流速剖面仪测流精度评估技术理论分析研究*

魏世乐 黄 蔚 杨宗元 杨 建 罗 涛 佘亚军

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)



流速剖面仪测流精度评估技术理论分析研究*

魏世乐 黄 蔚 杨宗元 杨 建 罗 涛 佘亚军

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)

文章针对风和洋流等外界因素对现有的流速剖面仪对水测速考核精度产生影响的问题，提出了一种新的流速剖面仪对水测速精度考核方法,分析了该方法抗风和洋流干扰的原理。理论研究结果表明，该方法原理上可消除风速、风向、流速、流向等外界因素对流速剖面仪对水测速精度考核的影响。

流速剖面仪; 计程仪; 对水测速; 测流误差

Class Number TB937

1 引言

高精度声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)可应用于水面舰船和水下运载器的导航定位，为导航系统提供精确的速度信息，以修正导航系统由于长时间的速度误差累积，满足远程、长时间航行的导航要求，因此提高多普勒流速剖面仪的测速精度非常重要。

流速剖面仪主要有拖曳流速剖面仪、转轮流速剖面仪、水压流速剖面仪、电磁流速剖面仪、多普勒流速剖面仪、声相关流速剖面仪等类型。其中，ADCP准确性好，灵敏度高，可测纵向和横向速度，主要用于巨型船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。ADCP受作用深度限制，超过数百米时，只能利用水层中的水团质点作反射层，变成对水流速剖面仪。

ADCP的测速精度分为对地测速精度和对水测速精度两部分。其中，衡量ADCP对地测速精度的常用方法主要为高精度GPS测速比对法；衡量ADCP对水测速精度的常用方法主要为顺-逆-顺自主比对法(标量消流法)。目前，利用高精度的星站DGPS的测速精度可到10-2m/s量级，满足对ADCP的对地测速精度评定需求。但现有的顺-逆-顺自主比对法衡量ADCP对水测速精度的方法容易受风速、风向、各水流层流速流向等因素的影响，难以给出精确地评定多普勒流速剖面仪对水测速精度[1～4]。

本文通过对现有的顺-逆-顺自主比对法的处理算法进行改进，提出了一种能有效地消除风向、洋流流向等外界干扰因素的高精度评定ADCP对水测速精度的方法。该方法原理上可消除风速、风向、流速、流向等外界因素对流速剖面仪对水测速精度考核的影响，有效地提升了ADCP对水测速考核的精度。

2 现有的多普勒流速剖面仪对水测速精度评定方法分析

目前，评定多普勒流速剖面仪对不同水流层测速精度的常用方法为：水槽拖车试验、同步比测试验、自身航行试验。

水槽拖车试验适用于工作频率大于300kHz的流速剖面仪精度检验，难以模拟真实的多普勒流速剖面仪复杂的使用环境，不适用于高精度ADCP测流精度考核。

同步比测试验是最为简单理想的精度检验方法，但一方面，需要工作频率与被检验多普勒流速剖面仪工作频率不在同一频段的更高精度的流速剖面仪作为检测标准仪器，而国外的高精度大深度多普勒流速剖面仪对我国是全面限制的，这就使得同步比测法无法用于新研制的高精度流速剖面仪；另一方面，实艇条件下，一般不具备同时安装被测和同步比测的流速剖面仪的条件，这进一步限制了同步比测方法的使用。

对于工作频率不大于300kHz的流速剖面仪，且试验船上不具备同时安装被测和同步比测的流速剖面仪时，目前只有通过自身航行试验来考核流速剖面仪的分层对水相对速度测量精度。目前，声学多普勒流速剖面仪检测标准给出的自身航行试验法都是以高精度GPS作为检测标准仪器，检测原理主要有以下几种：

1) 流速比对法[2](GB/T 24558-2009)

该方法的检测原理为：试验船在同一航线上，进行两个航次试验，第一个航次中同时记录ADCP对地跟踪速度值(对地速度)与GPS速度值，第二个航次中记录ADCP测流速度值(对水速度)，计算ADCP对地跟踪速度与ADCP测流速度的差值(即ADCP测得的水流速度)，通过与GPS测得的水流速度相比较的方法统计ADCP对水测速偏差。

