiàn)有的順-逆-順自主比對(duì)法衡量ADCP對(duì)水測(cè)速精度的方法容易受風(fēng)速、風(fēng)向、各水流層流速流向等因素的影響，難以給出精確地評(píng)定多普勒流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度[1～4]。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的順-逆-順自主比對(duì)法的處理算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種能有效地消除風(fēng)向、洋流流向等外界干擾因素的高精度評(píng)定ADCP對(duì)水測(cè)速精度的方法。該方法原理上可消除風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向等外界因素對(duì)流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度考核的影響，有效地提升了ADCP對(duì)水測(cè)速考核的精度。

2 現(xiàn)有的多普勒流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度評(píng)定方法分析

目前，評(píng)定多普勒流速剖面儀對(duì)不同水流層測(cè)速精度的常用方法為：水槽拖車試驗(yàn)、同步比測(cè)試驗(yàn)、自身航行試驗(yàn)。

水槽拖車試驗(yàn)適用于工作頻率大于300kHz的流速剖面儀精度檢驗(yàn)，難以模擬真實(shí)的多普勒流速剖面儀復(fù)雜的使用環(huán)境，不適用于高精度ADCP測(cè)流精度考核。

同步比測(cè)試驗(yàn)是最為簡(jiǎn)單理想的精度檢驗(yàn)方法，但一方面，需要工作頻率與被檢驗(yàn)多普勒流速剖面儀工作頻率不在同一頻段的更高精度的流速剖面儀作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器，而國(guó)外的高精度大深度多普勒流速剖面儀對(duì)我國(guó)是全面限制的，這就使得同步比測(cè)法無(wú)法用于新研制的高精度流速剖面儀；另一方面，實(shí)艇條件下，一般不具備同時(shí)安裝被測(cè)和同步比測(cè)的流速剖面儀的條件，這進(jìn)一步限制了同步比測(cè)方法的使用。

對(duì)于工作頻率不大于300kHz的流速剖面儀，且試驗(yàn)船上不具備同時(shí)安裝被測(cè)和同步比測(cè)的流速剖面儀時(shí)，目前只有通過(guò)自身航行試驗(yàn)來(lái)考核流速剖面儀的分層對(duì)水相對(duì)速度測(cè)量精度。目前，聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)給出的自身航行試驗(yàn)法都是以高精度GPS作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器，檢測(cè)原理主要有以下幾種：

1) 流速比對(duì)法[2](GB/T 24558-2009)

該方法的檢測(cè)原理為：試驗(yàn)船在同一航線上，進(jìn)行兩個(gè)航次試驗(yàn)，第一個(gè)航次中同時(shí)記錄ADCP對(duì)地跟蹤速度值(對(duì)地速度)與GPS速度值，第二個(gè)航次中記錄ADCP測(cè)流速度值(對(duì)水速度)，計(jì)算ADCP對(duì)地跟蹤速度與ADCP測(cè)流速度的差值(即ADCP測(cè)得的水流速度)，通過(guò)與GPS測(cè)得的水流速度相比較的方法統(tǒng)計(jì)ADCP對(duì)水測(cè)速偏差。

流速比對(duì)法的核心思想在于：ADCP測(cè)得的水流速度等于GPS測(cè)得的水流速度。該方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：GPS測(cè)得的流速基準(zhǔn)值與ADCP的測(cè)流精度相關(guān)，即考核基準(zhǔn)為非獨(dú)立項(xiàng)。嚴(yán)格意義上，該方法不能用于考核ADCP測(cè)流精度。

2) 矢量差法[3](HY/T 102-2007)

