宋君才 孫 雷 蔣鷂飛 李娟偉

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海200136；2.中船航海科技有限責(zé)任公司 北京100070）

引 言

多普勒計(jì)程儀是一種比較精密的具有測(cè)速和計(jì)算航程功能的導(dǎo)航儀器。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，多普勒計(jì)程儀作為船舶或者水下航行器的一種主要導(dǎo)航設(shè)備，將會(huì)有非常廣闊的發(fā)展空間。［1］多普勒計(jì)程儀是通過向海底或海面發(fā)射水聲信號(hào)，從而測(cè)得載體的運(yùn)動(dòng)速度的導(dǎo)航技術(shù)，已發(fā)展成為船舶或水下航行器的主要導(dǎo)航手段之一。［2］國(guó)內(nèi)當(dāng)前應(yīng)用的多普勒計(jì)程儀可精確地測(cè)量載體相對(duì)于海底的絕對(duì)速度水平分量，其測(cè)量誤差具有不隨時(shí)間增加累積的特點(diǎn)，可以用來實(shí)時(shí)補(bǔ)償慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差。［3］在水下航行器航位推算法中，采用多普勒計(jì)程儀測(cè)得相對(duì)于陸地的速度，在低速長(zhǎng)時(shí)間的航行情況下，也可以消除海流對(duì)航行器定位的影響，達(dá)到較高精度。［4］這樣，水下航行器可以不浮出水面，從而提高其隱蔽性。多普勒計(jì)程儀的固定誤差，比如安裝偏角誤差、電路設(shè)計(jì)誤差和波束方向誤差等可以通過標(biāo)定試驗(yàn)來確定及修訂。因此多普勒計(jì)程儀的速度標(biāo)定不僅可以用來評(píng)估計(jì)程儀系統(tǒng)的性能，還關(guān)系到計(jì)程儀的修訂和日常應(yīng)用，是計(jì)程儀使用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。［5］

多普勒計(jì)程儀在交付使用前、新船使用以及長(zhǎng)時(shí)間使用后需進(jìn)行測(cè)速標(biāo)定，保證多普勒計(jì)程儀能夠達(dá)到其要求的性能指標(biāo)。以往對(duì)水下航行器的多普勒標(biāo)定中使用實(shí)時(shí)DGPS速度標(biāo)定法［6］，在標(biāo)定實(shí)施過程中，水下航行器需要浮出水面航行獲取DGPS實(shí)時(shí)定位信息，在水面上操控水下航行器尤其是排水量較小的水下潛航器（如深水潛器、無人潛水器等）不僅要求十分嚴(yán)格，測(cè)試結(jié)果容易受外界因素影響，難以滿足高精度計(jì)程儀的速度標(biāo)定的需要，而且容易暴露自身位置。為解決這一問題，文章提出了一種解決多普勒計(jì)程儀水下標(biāo)定的方法，通過利用DGPS提供的水下航行器下潛前和起浮后高精度的位置信息，計(jì)算出水下航行器的真速度，并將該速度作為標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)定多普勒計(jì)程儀的速度。文中最后給出了水下航行標(biāo)定的精度分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 實(shí)時(shí)DGPS速度標(biāo)定法

實(shí)時(shí)DGPS速度標(biāo)定法具體過程是安裝高精度DGPS的水下航行器，在水面勻速直航多個(gè)航程并且記錄水下航行器的航向、搖擺、計(jì)程儀速度、時(shí)間、位置等信息，通過這些信息得到水下航行器的速度水平分量真值，同多普勒計(jì)程儀的測(cè)量值進(jìn)行比較并計(jì)算均方根速度誤差。

通過DGPS測(cè)量的位置信息并經(jīng)搖擺信息的修正，得到每個(gè)航程上水下航行器絕對(duì)速度縱向分量真值和橫向分量真值的平均值：

N次航程上水下航行器絕對(duì)速度縱向分量真值和橫向分量真值的平均值：

N次航程上計(jì)程儀測(cè)得的絕對(duì)速度縱向分量和橫向分量的平均值：

N次航程上多普勒計(jì)程儀系數(shù)的平均值：

水下航行器絕對(duì)速度縱向分量和橫向分量的標(biāo)準(zhǔn)值決定的均方誤差：

計(jì)程儀測(cè)得的縱向分量和橫向分量組成矢量的均方誤差：

水下航行器絕對(duì)速度縱向分量和橫向分量的極限誤差：

2 水下航行DGPS速度標(biāo)定法

本文提出的水下航行標(biāo)定主要是在實(shí)時(shí)DGPS標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合水下航行器水下航行的特點(diǎn)，計(jì)算出水下航行器的真實(shí)速度作為標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)多普勒計(jì)程儀精準(zhǔn)標(biāo)定。

利用DGPS定位方法，通過對(duì)下潛就位點(diǎn)和上浮點(diǎn)的定位測(cè)量后得出兩點(diǎn)之間距離，據(jù)此計(jì)算出該航次的平均真速度值，然后同水下勻速直航段的多普勒計(jì)程儀所測(cè)速度測(cè)量值進(jìn)行比較。具體方法如下：如圖1所示，水下航行器在水面航行，待速度穩(wěn)定后進(jìn)入測(cè)速區(qū)。從A點(diǎn)開始，水下航行器保持水平姿態(tài)迅速下潛，到30 m左右水深的B點(diǎn)處停止下潛，保持水平勻速直航，航行到C點(diǎn)后水下航行器保持水平姿態(tài)開始上浮，并于D點(diǎn)浮出水面，結(jié)束上浮，完成測(cè)試。