流速比对法的核心思想在于：ADCP测得的水流速度等于GPS测得的水流速度。该方法有一个明显的缺点：GPS测得的流速基准值与ADCP的测流精度相关，即考核基准为非独立项。严格意义上，该方法不能用于考核ADCP测流精度。

2) 矢量差法[3](HY/T 102-2007)

该方法的检测原理为：试验船在同一航线上作往返匀速直线航行，在满足要求的试验区内，同时记录被检ADCP在同一地点往返航行的直接测量值(海流相对于载体的速度)、GPS测得的对地速度值，然后计算GPS同一地点的往返速度VGPS矢量差(矢量差用N、E分量分别相减后再合成计算)序列的平均值和被检ADCP相应地点的往返速度矢量差序列VADCP的平均值，最后通过计算相关系数r、回归系数a和b来评判ADCP的测速精度。

矢量差法的核心思想在于：被检ADCP在同一地点往返航行的直接测量值(海流相对于载体的速度)的矢量差等于载体往返航行的对地速度值(GPS测量值)的矢量差。该思想成立的前提条件是表层洋流速度与被测层洋流速度相同，且不考虑风、浪涌等外界作用力的影响，否则该方法不成立。矢量差法的运用条件，决定了该方法计算精度不高，较适用于平稳流场，如湖泊、江、河或试验场海域)进行试验，不适合在复杂多变的海洋环境中进行试验，故而也无法验证ADCP在真实海洋环境中的流速测量精度。

3) “顺-逆”合速[9～10](自身航行试验度标量消流法)

该方法的检测原理为：试验船在同一航线上，通过“顺-逆”或“逆-顺”两个航次消流的方式，由ADCP对某一深度的水层进行测速，通过与高精度GPS测得的对地速度相比较的方法统计ADCP对水测速偏差。

“顺-逆”合速度消流法的核心思想在于：被检ADCP在同一航线顺流和逆流航行的直接测量值(海流相对于载体的速度)的合速度标量之和等于载体顺流和逆流航行的对地速度值(GPS测量值)的合速度标量之和。该思想成立的前提条件是试验船的航向与洋流、风等外界作用力的方向保持同向。当洋流方向、风向、浪涌流向等外界作用力方向与试验船的航向有夹角时，该方法的计算精度会受到影响，即“顺-逆”合速度标量消流法的计算精度与洋流流速、风速及洋流流向和风向与试验船航向夹角大小等因素相关。“顺-逆”合速度标量消流法虽然可以用于在真实的海洋环境中对ADCP的流速测量精度进行考核，但为保障考核精度，对试验船的机动、海区海况等试验条件要求苛刻，这就决定了该方法在实际试验中也无法获得很高的考核精度。

为解决以上问题，降低或消除洋流流速流向、风速风向等外界因素对ADCP测流速度考核精度的影响，本文提出了一种高精度的ADCP测流速度考核方法，给出了该方法抗洋流流速流向、风速风向等外界因素干扰的特性原理，理论分析了该方法相对于标量消流法的精度优势，最后通过试验数据验证了该方法相对于“顺-逆”合速度标量消流法具有更高考核精度的特性。

3 矢量平均法抗干扰原理

影响“顺-逆”合速度标量消流法对ADCP测流考核精度的主要因素为各水流层的流速流向和风速风向，下面将从原理上分别分析考虑这些因素影响下，试验船在同一航线上往返匀速直线航行时，GPS测得的试验船速度值VGPS与ADCP测得的试验船相对于各洋流层速度值的关系。在以下的分析中，假定：

2) 往返匀速直航的航迹线重合或近距离平行(航迹线下的洋流状态一致)；

3) 往返匀速直航期间，试验船的主机转速V主保持不变。

3.1 不考虑风和洋流的影响(平静的海洋面，无洋流)

1) 顺流，航向角为β时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(1)