該方法的檢測(cè)原理為：試驗(yàn)船在同一航線上作往返勻速直線航行，在滿足要求的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，同時(shí)記錄被檢ADCP在同一地點(diǎn)往返航行的直接測(cè)量值(海流相對(duì)于載體的速度)、GPS測(cè)得的對(duì)地速度值，然后計(jì)算GPS同一地點(diǎn)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(jì)算)序列的平均值和被檢ADCP相應(yīng)地點(diǎn)的往返速度矢量差序列VADCP的平均值，最后通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)r、回歸系數(shù)a和b來(lái)評(píng)判ADCP的測(cè)速精度。

矢量差法的核心思想在于：被檢ADCP在同一地點(diǎn)往返航行的直接測(cè)量值(海流相對(duì)于載體的速度)的矢量差等于載體往返航行的對(duì)地速度值(GPS測(cè)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(cè)層洋流速度相同，且不考慮風(fēng)、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(yùn)用條件，決定了該方法計(jì)算精度不高，較適用于平穩(wěn)流場(chǎng)，如湖泊、江、河或試驗(yàn)場(chǎng)海域)進(jìn)行試驗(yàn)，不適合在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，故而也無(wú)法驗(yàn)證ADCP在真實(shí)海洋環(huán)境中的流速測(cè)量精度。

3) “順-逆”合速[9～10](自身航行試驗(yàn)度標(biāo)量消流法)

該方法的檢測(cè)原理為：試驗(yàn)船在同一航線上，通過(guò)“順-逆”或“逆-順”兩個(gè)航次消流的方式，由ADCP對(duì)某一深度的水層進(jìn)行測(cè)速，通過(guò)與高精度GPS測(cè)得的對(duì)地速度相比較的方法統(tǒng)計(jì)ADCP對(duì)水測(cè)速偏差。

“順-逆”合速度消流法的核心思想在于：被檢ADCP在同一航線順流和逆流航行的直接測(cè)量值(海流相對(duì)于載體的速度)的合速度標(biāo)量之和等于載體順流和逆流航行的對(duì)地速度值(GPS測(cè)量值)的合速度標(biāo)量之和。該思想成立的前提條件是試驗(yàn)船的航向與洋流、風(fēng)等外界作用力的方向保持同向。當(dāng)洋流方向、風(fēng)向、浪涌流向等外界作用力方向與試驗(yàn)船的航向有夾角時(shí)，該方法的計(jì)算精度會(huì)受到影響，即“順-逆”合速度標(biāo)量消流法的計(jì)算精度與洋流流速、風(fēng)速及洋流流向和風(fēng)向與試驗(yàn)船航向夾角大小等因素相關(guān)?！绊?逆”合速度標(biāo)量消流法雖然可以用于在真實(shí)的海洋環(huán)境中對(duì)ADCP的流速測(cè)量精度進(jìn)行考核，但為保障考核精度，對(duì)試驗(yàn)船的機(jī)動(dòng)、海區(qū)海況等試驗(yàn)條件要求苛刻，這就決定了該方法在實(shí)際試驗(yàn)中也無(wú)法獲得很高的考核精度。

為解決以上問(wèn)題，降低或消除洋流流速流向、風(fēng)速風(fēng)向等外界因素對(duì)ADCP測(cè)流速度考核精度的影響，本文提出了一種高精度的ADCP測(cè)流速度考核方法，給出了該方法抗洋流流速流向、風(fēng)速風(fēng)向等外界因素干擾的特性原理，理論分析了該方法相對(duì)于標(biāo)量消流法的精度優(yōu)勢(shì)，最后通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法相對(duì)于“順-逆”合速度標(biāo)量消流法具有更高考核精度的特性。

3 矢量平均法抗干擾原理

影響“順-逆”合速度標(biāo)量消流法對(duì)ADCP測(cè)流考核精度的主要因素為各水流層的流速流向和風(fēng)速風(fēng)向，下面將從原理上分別分析考慮這些因素影響下，試驗(yàn)船在同一航線上往返勻速直線航行時(shí)，GPS測(cè)得的試驗(yàn)船速度值VGPS與ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于各洋流層速度值的關(guān)系。在以下的分析中，假定：