在此強(qiáng)調(diào)，水下航行器航行的整個(gè)過程中，AD段的距離大于4 000 m（約2 n mile）。根據(jù)水下航行器水平下潛的情況，水下航行器可以在1 min之內(nèi)下潛到30 m深度。下潛過程中，其保持縱傾和橫傾±2°的范圍內(nèi)。在下潛和上浮過程中，認(rèn)為速度變化是線性的，用相鄰測(cè)量速度平均來代替在本段時(shí)間內(nèi)的速度。

圖 1 標(biāo)定試驗(yàn)航行示意圖

具體測(cè)量方法及步驟如下：

利用DGPS測(cè)定下潛就位點(diǎn)A點(diǎn)位置。在此說明，對(duì)水下航行器的定位，還可以在A點(diǎn)之前、速度穩(wěn)定之后，連續(xù)進(jìn)行多點(diǎn)定位，以提高A點(diǎn)的定位精度。這對(duì)于海況較差時(shí)尤為有效。

在A→B→C→D整個(gè)過程中，每間隔相同時(shí)間（如每隔1 s），記錄多普勒計(jì)程儀橫向速度和縱向速度。

利用DGPS測(cè)定上浮點(diǎn)D點(diǎn)位置，計(jì)算出AD段的距離S。

假設(shè)在下潛AB段與上浮CD段期間，對(duì)多普勒計(jì)程儀速度的記錄次數(shù)分別為N1次和N2次，則可求得：

則有

又可知S′段的時(shí)間tBC可表示如下：

式中：tAD為AD段航程的航行時(shí)間，s；tAB為AB段的航行時(shí)間，s；tCD為CD段的航行時(shí)間，s。

S′段的真速度Vr計(jì)算公式如下：

通過DGPS定位可計(jì)算得到水下航行器航跡向，利用平臺(tái)羅經(jīng)可測(cè)得水下航行器航向，那么可計(jì)算出水下航行器航跡與水下航行器航向的夾角為α。將真速度作分量分解，得到縱向速度Vxr和橫向速度Vyr，計(jì)算公式如下：

假設(shè)S′段航行期間，對(duì)多普勒計(jì)程儀測(cè)量速度與時(shí)間的記錄次數(shù)分別為n次，那么由S′段測(cè)得的水下航行器絕對(duì)速度分量的平均值和的計(jì)算公式如下：

計(jì)算多普勒計(jì)程儀系數(shù)K，其計(jì)算公式如下：

將所計(jì)算的系數(shù)K存儲(chǔ)進(jìn)設(shè)備中，進(jìn)行參數(shù)修正。

3 水下航行速度標(biāo)定精度分析

在AB段，水下航行器航行的時(shí)間為tAB，在CD段航行時(shí)間為tCD，通過對(duì)水下航行器的下潛和上浮分析，可知tAB、tCD均小于60 s。通常多普勒計(jì)程儀在10 kn以內(nèi)的測(cè)速誤差不超過0.1 kn，則由于多普勒計(jì)程儀測(cè)速誤差所導(dǎo)致的航程誤差為：

對(duì)DGPS采用載波相位法，其定位精度優(yōu)于1 m?？紤]2.6σ，DGPS的定位精度為2.6 m，則航程S的誤差為：

S′的誤差為：

由于該航程測(cè)量誤差較大，因此需增加航程距離以減小相對(duì)誤差。

為提高測(cè)速精度和考慮到航行條件的復(fù)雜性，選取航程S′為5 000 m。由航程誤差引起的速度誤差為：

航跡向測(cè)量誤差：

則有：

則縱向速度和航行速度的誤差為：圖2給出縱向速度的誤差曲線。

一般水下航行器橫向速度不超過2 kn，考慮1σ范圍內(nèi)，標(biāo)定精度誤差不超過0.023 kn。從圖2可以看出，橫向速度越小，標(biāo)定誤差越小。縱向速度在10 kn以下能夠滿足精度要求；超過10 kn時(shí)，精度超出指標(biāo)要求時(shí)，可通過延長(zhǎng)航程來減小航程的相對(duì)誤差，以降低標(biāo)準(zhǔn)速度的誤差。由此可見，采用水下DGPS方法能滿足測(cè)速標(biāo)定要求。

4 結(jié) 論

文章提出一種基于水下航行的多普勒計(jì)程儀標(biāo)定方法，詳細(xì)推導(dǎo)該方法的具體過程（水下航行器大部分時(shí)間在水下航行，試驗(yàn)條件很容易滿足），并記錄水下航行器下潛前和起浮后的位置信息；通過處理獲得其真實(shí)速度值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)程儀測(cè)速精度的有效標(biāo)定；最終通過標(biāo)定精度分析，驗(yàn)證該方法能滿足測(cè)速標(biāo)定要求，可以作為水下航行器上的計(jì)程儀速度標(biāo)定的一種新方法。 此方法可確保水下航行器在各種海況下皆可進(jìn)行多普勒計(jì)程儀的標(biāo)定試驗(yàn)，保障標(biāo)定試驗(yàn)不受外界因素影響。此外，該方法不僅降低了標(biāo)定試驗(yàn)條件的要求，也有效縮短了標(biāo)定時(shí)間，簡(jiǎn)化了原先較為復(fù)雜的試驗(yàn)過程，從而大大提高標(biāo)定試驗(yàn)的效率以及水下航行器的隱蔽性。

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