(2)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(3)

(4)

2) 逆流，航向角为β+180°时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(5)

(6)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(7)

(8)

ADCP横向速度平均值：

ADCP纵向速度平均值：

GPS横向速度平均值：

GPS纵向速度平均值：

1) 顺流，航向角为β时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(9)

(10)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(11)

(12)

2) 逆流，航向角为β+180°时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(13)

(14)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(15)

(16)

同理，可得

1) 顺流，航向角为β时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(17)

(18)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(18)

(19)

2) 逆流，航向角为β+180°时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(20)

(21)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(21)

(22)

同理，可得

1) 顺流，航向角为β时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(23)

(24)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(25)

(26)

2) 逆流，航向角为β+180°时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(27)

(28)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(29)

(30)

同理，可得

1) 顺流，航向角为β时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(31)

(32)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(33)

(34)

2) 逆流，航向角为β+180°时

ADCP测得的试验船相对于第k层洋流的横向速度和纵向速度分别为

(35)

(36)

GPS测得的试验船的对地横向速度和纵向速度分别为

(37)

(38)

同理，可得

综上，可得如下结论：

由此得到一种高精度的ADCP测流精度考核方法，命名为“矢量平均法”。该方法不受风速、风向、流速、流向等复杂海洋环境的影响，抗干扰能力强，对各层洋流流速的考核精度具有一致性。影响考核精度的主要因素为航向稳定性。

下面将分析“矢量平均法”相对于消流法的精度优势。

4 误差分析与比较

现有的流速剖面仪对水测速精度考核方法中，应用最多精度最高也最贴近实际的是“顺-逆”合速度标量相消法，下面将详细分析实际海洋环境下“顺-逆”合速度标量相消法与矢量平均法的考核精度高低[5～8]。

图1 考虑风和水流因素时，流速剖面仪设备载体试验航行的解算示意图

1) “顺-逆”合速度标量消流法对水测速考核误差分析

(39)

其中，依据式(31)～式(38)

(40)

其中，依据式(31)～式(38)

2) 矢量平均法对水测速考核误差分析

由第3小节内容分析可知，当风速、风向和流速、流向稳定，且Δβ=0时，矢量平均法的理论算法误差为0，即

故而，从算法理论误差分析上可知，矢量平均法的对水测速考核精度要高于合速度标量消流法。

5 结语

本文提出了一种高精度的流速剖面仪测流精度考核新方法，该方法能适应恶劣的试验环境条件，可有效降低设备精度评估试验过程中，风、洋流等对设备考核精度的影响。文中还理论分析了矢量平均法消除风、洋流影响的算法原理，并从理论误差计算角度，得到了其优于合速度标量消流法的结论。

[1] 邹洪,向大威,宣志芬,等.多普勒计程仪测速精度的测定[J].声学技术,2002(4):188-191.

[2] GB/T 24558-2009, 声学多普勒流速剖面仪[S].

[3] HY/T 102-2007, 声学多普勒流速剖面仪检测方法[S].

[4] SL 337-2006, 声学多普勒流量测验规范[S].

[5] 邹红,向大威,许伟杰,等.多普勒计程仪速度参照系统的误差分析[J].声学技术,2003,22(3):162-168.

[6] 芮震峰,陆冬青,石爱国.一种舰船实际航速的计算方法[J].舰船科学技术,2006,28(1):37-40.

[7] 陈传坎.船用多普勒计程仪测速精度分析[J].航海技术,2004(2):33-34.

[8] 邹洪,向大威,景永刚.多普勒计程仪的数据平滑方法[J].声学技术,2008,27(4):507-510.

[9] 卞鸿巍,金志华,田蔚风.GPS姿态测量系统在高精度计程仪速度标定中的应用[J].计算机测量与控制,2004,12(10):908-913.

[10] 杨金龙.利用DGPS测定船速和计程仪改正率[J].浙江交通职业技术学院学报,2002(9):37-40.

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

魏世乐，男，博士，工程师，研究方向：舰船导航、通信、水声设计。

TB937

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.030