2) 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)；

3) 往返勻速直航期間，試驗(yàn)船的主機(jī)轉(zhuǎn)速V主保持不變。

3.1 不考慮風(fēng)和洋流的影響(平靜的海洋面，無(wú)洋流)

1) 順流，航向角為β時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(1)

(2)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(3)

(4)

2) 逆流，航向角為β+180°時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(5)

(6)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(7)

(8)

ADCP橫向速度平均值：

ADCP縱向速度平均值：

GPS橫向速度平均值：

GPS縱向速度平均值：

1) 順流，航向角為β時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(9)

(10)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(11)

(12)

2) 逆流，航向角為β+180°時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(13)

(14)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(15)

(16)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(17)

(18)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(18)

(19)

2) 逆流，航向角為β+180°時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(20)

(21)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(21)

(22)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(23)

(24)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(25)

(26)

2) 逆流，航向角為β+180°時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(27)

(28)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(29)

(30)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(31)

(32)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(33)

(34)

2) 逆流，航向角為β+180°時(shí)

ADCP測(cè)得的試驗(yàn)船相對(duì)于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(35)

(36)

GPS測(cè)得的試驗(yàn)船的對(duì)地橫向速度和縱向速度分別為

(37)

(38)

同理，可得

綜上，可得如下結(jié)論：

由此得到一種高精度的ADCP測(cè)流精度考核方法，命名為“矢量平均法”。該方法不受風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向等復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)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。

下面將分析“矢量平均法”相對(duì)于消流法的精度優(yōu)勢(shì)。

4 誤差分析與比較

現(xiàn)有的流速剖面儀對(duì)水測(cè)速精度考核方法中，應(yīng)用最多精度最高也最貼近實(shí)際的是“順-逆”合速度標(biāo)量相消法，下面將詳細(xì)分析實(shí)際海洋環(huán)境下“順-逆”合速度標(biāo)量相消法與矢量平均法的考核精度高低[5～8]。

圖1 考慮風(fēng)和水流因素時(shí)，流速剖面儀設(shè)備載體試驗(yàn)航行的解算示意圖

1) “順-逆”合速度標(biāo)量消流法對(duì)水測(cè)速考核誤差分析

(39)

其中，依據(jù)式(31)～式(38)

(40)

其中，依據(jù)式(31)～式(38)

2) 矢量平均法對(duì)水測(cè)速考核誤差分析

由第3小節(jié)內(nèi)容分析可知，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向和流速、流向穩(wěn)定，且Δβ=0時(shí)，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，矢量平均法的對(duì)水測(cè)速考核精度要高于合速度標(biāo)量消流法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種高精度的流速剖面儀測(cè)流精度考核新方法，該方法能適應(yīng)惡劣的試驗(yàn)環(huán)境條件，可有效降低設(shè)備精度評(píng)估試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)、洋流等對(duì)設(shè)備考核精度的影響。文中還理論分析了矢量平均法消除風(fēng)、洋流影響的算法原理，并從理論誤差計(jì)算角度，得到了其優(yōu)于合速度標(biāo)量消流法的結(jié)論。

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Theoretical Analysis Research on the Technology of Speed-Precision Measurement Relative to Current for ADCP

WEI Shile HUANG Wei YANG Zongyuan YANG Jian LUO Tao SHE Yajun

(Second Institute for Wuhan Ship Development & Design, Wuhan 430064)

Aiming at the problem of influence of wind and ocean current on speed-precision measurement relative to current for ADCP, a new algorithm is proposed and the principle of its resistance against external interference and disturbancesis analyzed. The theoretical analysis result shows that the proposed method can eliminate the influence of wind and ocean current.

ADCP, log, velocity to current, speed-precision measurement relative to current

2016年5月17日,

2016年6月20日

魏世樂(lè)，男，博士，工程師，研究方向：艦船導(dǎo)航、通信、水聲設(shè)計(jì)。

TB937

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.030